Brevet FR3034868A1 — publié le 20161014

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour contrôler, à l'aide d'un faisceau laser, l'état d'une surface, par exemple une pièce usinée, afin d'y détecter d'éventuels défauts superficiels. Elle permet de vérifier qu'une surface est conforme à des spécifications données et d'assurer que cette surface ne présente aucun défaut visuel ou non, ni de variations de rugosité. Il est déjà connu, dans la technique, de contrôler l'état d'une surface en effectuant le balayage de celle-ci par un faisceau de contrôle laser focalisé, puis de traiter le signal lumineux, renvoyé par ladite surface en réponse à l'illumination par ledit faisceau laser de contrôle, pour déterminer ledit état de surface. Pour ce faire, on met en oeuvre des faisceaux laser focalisés ou collimatés qui necessitent soit plusieurs détecteurs, soit de diriger les faisceaux perpendiculairement à la surface à controler. De plus, le processus de traitement de l'image de la surface à contrôler par des systèmes d'imagerie à matrice de pixels est relativement long. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients, grâce à un procédé et à un dispositif permettant d'améliorer la résolution, tout en augmentant la rapidité des mesures. À cette fin, selon l'invention, le procédé pour contrôler l'état d'une surface selon lequel : on effectue le balayage de ladite surface par un spot laser suivant une série de points de mesure illuminés successivement par ledit spot laser, et on traite le signal lumineux de réponse renvoyé par ladite surface en réponse à l'illumination par ledit spot laser, pour déterminer ledit état de surface, est remarquable en ce que : - on adresse successivement les signaux lumineux de réponse individuels émis par lesdits points de mesure à un monodétecteur délivrant une intensité électrique proportionnelle à l'intensité lumineuse qu'il reçoit, pour former un signal électrique de réponse global, représentatif dudit signal lumineux de réponse renvoyé par ladite surface et constitué par la série des intensités 3034868 2 électriques individuelles mesurées par ledit monodétecteur en correspondance avec la série desdits points de mesure ; - on calcule au moins une propriété statistique dudit signal électrique de réponse global ; et 5 - on utilise les variations dudit signal électrique de réponse global et les variations de ladite propriété statistique pour déterminer ledit état de surface. Ainsi, la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention est sensible et rapide, car elle permet, à l'aide du monodétecteur qui peut être une simple photodiode, de détecter des défauts de surface de l'ordre de la 10 taille du spot laser (au plus quelques dizaines de pm) et elle ne consiste qu'à mesurer l'intensité et la position du faisceau laser. Les traitements statistiques sur quelques milliers de points de mesure peuvent se faire en temps quasi-réel. De plus, ce procédé de l'invention peut être mis en oeuvre sur de grandes surfaces, sans exiger des coûts élevés. 15 Le procédé conforme à la présente invention est basé sur le fait que les variations d'intensité lumineuse mesurées sont directement liées à la fonction de distribution bidirectionnelle de la réflectance de la surface à contrôler, de sorte que les variations dudit signal électrique de réponse globale correspondent à des variations locales de réflectance engendrées par 20 des défauts de surface tels que piqués, rayures, impacts, coulures, etc. De plus, grâce aux variations de ladite propriété statistique, on a accès à des informations fines, rapidement exploitables, sur l'état de ladite surface, par exemple à propos de défauts de grande finesse et même de variations de rugosité. 25 De préférence, selon la présente invention, on exploite, isolément ou en combinaison, au moins les propriétés statistiques suivantes : 1. La variance dudit signal électrique de réponse global ; en effet, une variation de cette variance est représentative d'une modification de la fonction de distribution bidirectionnelle de la réflectance de la surface à contrôler et 30 donc d'une modification dudit état de surface. Ainsi, selon l'invention, on calcule la variance un d'une série de mesures d'intensités électriques 3034868 3 individuelles délivrées par ledit monodétecteur de façon connue, par la formule connue : n = 4 2 v=n dans laquelle : 5 - A est le nombre de mesures effectuées à partir de la mesure xn de rang n (n étant un entier positif), de sorte que le calcul s'effectue sur la série de mesures { xi,, xn+A}, - xp est la pie' mesure (p étant un entier positif), et est la moyenne de la série des mesures. 10 En pratique, en ce qui concerne ladite variance, le nombre de mesures A peut être fixe, par exemple de l'ordre de 100, et la variance est calculée de manière glissante pendant le balayage du spot laser. La variance ainsi calculée est comparée à un gabarit déterminé à partir d'une surface de référence et un défaut d'état de surface est détecté 15 lorsque la variance calculée s'écarte dudit gabarit. On remarquera que la variance étant le carré de l'écart-type, ce dernier peut remplacer ladite variance. 2. La largeur, par exemple à mi-hauteur, de la transformée de Fourier discrète dudit signal électrique de réponse global ; en effet, cette largeur est 20 directement liée à l'inverse de la fréquence spatiale des différents grains de la surface à contrôler. Par suite, toute modification de la largeur de la transformée de Fourier est représentative d'un changement de rugosité. Pour déterminer cette largeur, on commence par calculer la transformée de Fourier discrète de la série de mesures { xn, Xn+p } par la 25 formule connue : X( k) = XP' e -2 ink (p-n)/21 (2) dans laquelle A, n, p, xp ont la même signification que ci-dessus. (1) 3034868 4 Puis, pour calculer la largeur à mi-hauteur de cette transformée de Fourier discrète, on peut effectuer la suite (3) de calculs suivante : - calcul du maximum de la transformée de Fourier discrète : ,Cax = MaX[Vn (k)H/ où V.(k)I représente le module de la fonction X(k) 5 - calcul de k1 et de k2, les deux valeurs de k pour lesquelles IX(k) - 0,5 X;:f al est minimum, et - calcul de L = k2-k1, représentant cette largeur à mi-hauteur. En pratique, en ce qui concerne ladite largeur de la transformée de Fourier discrète, le nombre de mesures A peut être fixe, par exemple de 10 l'ordre de 1000, et la largeur est calculée de manière glissante pendant le balayage du spot laser. La largeur ainsi calculée est comparée à un gabarit déterminé à partir d'une surface de référence et un changement de rugosité est détecté lorsque la largeur calculée s'écarte dudit gabarit. 15 3. La moyenne de la fonction d'autocorrélation dudit signal électrique de réponse global ; en effet, cette moyenne est liée à la taille des grains diffusants de la surface à contrôler, du fait que, lorsqu'un faisceau cohérent est dirigé sur une surface, chaque point diffusant se comporte comme une source de rayonnements lumineux et que les interférences entre les 20 rayonnements émis par ces différentes sources provoquent des motifs de tachetures (speckles), la fonction d'autocorrélation d'un motif de tachetures étant liée à la taille des grains diffusants. Pour déterminer ladite moyenne, on commence par calculer, pour chaque série de mesures { x, xn+A }, la fonction d'autocorrélation dudit signal 25 électrique de réponse global par la formule connue : pour m= tz,n+1,...,n+ A P-=17 1(m)= 24-e-1 (4) 30 pour m=n+A+1,n+A+2,...,n-F2A P=0 3034868 5 puis on calcule la moyenne de cette fonction pour chaque série de mesures, par la formule : n+21t H(n) = = in=n (5) Là encore, le nombre de mesures A peut être fixe, par exemple de 5 l'ordre de 1000, et ladite moyenne est calculée de manière glissante pendant le balayage du spot laser. La moyenne de la fonction d'autocorrélation ainsi calculée est comparée à un gabarit déterminé à partir d'une surface de référence, et un changement de rugosité est détecté lorsque la moyenne calculée s'écarte 10 dudit gabarit. On remarquera que la fonction d'autovariance étant égale à la fonction d'autocorrélation, elle peut également être utilisée. Dans la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention, on forme un spot laser dont le diamètre est de quelques pm à quelques 15 dizaines de pm. Le diamètre de ce spot laser est de préférence choisi de façon à être environ 5 fois inférieur à la taille minimale du défaut de l'état de surface que l'on souhaite détecter. Puisque la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention délivre un signal électrique de réponse global composé d'une série 20 de mesures d'intensités électriques individuelles correspondant à une série de points de mesure dont la localisation est connue par le balayage du spot laser, on comprendra aisément qu'il est possible de construire l'image de ladite surface à contrôler à partir desdites mesures. La présente invention concerne de plus un dispositif pour contrôler 25 l'état d'une surface. Ce dispositif, qui comporte : - des moyens de balayage de ladite surface par un spot laser suivant une série de points de mesure illuminés successivement par ledit spot laser, et - des moyens de traitement du signal lumineux de réponse, renvoyé par ladite surface en réponse à l'illumination par ledit spot laser, déterminant ledit 3034868 6 état de surface, est remarquable en ce que lesdits moyens de traitement comportent : - un monodétecteur recevant successivement les signaux lumineux de réponse individuels émis par lesdits points de mesure et délivrant une 5 intensité électrique proportionnelle à l'intensité lumineuse qu'il reçoit en formant un signal électrique de réponse global, représentatif dudit signal lumineux de réponse renvoyé par ladite surface et constitué par la série des intensités électriques individuelles délivrées par ledit monodétecteur en correspondance avec la série des points de mesure ; 10 - un calculateur calculant au moins une propriété statistique dudit signal électrique de réponse global ; et - des comparateurs comparant les variations dudit signal de réponse global et les variations de ladite propriété statistique à des gabarits respectifs, déterminés à partir d'une surface de référence. 15 De préférence, dans le dispositif de contrôle conforme à la présente invention, le spot laser résulte de la focalisation d'un faisceau laser par un système optique à focalisation automatique sur la surface à contrôler. À cet effet, ledit système optique est à distance focale variable et le dispositif de contrôle comporte : 20 - un dispositif de mesure de distance permettant de déterminer la distance objectif - surface entre l'objectif du système optique et ladite surface à contrôler ; et - un dispositif de réglage de la distance focale dudit système optique imposant à ce dernier de prendre une valeur de distance focale égale à ladite 25 distance objectif - surface. La figure unique du dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Le dispositif de contrôle 1, conforme à la présente invention et illustré schématiquement par cette figure, est destiné à contrôler la surface 2 d'un 30 corps 3 pour y détecter d'éventuels défauts superficiels. 3034868 7 Le dispositif de contrôle 1 comporte un générateur laser 4 adressant, par sa sortie 4A, un faisceau laser de contrôle 5 sur la surface 2, à travers un système optique 6. Ainsi, le système optique 6 forme, sur la surface 2, un spot laser 5A issu du faisceau laser de contrôle 5. 5 De façon connue et non représentée, ledit dispositif de contrôle 1 est au moins en partie articulé par des moyens tels que table XY, montage à la Cardan, miroirs rotatifs, etc. pour permettre de créer, sous l'action de moyens moteurs MX, MY, un mouvement relatif, selon deux axes rectangulaires X-X, Y-Y, de ladite surface 2, afin que ledit spot laser 5A balaye cette dernière. 10 Le système optique 6, qui est du type lunette ou téléscope, comporte un objectif fixe 6A et un oculaire mobile 6B, de sorte qu'il est possible de faire varier la distance d entre ledit objectif 6A et ledit oculaire 6B pour faire varier la distance focale F dudit système optique 6. Le dispositif de contrôle 1 comporte de plus un dispositif laser 7 de 15 mesure de distance émettant, par sa sortie 7A, un faisceau laser de mesure 8, qui est amené à suivre le même chemin optique que le faisceau laser de contrôle 5 du générateur 4 par l'intermédiaire d'un élément optique 9 (prisme, miroir partiellement transparent,...) disposé au point de référence 10 du chemin optique du faisceau laser de contrôle 5 en amont du système optique 20 6. Ce point de référence 10 est disposé à une distance e de la sortie 7A du dispositif laser 7, à une distance L de l'objectif 6A, les distances e et L étant connues par construction du dispositif 1 et à une distance D de la surface 2. Ainsi, le dispositif laser 7 mesure la distance e + D entre sa sortie 7A et la surface 2. 25 Le dispositif de contrôle 1 comporte également un dispositif de calcul 11, commandant un dispositif moteur 12 (de n'importe quel type connu et simplement représenté par une double flèche sur la figure 1) apte à déplacer l'oculaire 6B pour faire varier la distance d entre celui-ci et l'objectif 6A et donc la distance focale du système optique 6. 30 Le dispositif de calcul 11 reçoit, du dispositif laser 7, la distance e + D qui est mesurée par ce dernier et dont il connaît la distance e par 3034868 8 construction. De même, le dispositif de calcul 11 connaît, par construction, la distance L entre le point de référence 10 et l'objectif 6A, ainsi que la loi de variation de la distance focale F du système optique 6 en fonction de la distance d entre l'oculaire 6B et l'objectif 6A. 5 Le dispositif de calcul 11 est donc apte à calculer la différence D-L qui correspond à la valeur que doit prendre la distance focale F du système optique 6 pour que le faisceau laser de contrôle 5 soit focalisé sur la surface 2, ainsi que la valeur que doit prendre la distance d entre l'objectif 6A et l'oculaire 6B pour que ladite distance focale F prenne la valeur D-L. Il 10 commande donc en conséquence le dispositif moteur 12 qui déplace l'oculaire 6B, afin que la distance focale F du système optique 6 soit égale à D-L. Le dispositif de contrôle 1 comporte de plus un monodétecteur 14, par exemple une photodiode, pour recevoir le signal lumineux de réponse 17 renvoyé (par réflexion, diffusion,...) par la surface 2 en réponse à l'illumination 15 par le faisceau laser de contrôle 5. À cet effet, un élément optique séparateur 15 est prévu en un point 16 du chemin optique du faisceau laser de contrôle 5, pour adresser ce signal lumineux de réponse 17 au monodétecteur 14. Ce dernier transforme le signal lumineux 17 en un signal électrique transmis à un calculateur 20, qui, par ailleurs, commande des moyens moteurs MX et MY. 20 Ainsi, le spot laser 5A, sous la commande du calculateur 20 et des moyens moteurs MX et MY, peut effectuer le balayage de la surface 2 parallèlement aux axes X-X, Y-Y, suivant une série de points de mesure qu'il illumine successivement. Le signal lumineux de réponse 17 est donc formé par une série de signaux lumineux de réponse individuels émis par lesdits 25 points de mesure, dont la position de chacun d'eux sur la surface 2 est déterminée, et donc connue, par le calculateur 20. Le monodétecteur 14 transforme donc le signal lumineux de réponse 17 en un signal électrique de réponse global 18, constitué d'une série d'intensités individuelles correspondant à la série desdits points de mesure et 30 représentatif de l'état de la surface 2. 3034868 9 Le calculateur 20, qui reçoit ce signal électrique de réponse global 18, met en oeuvre des algorithmes connus, notamment des algorithmes correspondant aux formules 1 à 5 ci-dessus, calculant non seulement les variations d'intensité, mais encore les variations de variance, les variations de 5 largeur de la transformée de Fourier discrète et les variations de la moyenne de la fonction d'autocorrélation dudit signal électrique de réponse global. Ces différentes variations apparaissent respectivement à des sorties 20A, 20B, 20C et 20D dudit calculateur 20 et, dans des comparateurs 21A, 21B, 21C et 21D, sont respectivement comparées à des gabarits A, B, C et D 10 déterminés à partir d'une surface de référence. Les signaux de comparaison apparaissant respectivement aux sorties des comparateurs 21A, 21B, 21C et 21D sont donc représentatifs des éventuels défauts de l'état de surface 2, comme cela a été mentionné ci-dessus, et sont transmis à un dispositif d'affichage 22. 15 Le dispositif d'affichage 22 reçoit, du calculateur 20, la position, sur la surface 2, de chacun des points de mesure. Il est donc apte à construire l'image de la surface 2, avec ses éventuels défauts de surface. REVENDICATIONS1. Procédé pour contrôler l'état d'une surface (2), procédé selon lequel : - on effectue le balayage de ladite surface par un spot laser (5A) suivant une série de points de mesure illuminés successivement par ledit spot laser (5A), et - on traite le signal lumineux de réponse (17), renvoyé par ladite surface (2) en réponse à l'illumination par ledit spot laser (5A), pour déterminer ledit état de surface, caractérisé en ce que : - on adresse successivement les signaux lumineux de réponse individuels émis par lesdits points de mesure à un monodétecteur (14) délivrant une intensité électrique proportionnelle à l'intensité lumineuse qu'il reçoit pour former un signal électrique de réponse global (18), représentatif dudit signal lumineux de réponse (17) renvoyé par ladite surface (2) et constitué par la série des intensités électriques individuelles délivrées par ledit monodétecteur (14) en correspondance avec la série desdits points de mesure ; - on calcule au moins une propriété statistique dudit signal électrique de réponse global (18) ; et - on utilise les variations dudit signal électrique de réponse global et les variations de ladite propriété statistique pour déterminer ledit état de surface. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la détermination dudit état de surface, on calcule la variance dudit signal électrique de réponse global (18). 3034868 11 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour la détermination dudit état de surface, on calcule la largeur de la transformée de Fourier discrète dudit signal électrique de 5 réponse global (18). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour la détermination dudit état de surface, on calcule la moyenne de la fonction d'autocorrélation dudit signal électrique de réponse global (18). 10 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diamètre du spot laser (5A) est choisi de l'ordre de 5 fois inférieur à la taille minimale du défaut de l'état de surface que l'on souhaite détecter. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, 15 caractérisé en ce que la détermination dudit état de surface résulte de la comparaison des variations dudit signal électrique de réponse global et des variations de ladite propriété statistique avec des gabarits respectifs (A, B, C, D), déterminés à partir d'une surface de référence. 7. Procédé selon la revendication 6, 20 caractérisé en ce qu'on forme l'image de ladite surface à contrôler, à partir des résultats de la comparaison des variations dudit signal électrique de réponse global et des variations de ladite propriété statistique avec les gabarits respectifs. 8. Dispositif pour contrôler l'état d'une surface, ledit dispositif 25 comportant : - des moyens de balayage (MX, MY) de ladite surface (2) par un spot laser (5A) suivant une série de points de mesure illuminés successivement par ledit spot laser (5A), et - des moyens de traitement du signal lumineux de réponse, renvoyé par ladite surface en réponse à l'illumination par ledit spot laser, déterminant ledit état de surface, 3034868 12 caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement comportent : - un monodétecteur (14) recevant successivement les signaux lumineux de réponse individuels émis par lesdits points de mesure et délivrant une intensité électrique proportionnelle à l'intensité lumineuse qu'il reçoit en 5 formant un signal électrique de réponse global (18), représentatif dudit signal lumineux de réponse (17) renvoyé par ladite surface (2) et constitué par la série des intensités électriques individuelles délivrées par ledit monodétecteur (14) en correspondance avec la série des points de mesure ; - un calculateur (20) calculant au moins une propriété statistique dudit signal 10 électrique de réponse global (18) ; et - des comparateurs (21A, 21B, 21C, 210) comparant les variations dudit signal de réponse global et les variations de ladite propriété statistique à des gabarits respectifs (A, B, C, D), déterminés à partir d'une surface de référence. 15 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel ledit spot laser (5A) résulte de la focalisation d'un faisceau laser (5) par un système optique (6), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de focalisation automatique dudit faisceau laser (5) sur ladite surface à contrôler (2). 10. Dispositif selon la revendication 9, 20 caractérisé : - en ce que ledit système optique (6) est à distance focale variable, et - en ce qu'il comporte : o un dispositif de mesure de distance (7) permettant de déterminer la distance objectif - surface (F) entre l'objectif (6A) du système 25 optique (6) et ladite surface à contrôler (2), et o un dispositif de réglage (11, 12) de la distance focale dudit système optique (6) imposant à ce dernier de prendre une valeur de distance focale égale à ladite distance objectif - surface (F).