CH618263A5 - - Google Patents

Description

La présente invention a trait à un procédé pour la mesure optique de différences de niveau d'une pièce par rapport à une pièce de référence et au moyen pour sa mise en œuvre.

Un des champs d'application de la présente invention est dans le contrôle optique des pièces dans une chaîne de production. Un autre est la mesure optique de différences de niveau d'une pièce isolée par rapport à une pièce maîtresse.

L'invention a comme but de permettre la mesure rapide de différences du niveau dans des pièces, l'échelle des mesures allant de quelques um à quelques mm.

Les systèmes connus pour réaliser cette fonction sont soit mécaniques soit optiques. Les systèmes mécaniques font appel à un palpeur qui entre en contact mécanique avec l'objet de mesure, et détermine de la sorte les cotes en divers points de la pièce. Cette méthode a l'inconvénient majeur d'être lente et de fournir les résultats des mesures qu'en un point à la fois. De plus, la nécessité d'établir des contacts mécaniques présente également l'inconvénient des risques d'endommagements ou d'égratignures de l'objet de mesure et/ou du palpeur.

Les méthodes optiques font appel à des sources de lumière cohérente ou incohérente. Avec des sources de lumière cohérente, on peut établir un hologramme pour le contrôle tridimensionnel d'une pièce. Cette méthode présente le désavantage majeur d'être trop précise, donc très sensible à l'état de surface de la pièce. Le trop grand bruit introduit par l'état de la surface rend difficile la mesure des niveaux. Cette méthode est donc trop élaborée pour le problème que l'invention se propose de résoudre: celui de vérifier s les profondeurs des opérations du perçage, fraisage, polissage, etc., effectuées sur de petites pièces. D'autres méthodes avec des sources cohérentes ont l'inconvénient d'être ponctuelles.

Les méthodes optiques faisant appel à des sources incohérentes, monochromatiques ou non, sont basées sur l'obtention de io figures de Moiré par le passage du rayon incident et réfléchi à travers une grille, ou sur des phénomènes de franges de diffraction. La précision qu'on peut atteindre avec les méthodes basées sur le premier phénomène ne dépasse pas quelques dizaines de millimètres et l'inconvénient majeur des méthodes basées sur le 15 deuxième phénomène est la nécessité d'une source monochromatique. Le brevet américain US N° 3858981 fait usage d'une méthode permettant de combiner les deux phénomènes. Cependant, toutes ces méthodes ont comme but principal la détection d'irrégularités sur des surfaces planes et non la mesure de diffé-20 rences de hauteur sur des pièces travaillées.

L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer une méthode optique simple, peu onéreuse, faisant appel à une source de lumière non cohérente mais préférablement monochromatique permettant le contrôle rapide des cotes en 25 élévation en tout point d'une pièce. Cette méthode s'adapte particulièrement bien au contrôle des pièces dans une chaîne de fabrication. Elle est caractérisée en ce que l'on éclaire la pièce à travers une grille faite de zones parallèles, alternativement transparentes et opaques sous un angle a, en ce que l'on relève l'image 30 de la pièce éclairée au travers de la grille au moyen d'un dispositif photosensible, en ce que l'on compare ladite image avec l'image obtenue à partir de la pièce de référence en mesurant le déplacement latéral des zones portées sur la pièce, et en ce que l'on effectue le calcul de la variation des niveaux à partir desdites 35 différences.

Faisant usage de cette méthode, on peut effectuer la mesure effective des déplacements des zones sur la pièce en relevant son image au moyen d'un dispositif photosensible et en la comparant électroniquement avec l'image obtenue à partir d'une pièce maî-40 tresse.

Une variante possible et beaucoup plus rapide pour effectuer la mesure est réalisée à l'aide d'un masque placé devant le dispositif photosensible au travers duquel on récolte une partie de la lumière réfléchie de la pièce.

45 Les deux variantes ci-dessus se prêtent à ce que l'on fasse varier la largeur des zones de la grille à une certaine fréquence.

L'invention a également pour objet un moyen pour la mise en œuvre du procédé objet de l'invention et notamment des formes d'exécution pour effectuer les mesures selon les deux variantes ci-5o dessus.

Les figures en annexe faciliteront la description de formes d'exécution du procédé objet de l'invention.

La fig. 1 illustre la méthode de base du procédé décrit,

la fig. 2 illustre la méthode de mesure en utilisant une grille 55 variable et un masque.

Le schéma géométrique de la fig. 3 illustre la méthode de la grille variable.

En fig. 1, on reconnaît une pièce (1) quelconque illuminée par un faisceau de rayons parallèles (2) arrivant sous un angle a sur la 6o surface de la pièce. Une grille interposée dans le faisceau projette son ombre sur la pièce. Les zones d'ombre ont un pas P. La projection (2') des rayons lumineux (2) sur la surface de la pièce présente un angle ß par rapport à la normale (n) aux limites des zones d'ombre.

65 Supposons maintenant que l'on abaisse la pièce (1) d'une hauteur (h), ou que la surface de la pièce présente un déclivage de hauteur (h) comme illustré à la fig. 1. L'ensemble des zones d'ombre se décalent d'une distance AS qui est fonction des

angles a et ß. Le décalage est maximum pour un angle ß nul, et pour la simplification de l'exposé qui suit, nous admettrons que ß est toujours nul. Pour que cette condition soit remplie, il suffit que les barreaux de la grille soient parallèles à la surface de la pièce.

La mesure de la hauteur h en fonction du décalage latéral de l'ombre portée sur la pièce est donc simplement :

AS-tg a h=

cosß

Pourß=0

h=AS-tga

Le domaine de mesure de h est limité par la périodicité de l'ombre portée sur la pièce.

0<h<hmax avec hmax=P/2tgoe

Ce domaine peut être étendu à

0<h<n-hmax (n=l,2,...)

en utilisant la technique des longueurs d'ondes multiples, bien connue en théorie de mesure.

Une autre manière d'étendre le domaine de mesure est en éclairant la pièce simultanément ou successivement sous différents angles a.

Une première manière de réaliser la méthode de mesure, utilisable surtout pour le contrôle de pièces dans une chaîne de production, est de relever l'image de l'objet de mesure à l'aide d'un dispositif photosensible et de la comparer à celle obtenue avec une pièce maîtresse. Le calcul de la variation de l'élévation de la surface (ou des différentes parties de la surface) peut alors s'effectuer électroniquement.

Une deuxième manière beaucoup plus rapide est celle faisant appel à une grille variable et à un masque. Le montage des différents éléments pour sa réalisation est illustré en fig. 2 et le principe de fonctionnement en fig. 3.

En fig. 2 on reconnaît en (1) la pièce de mesure, en (2) le faisceau lumineux parallèle arrivant sous un angle a sur la pièce (1), en (3) la grille à zones parallèles, alternativement transparentes et opaques de largeur variable et parallèles au plan de la surface supérieure de la pièce; en (4) le masque; en (5) un détecteur photosensible et schématiquement en (6) le dispositif électronique de calcul automatique de la variation en élévation (h).

La grille (3) à largeur de zones variable peut être réalisée à l'aide de la superposition de deux grilles dont l'une est entraînée par le mouvement d'un cristal piézo-électrique par exemple. Èn général, on les choisira identiques, et de sorte que Wo = la largeur de la zone opaque soit égale à Wi = la largeur de la zone transparente à la lumière.

618 263

Comme le montre le schéma de la fig. 3, le masque est l'image en négatif de la surface supérieure de l'échantillon de base éclairée au travers de la grille ouverte (Wo = Wi). Le masque peut être obtenu à partir d'une plaque photographique ou d'un dessin par exemple.

Lorsqu'on éclaire la pièce (1) au travers de la grille et que ladite pièce correspond parfaitement à celle de l'échantillon de base utilisé pour fabriquer le masque, le détecteur ne pourra capter aucune lumière.

Si par contre ladite pièce présente à un endroit une différence de niveau avec l'échantillon de base, le déplacement latéral AS de l'ombre portée à la surface de la pièce fera qu'une faible partie de la lumière parviendra au détecteur. Afin de rendre le masque à nouveau complètement opaque, la frange Wo doit être élargie d'une certaine quantité Aw qui donnera la mesure de h.

En effet, au cas où la grille (3) est perpendiculaire au faisceau parallèle (2), on a

Wo=P/2sina d'où AW=ASsina or h=AStga donc h=AW

cosa

La méthode de contrôle optique lu décrite peut être utilisée pour vérifier la conformité de la surface supérieure d'une pièce de forme quelconque avec celle d'une pièce maîtresse.

Pour obtenir une mesure de (h), la pièce doit présenter des surfaces supérieures planes. Au cas où l'opération de contrôle s'effectue sur des pièces présentant une seule surface supérieure plane, la mesure de (h) peut se faire sans prendre de précautions spéciales quant à l'orientation de la pièce.

La méthode de contrôle optique décrite permet de mesurer simultanément l'élévation de plusieurs portions de surfaces planes sur la face supérieure d'une pièce, telles que profondeurs de trous, niveaux de dégagements, etc. Le détecteur sera placé dans le plan image du masque (4) et sa surface sensible sera compartimentée en autant d'éléments nécessaires pour arriver à la résolution voulue. La précision de la mesure sera fortement tributaire de la précision de positionnement de la pièce (1) en orientation autant qu'en élévation, par rapport aux positions et orientations de la grille et du masque. L'angle d'incidence a de la lumière et le pas P de la grille influencent également la précision de la mesure de h et ces deux paramètres seront choisis expérimentalement selon l'objet de mesure.

La méthode de mesure ici décrite est suffisamment performante pour être utilisée dans le contrôle optique de production de pièces en microtechnique, où les cycles peuvent être de l'ordre de 2 secondes et les précisions de mesure dans la dizaine de microns par exemple.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

R

2 feuilles dessins

Claims (9)

618 263

1. Procédé pour la mesure optique de différences de niveau d'une pièce par rapport à une pièce de référence, caractérisé en ce que l'on éclaire la pièce à travers une grille faite de zones parallèles, alternativement transparentes et opaques, sous un angle a, en ce que l'on relève l'image de la pièce éclairée au travers de la grille au moyen d'un dispositif photosensible, en ce que l'on compare ladite image avec l'image obtenue à partir de la pièce de référence en mesurant les différences de déplacement latéral des zones portées sur la pièce et en ce que l'on effectue le calcul de la variation des niveaux à partir desdites différences.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue la comparaison des images et le calcul de la variation des niveaux par des moyens électroniques.

2

REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on place un masque correspondant à l'image négative réalisée avec la pièce de référence devant le dispositif photosensible, masque dont les zones claires sont transparentes et les zones sombres opaques à la lumière, de sorte que le détecteur ne capte aucune lumière lorsque la pièce sous contrôle est identique à la pièce de référence.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on fait varier la largeur des zones de la grille.

5. Moyen pour la mise en œuvre du procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une source lumineuse, une grille faite de zones parallèles, alternativement transparentes et opaques et un dispositif photosensible.

6. Moyen selon la revendication 5 pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en plus un dispositif de calcul électronique.

7. Moyen selon la revendication 5 pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en plus un masque correspondant à l'image négative réalisé avec la pièce de référence.

8. Moyen selon la revendication 5 pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la grille comprend des zones dont la largeur est variable.

9. Moyen selon la revendication 5 pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface sensible du détecteur est compartimentée.