Brevet FR3015033A1 — publié le 20150619

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ANALYSE DE LA SURFACE D'UN SUBSTRAT L'invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse d'une surface d'un substrat spéculaire, ladite analyse permettant notamment la détection de défauts locaux de planéité par la mesure du profil d'altitude du substrat. Il existe trois principales techniques sans contact pour mesurer la planéité de substrats transparents. La première technique consiste à mesurer la planéité d'un objet par interférométrie. La mesure est effectuée en exploitant les interférences intervenant entre deux ondes provenant des réflexions d'une onde incidente sur la surface à mesurer et sur une surface connue (étalon). Bien qu'extrêmement fiable et précise, cette technique est difficilement applicable aux mesures en ligne sur sites industriels de substrats de grandes dimensions. En effet, les méthodes interférométriques, composées de nombreux éléments optiques, sont très sensibles aux perturbations extérieures (vibrations , température, etc...). La deuxième technique consiste à mesurer la planéité d'un objet par réflectométrie. Dans le cas de substrats de grandes dimensions, cette technique demande néanmoins l'utilisation de composants de grandes dimensions (projecteur, écran) et/ou l'utilisation de composants optiques complexes pour projeter et collecter la lumière. L'intégration d'un tel dispositif sur une ligne industrielle est rarement possible ou souhaitable, par manque de place. La troisième technique consiste à mesurer la planéité d'un objet par déflectométrie. L'analyse de la déformation d'une image virtuelle créée par réflexion permet de remonter à la forme de l'objet. Une mire, constituée d'un motif périodique, généralement constitué par une alternance de lignes blanches et noires, est observée en réflexion sur la surface du substrat à mesurer. Une variation locale de la surface déforme localement l'image observée. La mesure de la phase locale de l'image observée permet de déterminer les pentes locales. La forme du substrat est ensuite reconstruite à partir des pentes locales par intégration. EP-A-1 336 076 décrit une méthode de mesure de détection des défauts optiques et de surface basée sur l'analyse de la déformation d'une mire à deux dimensions observées en réflexion. Cette méthode consiste à prendre au moins une image en réflexion d'au moins une mire sur la surface à l'aide d'une caméra matricielle, à extraire numériquement les phases locales, et déterminer les variations de pentes locales (les variations de courbures ou les variations d'altitudes étant ensuite déduites). Cette méthode présente l'inconvénient de devoir contrôler le positionnement du substrat lors de son déplacement afin d'assurer la reproductibilité de la mesure. En effet, afin d'extraire la phase, la méthode doit comporter une étape de superposition de l'image en réflexion de la mire sur une mire de référence et ensuite comparer ces phases à des phases de référence afin de déduire des variations de phases et corriger ces variations après un facteur de sensibilité qui dépend fortement des conditions d'observation et des outils de mesure utilisés. Le document US 6 392 754 décrit une méthode pour déterminer le profil d'une surface spéculaire basée sur l'analyse d'une mire en réflexion. La déformation de la mire observée en réflexion, à l'aide d'une caméra matricielle ou linéaire permet d'évaluer le profil d'altitude. La méthode consiste à déterminer les phases locales de l'image en comparant la mire observée à une image théorique parfaite. Le profil d'altitude est ensuite déterminé en intégrant les pentes locales, connaissant un point de référence. La méthode de US 6 392 754 permet d'éviter de définir la position des franges dans un référentiel. Cependant, le dispositif présente l'inconvénient de devoir être calibré pour aligner la mire avec la caméra matricielle : chaque ligne de la mire doit correspondre exactement à un nombre entier de lignes de pixels de la caméra. Toutes les techniques basées sur la déflectométrie précédemment citées déterminent la pente locale ou le rayon de courbure à partir de la mesure de la phase locale. Ces méthodes sont complexes et nécessitent une étape de calibration (i.e. définir la position des franges dans le référentiel du système optique), ou ne sont pas adaptées à la mesure en ligne pour mesurer des volumes de grandes dimensions. WO 2010/037956 concerne également l'analyse en continu de défauts 30 optiques déformants présents soit à la surface du substrat ou dans sa masse. La méthode consiste à acquérir, à l'aide d'une caméra matricielle, une série de plusieurs images d'une mire bidirectionnelle vue en en transmission à travers un substrat, ou en réflexion sur le substrat. L'image reconstituée par recollement est ensuite analysée par traitement numérique pour en déduire la position des défauts optiques et quantifier leurs intensités, à partir de la variation des phases locales de l'image. Cette méthode quantifie les défauts optiques mais pas les défauts de planéité. US 7 345 698 s'intéresse à la mesure de la puissance optique notamment pour des surfaces spéculaires à partir d'une pluralité d'images circulaires projetée sur le substrat et réfléchie. Cette méthode ne s'intéresse pas non plus aux défauts de planéité. Un but de l'invention est de fournir une méthode de mesure robuste de la planéité d'un substrat spéculaire. A cet effet, un aspect de l'invention a notamment pour objet un procédé d'analyse d'une surface d'un substrat spéculaire comprenant : - une acquisition d'au moins une image d'une mire produite par réflexion sur ladite surface, la mire présentant un motif périodique de zones sombres et claires ; - un calcul de la dérivée de la phase locale dans une direction en des points de l'image à partir de l'image acquise; - un calcul de grandeurs représentatives de grandissements locaux dans une direction en des points de l'image à partir de la dérivée de la phase; - un calcul de puissances optiques locales à partir desdites grandeurs représentatives de grandissements locaux ; - un calcul de profil d'altitude à partir des puissances optiques locales. Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le profil d'altitude est obtenu par une intégration à partir des puissances optiques locales ; - le procédé utilise un calcul de pentes locales à partir des puissances optiques locales pour calculer le profil d'altitude ; - l'analyse est effectuée en cours de mouvement du substrat ; - le substrat est spéculaire et transparent. Avec l'invention, le calcul du profil d'altitude en fonction des puissances optiques locales obtenues à partir des dérivées locales de phase ne nécessite pas de calculer les phases locales. Cette méthode permet d'utiliser des mesures relatives, et être ainsi moins sensible aux vibrations extérieures. En outre, cette méthode ne nécessite pas d'étalonnage au cours des mesures. La méthode est ainsi robuste. L'invention proposée a également l'avantage d'éviter l'utilisation de mires de grandes dimensions, en permettant une acquisition lors du déplacement du substrat et de limiter le nombre de caméras, en évitant un référencement par une caméra supplémentaire, (une calibration par une caméra supplémentaire étant inutile). L'invention a également pour objet un dispositif de mesure de la planéité d'un substrat, comprenant au moins une caméra, au moins une mire, des moyens de traitement numérique d'image, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un calculateur et une mémoire sur laquelle sont stockés des programmes aptes à mettre en oeuvre un procédé tel que décrit ci-dessus. La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l'invention, et à partir des figures ci-jointes, dans lesquelles : - La figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un dispositif d'analyse selon l'invention pour une mesure en réflexion ; - La figure 2 illustre un exemple de mire utilisée. Les figures ne sont pas à l'échelle pour en faciliter la lecture. Le dispositif 1 illustré sur les figures 1 et 2 permet d'analyser par réflexion les défauts d'un substrat spéculaire 2, tel qu'un vitrage, par le calcul du profil d'altitude de la surface spéculaire de ce vitrage. Le dispositif comporte une mire 10, des moyens de prise de vue 3 que sont par exemple une caméra matricielle, un système d'éclairage 4 de la mire, et des moyens adaptés de traitement et de calcul 5. La mire 10 est formée sur une face d'un panneau support 11, en regard du substrat à mesurer. Elle sera décrite plus en détail ultérieurement à titre illustratif. Le substrat 2 à surface spéculaire, i.e. le vitrage, est agencé devant la mire 10 et la caméra 3, l'objectif de la caméra étant dans le même plan que celui de la mire et étant dirigé en direction de la surface du substrat. Le système d'éclairage 4 peut être un système de rétro-éclairage lorsque le panneau support 11 est translucide, tel qu'une plaque de plastique blanc. De préférence, le système d'éclairage 4 est alors constitué d'une multitude de diodes électroluminescentes qui sont disposées à l'arrière du panneau translucide. La caméra 3 est matricielle ; elle génère des trames de prises de vue qui, par traitement numérique, sont concaténées pour former une image globale du substrat. Le substrat 2 ou la mire est apte à défiler en translation l'un par rapport à l'autre pour assurer le nombre nécessaire de prises de vue sur l'ensemble du substrat. La fréquence de déclenchement de la caméra pour chaque prise de vue est asservie à la vitesse de défilement. La caméra 3 est positionnée à une distance « d » adaptée de manière à visualiser l'ensemble de la réflexion de la mire sur le substrat. La mire monodirectionnelle est positionnée perpendiculairement à l'axe de défilement du substrat spéculaire. La mise au point de la caméra se fait sur l'image de la mire virtuelle réfléchie. La caméra 3 est positionnée de manière à atténuer l'impact de la potentielle réflexion de la mire sur la face inférieure du substrat. La mire 10, telle qu'illustrée sur la figure 3, est agencée sur un support 11 de forme oblongue. Elle est monodirectionnelle. Le motif de la mire se compose d'une succession alternative de lignes claires et foncées. La mire est de petites dimensions par rapport au substrat à mesurer. Par exemple pour mesurer un vitrage de 1,5 m par 1,5 m, la mire s'étend par exemple sur 15 cm par 1,8 m pour une inclinaison nulle du vitrage. D'une manière générale, il s'agit d'une mire de tout type adapté, la mire 20 présente par exemple un motif périodique dans au moins une direction de zones sombres et claires. La fréquence est variable selon la précision recherchée. Plusieurs fréquences pourront être présentes sur la mire. Les dispositifs de prises de vue (caméra, objectif) sont connectés aux moyens de traitement et de calcul 5 pour effectuer les traitements et analyses 25 mathématiques qui suivent les prises de vue successives. La figure 4 illustre une image enregistrée par la caméra, l'image de la mire étant déformée par la présence de défauts dans une direction. L'invention concerne plus particulièrement le calcul permettant d'obtenir la planéité à partir des images. 30 En effet, un défaut de planéité introduit une déformation de l'image acquise. La méthode décrite dans l'invention, basée sur la déflectométrie consiste à déterminer la planéité d'un substrat spéculaire à partir de la mesure des puissances optiques locales. La modélisation du défaut en miroir sphérique nous permet, à l'aide de la méthode proposée, de lier la puissance optique locale à une courbure locale du substrat. A partir de ces informations, le profil d'altitude est calculé par intégration. Plus précisément, le calcul du profil d'altitude à partir de l'analyse de la mire se décompose par exemple ainsi: 1. Acquisition d'une image de la mire déformée par le substrat ; 2. Démodulation de la phase unidimensionnelle, par exemple Transformée de Fourier unidimensionnelle ; 3. Calcul de la dérivée de la phase locale en chaque point de l'image ; 4. Calcul du grandissement local en chaque point de l'image ; 5. Calcul de la puissance optique locale en chaque point de l'image ; 6. Calcul des pentes locales en chaque point du vitrage ; 7. Calcul du profil d'altitude dans une direction ; 8. Evaluation des défauts de planéité. Le calcul de la puissance optique, présenté ci-dessus, est fait à partir d'une image bidimensionnelle d'une mire monodirectionnelle. L'analyse mathématique consiste à obtenir la valeur du grandissement local à partir de la dérivée de phase locale en tout « point » (ou « pixel ») de l'image, puis à calculer les puissances optiques locales. On définit ainsi une cartographie en une dimension des puissances optiques locales de chacune des images acquises en réflexion, appelée carte des puissances optiques locales. Cette extraction de la carte de puissances optiques locales peut être obtenue de différentes manières. L'une des méthodes possible est basée sur le traitement par transformée de Fourier, de façon connue. Par traitement numérique de la puissance optique, en supposant la surface sensiblement plane et en modélisant localement le vitrage par des miroirs sphériques, on obtient le profil d'altitude en intégrant les rayons de courbures 30 locaux. L'exploitation de ce profil d'altitude permet quantifier la qualité du vitrage directement sur la ligne de fabrication, en délivrant des valeurs relatives à des critères décrits dans des normes en cours de validité. D'une manière générale, l'invention comprend ainsi : - une acquisition d'au moins une image d'une mire produite par réflexion sur ladite surface, la mire présentant un motif périodique de zones sombres et claires ; - un calcul de la dérivée de la phase locale dans une direction en des points (i.e. pixels) (e.g. tout point) de l'image à partir de l'image acquise; - un calcul de grandeurs représentatives de grandissements locaux dans une direction en des points (i.e. pixels) (e.g. tout point) de l'image à partir de la dérivée de la phase; - un calcul de puissances optiques locales à partir desdites grandeurs représentatives de grandissements locaux ; - un calcul de profil d'altitude à partir des puissances optiques locales. REVENDICATIONS1. Procédé d'analyse d'une surface d'un substrat spéculaire (2) comprenant : - une acquisition d'au moins une image d'une mire (10) produite par réflexion sur ladite surface, la mire présentant un motif périodique de zones sombres et claires ; - un calcul de la dérivée de la phase locale dans une direction en des points de l'image à partir de l'image acquise; - un calcul de grandeurs représentatives de grandissements locaux dans une direction en des points de l'image à partir de la dérivée de la phase; - un calcul de puissances optiques locales à partir desdites grandeurs représentatives de grandissements locaux ; - un calcul de profil d'altitude à partir des puissances optiques locales. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le profil d'altitude est obtenu par une intégration à partir des puissances optiques locales. 3. Procédé selon la revendication 2, utilisant un calcul de pentes locales à partir des puissances optiques locales pour calculer le profil d'altitude. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'analyse est effectuée en cours de mouvement du substrat. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat est spéculaire et transparent. 6. Dispositif (1) de mesure de la planéité d'un substrat (2), comprenant au moins une caméra (3), au moins une mire (10), des moyens de traitement numérique d'image, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un calculateur et une mémoire sur laquelle sont stockés des programmes aptes à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.30