CH620291A5 - Method for optical calibration and means for implementing the method - Google Patents
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Description
La présente invention a trait à un procédé de calibrage optique et à un moyen pour la mise en œuvre du procédé. The present invention relates to an optical calibration method and to a means for implementing the method.
L'utilisation la plus évidente de la présente invention est dans le contrôle dimensionnel à 100% de pièce dans une chaîne de fabrication. Elle s'applique le mieux mais non exclusivement au contrôle de pièce métalliques de petites dimensions, dont les tolérances sont de l'ordre du micron et les cotes de quelques millimètres à centimètres. L'invention se prête aussi bien à la mesure de cotes absolues qu'à la comparaison d'une cote par rapport à une référence. The most obvious use of the present invention is in dimensional control at 100% of a part in a production line. It applies best but not exclusively to the inspection of small metal parts, the tolerances of which are on the order of a micron and the dimensions of a few millimeters to centimeters. The invention lends itself as well to the measurement of absolute dimensions as to the comparison of a dimension with respect to a reference.
Une méthode de contrôle optique connue fait appel à l'apparition de figures de Moiré par la superposition de franges lumineuses projetées sur l'objet de mesure et des franges d'un masque obtenues à partir d'une pièce de référence. Une autre méthode de contrôle optique connue est décrite dans le brevet CH N° 585 874. Ici la différence par rapport à une cote de référence est obtenue en déterminant la quantité de lumière traversant un masque et en provenance de l'objet de mesure, l'objet étant éclairé à travers une grille. A known optical control method calls for the appearance of Moiré figures by the superimposition of light fringes projected onto the measurement object and fringes of a mask obtained from a reference piece. Another known optical control method is described in patent CH No. 585 874. Here the difference with respect to a reference dimension is obtained by determining the quantity of light passing through a mask and coming from the measurement object, l object being lit through a grid.
Ces méthodes souffent des inconvénients qu'elles nécessitent la projection de franges fines de contraste très élevé et que le masque doit être très précis. These methods suffer from the disadvantages that they require the projection of fine fringes of very high contrast and that the mask must be very precise.
Le contrôle s'effectue sur un élément de surface, soit même sur la surface entière de l'objet de mesure. De ce fait, le rapport signal sur bruit est faible lorsque l'erreur à détecter est petite relativement à l'élément de surface balayé. Les franges de Moiré sont généralement difficiles à interpréter quantitativement, et la détection de lumière ayant traversé un masque ne fournit qu'une valeur «moyenne» des défauts présents. De plus, les deux méthodes sont sensibles à l'état de surface de la pièce de mesure. The control is carried out on a surface element, or even on the entire surface of the measurement object. Therefore, the signal to noise ratio is low when the error to be detected is small relative to the surface element scanned. Moiré fringes are generally difficult to interpret quantitatively, and the detection of light having passed through a mask provides only an “average” value of the defects present. In addition, both methods are sensitive to the surface condition of the measurement part.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et de proposer un procédé de contrôle optique qui, comme pour le procédé traditionnel utilisant des palpeurs mécaniques, effectue des mesures en des points choisis de la surface. Il est caractérisé en ce que l'on projette sur un objet à mesurer un ensemble de franges régulières en translation linéaire uniforme; en ce que l'on observe au moyen d'une optique, dans une direction différente et non perpendiculaire à la direction de projection, l'image de l'objet éclairé; en ce que l'on détecte en au moins deux points d'un plan image, dont un est l'image d'un point de référence, le signal lumineux réfléchi ou diffusé de l'image des franges projetées; et en ce que l'on détermine le déphasage entre le signal au point image de référence et le signal en tout autre point image de mesure. The object of the present invention is to remedy these drawbacks and to propose an optical control method which, as with the traditional method using mechanical probes, performs measurements at selected points on the surface. It is characterized in that a set of regular fringes in uniform linear translation is projected onto an object to be measured; in that one observes by means of an optic, in a different direction and not perpendicular to the direction of projection, the image of the illuminated object; in that at least two points of an image plane, one of which is the image of a reference point, are detected, the light signal reflected or diffused from the image of the projected fringes; and in that the phase shift between the signal at the reference image point and the signal at any other measurement image point is determined.
Le méthode de mesure en accord avec l'invention n'est que peu sensible à l'état de surface de l'objet contrôlé, ceci pour autant que les défauts de surface sont petits par rapport au pas des franges projetées. La mesure de cotes ne se fait qu'aux point choisis de l'objet contrôlé, ce qui permet d'obtenir un rapport signal sur bruit beaucoup plus significatif. D'autres avantages inhérents au procédé de calibrage selon l'invention ont trait au fait que l'on effectue une mesure de déphasage. Ainsi, les exigences sur la précision d'un masque et sur la netteté des franges projetées ne sont pas si élevées, tout en maintenant une très grande précision de mesure. En effet, les mesures de phase se font aisément avec une erreur relative e voisine de 10~3. D'autres avantages de la méthode seront explicités au cours de la description qui suit. The measurement method in accordance with the invention is only slightly sensitive to the surface condition of the object checked, provided that the surface defects are small compared to the pitch of the projected fringes. The measurement of dimensions is only made at the chosen points of the controlled object, which makes it possible to obtain a much more significant signal-to-noise ratio. Other advantages inherent in the calibration method according to the invention relate to the fact that a phase shift measurement is carried out. Thus, the requirements on the precision of a mask and on the sharpness of the projected fringes are not so high, while maintaining a very high measurement accuracy. Indeed, the phase measurements are easily made with a relative error close to 10 ~ 3. Other advantages of the method will be explained in the course of the description which follows.
Les figures en annexe illustrent à titre d'exemple le procédé de calibrage selon l'invention et les moyens nécessaires à sa mise en œuvre. The appended figures illustrate by way of example the calibration method according to the invention and the means necessary for its implementation.
Figure 1 est une vue schématique d'une première variante de mesure en accord avec le procédé. Figure 1 is a schematic view of a first measurement variant in accordance with the method.
Figure 2 illustre une deuxième variante de mise en œuvre du procédé. Figure 2 illustrates a second variant implementation of the method.
En figure 1, les franges lumineuses projetées sur un objet sont dénotées par (F). Les franges (F) ont un pas régulier (po) et se déplacent linéairement selon une vitesse constante (vx). Les franges (F) sont projetées sur un objet à trois dimensions (3D) caractérisé par deux courbes du système d'axes cartésien (Oxyz). Le point (B) est un point de la surface de l'objet (3D). In Figure 1, the light fringes projected on an object are denoted by (F). The fringes (F) have a regular pitch (in) and move linearly at a constant speed (vx). The fringes (F) are projected onto a three-dimensional object (3D) characterized by two curves of the Cartesian axis system (Oxyz). Point (B) is a point on the surface of the object (3D).
Une optique schématisée par une lentille (L) recueille une s An optic shown schematically by a lens (L) collects a
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partie des rayons lumineux diffusés ou réfléchis par l'objet (3D) et en fait l'image sur le plan (M). L'image du point (B) est donc (B7)- L'image d'un point (Bo), choisi comme point de référence, est (Bo'). A titre de simplification, on admettra que le rapport de grossissement de l'optique est unitaire. part of the light rays scattered or reflected by the object (3D) and makes the image of it on the plane (M). The image of point (B) is therefore (B7) - The image of a point (Bo), chosen as the reference point, is (Bo '). By way of simplification, it will be assumed that the magnification ratio of the optics is unitary.
Au moins deux détecteurs ponctuels sont disposés sur le plan (M), ou comme le montre la figure 1, des fibres optiques (Co) et (Ci) relient des points sur le plan image (M) aux détecteurs (Do) et (Di). Un détecteur de phase (<î>) mesure la phase du signal entre le point (Bo) et un autre point choisi (B'). At least two point detectors are arranged on the plane (M), or as shown in FIG. 1, optical fibers (Co) and (Ci) connect points on the image plane (M) to the detectors (Do) and (Di ). A phase detector (<î>) measures the phase of the signal between the point (Bo) and another chosen point (B ').
Le procédé de calibrage en accord avec l'invention se déroule de la manière suivante On détermine le déphasage apo entre les signaux aux points (Bo') et (B') pour une pièce maîtresse. Le déphasage entre (Bo') et (B') est le même ipo pour toute autre pièce identique à la pièce maîtresse, mais il présente une autre valeur (i|j) pour toute pièce dont l'élévation selon Oz en (B) par rapport à (Bo) est différente que pour la pièce maîtresse. La valeur du déphasage (ip-ipo) est proportionnelle à la déviation Az par rapport à la pièce maîtresse. The calibration process in accordance with the invention takes place as follows. The phase difference apo between the signals at points (Bo ') and (B') is determined for a masterpiece. The phase shift between (Bo ') and (B') is the same ipo for any other room identical to the master piece, but it presents another value (i | j) for any room whose elevation according to Oz in (B) compared to (Bo) is different than for the centerpiece. The value of the phase shift (ip-ipo) is proportional to the deviation Az relative to the centerpiece.
Le fonctionnement selon la figure 1 en est le suivant. Les franges (F) parallèles au plan (Oyz) sont projetées avec un pas (po) dans une direction parallèle au plan (Oxz) selon un angle (a) avec (Oz) sur un objet (3D). La tangente à la surface de l'objet (3D) selon un plan parallèle à (Oxz) forme un angle ô avec une normale à (Oyz). Ainsi l'image des franges (F) aura un pas (p) au point image (B'), le pas (p) étant donné par la relation: The operation according to Figure 1 is as follows. The fringes (F) parallel to the plane (Oyz) are projected with a step (po) in a direction parallel to the plane (Oxz) at an angle (a) with (Oz) on an object (3D). The tangent to the surface of the object (3D) along a plane parallel to (Oxz) forms an angle ô with a normal to (Oyz). Thus the image of the fringes (F) will have a step (p) at the image point (B '), the step (p) being given by the relation:
p = p0 cos ô/cos (a-ô) (1) p = p0 cos ô / cos (a-ô) (1)
et ceci dans l'hypothèse du grossissement unitaire. Une variation Àz de la pièce en (B) par rapport à la pièce maîtresse provoque alors un déplacement Ax de la frange en M donnée par: and this on the assumption of unit magnification. A variation zz of the part in (B) with respect to the masterpiece then causes a displacement Ax of the fringe in M given by:
A X = Azsina-p/po (2) A X = Azsina-w / in (2)
Un détecteur placé au point image (B') voit diler les franges en translation uniforme de vitesse vx et fournit un signal de la forme: A detector placed at the image point (B ') sees the fringes in uniform translation of speed vx and gives a signal of the form:
S (B') = A (B') cos {tot + (ijj-apo)} (3) S (B ') = A (B') cos {tot + (ijj-apo)} (3)
où la pulsation co = 2it vX /p0, where the pulse co = 2it vX / p0,
le déphasage (i|> —ijto) = 2ji A X /p et A (B') = amplitude du signal en (B'). the phase shift (i |> —ijto) = 2ji A X / p and A (B ') = amplitude of the signal in (B').
Le déphasage ipo de la pièce maîtresse peut être arbitrairement choisi de valeur O par un simple réglage du détecteur de phase. The phase shift ipo of the masterpiece can be arbitrarily chosen from value O by a simple adjustment of the phase detector.
Le déphasage oj) est proportionnel au déplacement Ax des franges sur le plan image, Ax étant lui-même proportionnel à la variation de cote Az de la pièce de mesure. Le déphasage ■»p est alors bien proportionnel à la déviation Az. The phase shift oj) is proportional to the displacement Ax of the fringes on the image plane, Ax being itself proportional to the variation in dimension Az of the measurement part. The phase shift ■ »p is then well proportional to the deviation Az.
D'après la relation (2) ci-dessus, on voit que l'angle de projection a doit être différent de O ou de jt sans quoi Ax est toujours nul. De plus, a est de préférence également différent de jr/2 sans quoi le contrôle de pièces planes est impossible (dans la relation (1), p est indéterminé pour a = jt/2 et à = O). From relation (2) above, we see that the projection angle a must be different from O or jt, otherwise Ax is always zero. In addition, a is preferably also different from jr / 2 without which the control of plane parts is impossible (in relation (1), p is indeterminate for a = jt / 2 and to = O).
En choisissant le point de référence (Bo) sur le support de la pièce, le procédé de calibrage en accord avec l'invention permet d'effectuer des mesures absolues. Au contraire, si le point de référence (Bo) est sur la pièce de mesure (3D) elle-même, le procédé de calibrage permet de détecter des erreurs d'élévation relative entre deux points (B) et (Bo) de la pièce (3D). By choosing the reference point (Bo) on the workpiece support, the calibration process in accordance with the invention allows absolute measurements to be made. On the contrary, if the reference point (Bo) is on the measurement piece (3D) itself, the calibration process makes it possible to detect relative elevation errors between two points (B) and (Bo) of the piece (3D).
Le procédé de calibrage optique, tel que décrit dans son principe jusqu'ici, est très sensible à l'emplacement des détecteurs ponctuels Do, Di... placés sur le plan image (M). Il suffit d'un très petit déplacement dans une direction perpendiculaire aux franges, de l'ordre de 1/1000 du pas de franges, pour introduire une erreur de mesure. Cette exigence sévère de précision de positionnement des détecteurs est incompatible avec un environnement industriel. Un moyen pour rendre le procédé dans une large mesure insensible à la précision de positionnement des détecteurs est décrit ci-après. On prévoit un masque confondu avec le plan image, le masque étant lui-même l'image des franges projetées sur la pièce maîtresse. Le masque peut être soit dessiné soit photographié et présentera des zones transparentes alternant avec des zones opaques, les zones étant préférablement franchement définies. Les détecteurs, placés derrière les zones transparentes, non plus ponctuels, mais au moins aussi larges que les zones transparentes, fourniront un signal électrique correspondant à la moyenne du signal lumineux sur toute la largeur de la zone transparente. Ainsi les détecteurs peuvent être positionnés avec une certaine tolérance, limitée en ce que le détecteur récolte le signal lumineux sur toute la largeur de la zone transparente. The optical calibration process, as described in principle so far, is very sensitive to the location of point detectors Do, Di ... placed on the image plane (M). A very small displacement in a direction perpendicular to the fringes, of the order of 1/1000 of the fringe pitch, is sufficient to introduce a measurement error. This severe requirement for detector positioning accuracy is incompatible with an industrial environment. A means of making the process largely insensitive to the positioning accuracy of the detectors is described below. A mask is provided that merges with the image plane, the mask itself being the image of the fringes projected onto the centerpiece. The mask can be either drawn or photographed and will present transparent zones alternating with opaque zones, the zones preferably being clearly defined. The detectors, placed behind the transparent zones, no longer punctual, but at least as wide as the transparent zones, will provide an electrical signal corresponding to the average of the light signal over the entire width of the transparent zone. Thus the detectors can be positioned with a certain tolerance, limited in that the detector collects the light signal over the entire width of the transparent area.
Un autre avantage du masque est le fait d'enregistrer de manière permanente les déphasages (tyo) de la pièce maîtresse. Ceci permet d'éviter la mesure du déphasage de réferénce i|>o de tout autre point (B) dont on veut contrôler la cote sur les pièces de série. Le positionnement des détecteurs est ainsi grandement facilité. Another advantage of the mask is the fact of permanently recording the phase shifts (tyo) of the centerpiece. This avoids the measurement of the reference phase shift i |> o of any other point (B) whose dimension is to be checked on the series parts. The positioning of the detectors is thus greatly facilitated.
Il y a plusieurs moyens de produire des franges défilant à une vitesse vx constante. Une première méthode consiste à faire défiler une grille devant une source de lumière quelconque. Une deuxième consiste à obtenir des franges d'interférence à partir de deux sources de lumière cohérente. Le défilement des franges peut se faire par un décalage A co de leurs pulsations respectives. Différentes méthodes sont décrites dans la revue Applied Optics, volume 2, page 839 (1963), volume 8, page 538 (1969), volume 9, page 649 (1970) ou dans IEEE Journal of Quantium Electronics QE - 7, page 450 (1971) par exemple. Les franges d'interférence ont l'avantage de pouvoir être projetées sur une plus grande profondeur de champ que les franges obtenues avec de la lumière incohérente. Le procédé de calibrage optique selon l'invention se prête facilement à une automatisation industrielle et permet de contrôler avec apidité, sans créer de retard dans la chaîne de production, le 100% des pièces fabriquées. Le contrôle peut s'effectuer sur un ou plusieurs points critiques d'une pièce par rapport au point de référence. Les exigences de précision de positionnement latéral de la pièce pour le contrôle dépendent de la finesse des détails usinés sur la pièce. Il suffit que les détecteurs repèrent toujours un même élément de surface de la pièce. La précision du positionnement en profondeur n'est pas critique pour les mesures relatives. There are several ways to produce fringes scrolling at a constant vx speed. A first method consists in scrolling a grid in front of any light source. A second is to obtain interference fringes from two sources of coherent light. The scrolling of the fringes can be done by an offset A co of their respective pulsations. Different methods are described in the journal Applied Optics, volume 2, page 839 (1963), volume 8, page 538 (1969), volume 9, page 649 (1970) or in IEEE Journal of Quantium Electronics QE - 7, page 450 ( 1971) for example. Interference fringes have the advantage of being able to be projected over a greater depth of field than the fringes obtained with incoherent light. The optical calibration process according to the invention easily lends itself to industrial automation and makes it possible to control with apidity, without creating any delay in the production chain, the 100% of the parts produced. The control can be carried out on one or more critical points of a part with respect to the reference point. The requirements for precision lateral positioning of the part for inspection depend on the fineness of the details machined on the part. It is sufficient that the detectors always identify the same element of the surface of the room. The accuracy of depth positioning is not critical for relative measurements.
Le procédé de calibrage optique de l'invention ne permet pas seulement d'effectuer des contrôles d'élévation de pièces dans une chaîne de production mais également d'établir le profil d'une pièce quelconque réduites. Ce cas est illustré à la figure 2. L'objet dont on veut déterminer le profil est situé sur une surface de référence plane, les deux objets étant balayés par le même ensemble de franges parallèles. Deux détecteurs dans le plan image, parallèles aux franges, suivent le balayage des franges de la surface plane. Le déphasage entre les deux détecteurs fournit une mesure du profil. Au lieu de prévoir deux détecteurs mobiles, on peut envisager une succession de détecteurs fixes. The optical calibration process of the invention not only makes it possible to carry out part elevation checks in a production chain but also to establish the profile of any reduced part. This case is illustrated in Figure 2. The object whose profile is to be determined is located on a plane reference surface, the two objects being scanned by the same set of parallel fringes. Two detectors in the image plane, parallel to the fringes, follow the scanning of the fringes of the planar surface. The phase shift between the two detectors provides a measurement of the profile. Instead of providing two mobile detectors, it is possible to envisage a succession of fixed detectors.
Le procédé de calibrage optique en accord avec l'invention est suffisamment précis pour l'application industrielle en micro-mécanique. En effet, la résolution en profondeur est donnée par: Rz = e • po/sin a. The optical calibration process in accordance with the invention is sufficiently precise for industrial application in micro-mechanics. Indeed, the depth resolution is given by: Rz = e • po / sin a.
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Avec un détecteur de phase précis à e = 10~3, avec po = 10 lignes /mm et avec l'éclairage sous un angle a de 15°, on obtient une résolution axiale de 0,4 microns. La résolution latérale, ou la distance minimale entre deux points de mesure est donnée par la distance entre franges qui est de 100 microns dans cet exemple. With a precise phase detector at e = 10 ~ 3, with po = 10 lines / mm and with lighting at an angle a of 15 °, an axial resolution of 0.4 microns is obtained. The lateral resolution, or the minimum distance between two measurement points is given by the distance between fringes which is 100 microns in this example.
La méthode de calibrage optique selon l'invention trouve sa limite d'application dans la profondeur de champ de mesure. L'écart maximum du déphasage admis en un point est compris entre — jt et +tz. The optical calibration method according to the invention finds its limit of application in the depth of field of measurement. The maximum difference in phase shift allowed at a point is between - jt and + tz.
L'erreur d'élévation maximale, ou la variation d'élévation maximale admissible est donc de The maximum elevation error, or the maximum allowable elevation variation is therefore
Az max = p0 / sin a Az max = p0 / sin a
Dans l'exemple ci-dessus, Az max s 0,39 mm, ce qui est bien suffisant pour la plupart des applications micro-mécaniques. Dans l'application de la figure 2, la profondeur du champ de mesure est étendue avec une distance entre franges plus grande. In the example above, Az max s 0.39 mm, which is quite sufficient for most micro-mechanical applications. In the application of Figure 2, the depth of the measurement field is extended with a greater distance between fringes.
10 10
B B
1 feuille dessins 1 sheet of drawings
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