CH671828A5

CH671828A5 -

Info

Publication number: CH671828A5
Application number: CH2427/87A
Authority: CH
Inventors: Karl Jauch
Original assignee: Battelle Memorial Institute
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1989-09-29
Also published as: US5165063A; EP0321529B1; DE3869579D1; WO1988010406A1; EP0321529A1

Description

DESCRIPTION

La présente invention se rapporte à un procédé pour former l'image du profil d'une surface rugueuse réfléchissante en fonction de la distance séparant chaque point de ce profil d'une source de lumière polychromatique, ainsi qu'à un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.

On a déjà proposé, dans le US-A-4,585,349, de mesurer optiquement la distance d'une portion de surface réfléchissante située sur l'axe optique du dispositif de mesure. Cette mesure est fondée sur la focalisation d'une lumière polychromatique en fonction des différentes longueurs d'onde dont les distances respectives de focalisation sont caractéristiques des longueurs d'onde. En captant la lumière réfléchie par la portion de la surface réfléchissante située sur l'axe optique, on mesure un maximum d'intensité pour la longueur d'onde caractéristique de la distance de cette portion de surface réfléchissante. Pour effectuer cette mesure, on dirige la lumière réfléchie sur un réseau de diffraction qui la disperse en fonction de ses différentes longueurs d'onde et on analyse à l'aide d'une série de capteurs optiques quelle est la longueur d'onde dont l'intensité de lumière reçue est maximale. Etant donné que la surface réfléchissante a réfléchi préférentiellement la longueur d'onde focalisée à sa surface, la distance focale de cette longueur d'onde correspond à la distance entre la lentille holographique qui a servi à focaliser la lumière polychromatique et la surface réfléchissante.

Malheureusement, cette solution permet de mesurer une distance, mais non de former une image du profil de la surface, ce qui limite évidemment considérablement son domaine d'application.

On connaît un procédé classique de mesure optique de profondeur fondé sur l'effet de parallaxe ou de triangulation, dans lequel un faisceau de lumière est projeté sur un objet. Un détecteur observe ce point ou cette ligne illuminés sous un angle différent. L'effet de parallaxe permet le calcul de la distance de la surface ou de son profil. L'inconvénient de ce procédé est de nécessiter d'avoir soit l'angle d'éclairage, soit l'angle d'observation ou les deux obliques, de sorte qu'il limite la profondeur des trous ou des rainures qui peuvent être observés. Il en est de même des surfaces présentant un poli miroir.

Le but de la présente invention est d'utiliser le procédé fondé sur le principe de l'aberration chromatique de la lumière tel qu'il est produit notamment de façon prononcée par les lentilles holographiques pour former une image du profil d'une surface réfléchissante.

A cet effet, cette invention a tout d'abord pour objet un procédé pour former l'image du profil d'une surface réfléchissante selon la revendication 1. Cette invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé selon la revendication 2.

La solution objet de l'invention permet non seulement de former une image du profil de la surface éclairée par le faisceau lumineux, mais elle conduit en outre à une simplification du dispositif par rapport au dispositif proposé précédemment pour mesurer simplement la distance d'un point d'une surface réfléchissante.

Le dessin annexé illustre, très schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un dispositif pour la mise en œuvre.

La fig. 1 est une vue en plan d'un dispositif utilisé pour expliquer le principe sur lequel est fondée l'invention.

La fig. 2 est une vue en perspective du dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

La fig. 3 est un diagramme de la déviation du faisceau réfléchi en fonction de la distance de la surface réfléchissante, pour différentes longueurs d'onde.

La théorie relative au phénomène d'aberration chromatique des lentilles donne pour les lentilles minces:

f=r/(n-l) (1),

où f est la distance focale,

r est le rayon de la lentille,

n est l'indice de réfraction.

On constate que, pour une lentille en verre Schott type BK7, de r= 50 mm, et des longueurs d'onde de 500 à 700 nm, la profondeur entre les distances focales est de 1,56 mm; cette profondeur peut être portée à 2,48 mm avec un verre Schott type SF 57. Cette profondeur de dispersion des rayons lumineux en fonction de la longueur d'onde peut être fortement accrue avec une plaque de zones telle qu'une lentille chromatique. Avec une telle lentille de 40 mm de diamètre et un total de lignes m = 8000 (avec une fréquence spatiale maximale de lignes de l'ordre de 800/mm à la périphérie), nous avons, en utilisant la formule d'Eugène Hecht et Alfred Zajac (Optics, Addison-Wesley, 1979, p. 376)

f = R2/(m ■ X) (2)

une profondeur de 28,6 mm entre les distances focales pour les longueurs d'onde de 500 à 700 nm. Il faudrait utiliser environ 7 lentilles piano-convexes fortement dispersives en série pour obtenir le même effet.

Si l'on se reporte maintenant à la fig. 1, on y a représenté une source lumineuse polychromatique 1 à large spectre, telle qu'une lampe halogène, une lentille 2 pour focaliser la lumière de cette source à travers une-ouverture 3 quasi ponctuelle. Cette lumière est dirigée vers une lentille chromatique 4 destinée à disperser et à foca2

5

10

15

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40

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55

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3

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liser la lumière le long d'une ligne L en fonction de ses différentes longueurs d'onde. Une surface réfléchissante S est disposée à une distance p' de la lentille 4. La lumière renvoyée par la surface rugueuse S serait normalement focalisée sur l'ouverture 3, ce qui ne présente évidemment aucun intérêt. En disposant un réseau de diffraction 5 adjacent à la lentille chromatique 4, on provoque la formation de l'image d'un point dans le plan de focalisation de la lentille 4, mais déviée latéralement par rapport à l'ouverture 3, cette déviation latérale étant directement proportionnelle à la distance de focalisation p'. Il faut encore préciser que, en fait, le réseau de diffraction forme deux faisceaux déviés symétriques par rapport à l'objet qui est constitué par l'ouverture 3. Dans l'exemple illustré, un seul de ces faisceaux est utilisé et on n'en a représenté qu'un également par souci de clarté.

Le réseau de diffraction 5 agit évidemment aussi sur le faisceau primaire qui va de la source lumineuse 1 à la surface réfléchissante S, sans porter préjudice à la mesure de la distance d'un point de cette surface S, puisqu'une partie de la lumière est déviée de ce point. La seule conséquence est une perte partielle de lumière, qui peut d'ailleurs être réduite en éliminant environ 50% de la surface du réseau de diffraction, comme illustré par la fig. 2.

Avant d'examiner plus en détail la lentille chromatique 4, nous allons calculer l'angle de déviation de la lumière traversant le réseau de diffraction 5 en fonction de la longueur d'onde. On suppose que ce réseau de diffraction présente une fréquence spatiale a de 300 lignes/mm. Selon l'équation relative aux réseaux de diffraction, le sinus de l'angle incident 0j plus le sinus de l'angle 0e donne:

sin 0j + sin 0e = a • X (3)

On verra dans l'exemple qui va suivre le déplacement linéaire résultant d'un tel réseau de diffraction.

Nous allons maintenant calculer, en nous référant aux données optiques qui précèdent, en particulier les équations (2) et (3), l'étendue de mesure et la résolution susceptibles d'être obtenues par un dispositif de mesure selon la présente invention. On suppose que la lentille chromatique 4 est disposée à 160 mm de l'ouverture 3. On dispose un détecteur d'image diffracté 6 dans le plan focal du faisceau diffracté. En utilisant la formule de conjugaison des lentilles

I _ I_ 1

f p p'

on peut établir le tableau ci-après:

Tableau

X

Longueur

Distance

Déviation à une

focale

Surface S

distance de 160 mm

500 nm

100,00 mm

266,7 mm

24,3 mm

550 nm

90,91 mm

210,5 mm

26,8 mm

600 nm

83,33 mm

173,9 mm

29,3 mm

650 nm

76,92 mm

148,1 mm

31,8 mm

700 nm

71,43 mm

129,0 mm

34,4 mm

750 nm

66,66 mm

114,3 mm

37,0 mm

800 nm

62,50 mm

102,6 mm

39,5 mm

850 nm

58,82 mm

93,0 mm

42,2 mm

900 nm

55,55 mm

85,1 mm

44,9 mm

Le diagramme de la fig. 3 représente graphiquement les valeurs de la déviation du faisceau réfléchi émergeant sur le plan de focalisation de l'image sur le détecteur 6.

On constate que la relation entre la distance de la surface réfléchissante S et la déviation du faisceau réfléchi émergeant du réseau de diffraction 5 adjacent à la lentille chromatique 4 n'est pas linéaire.

Un simple traitement des données enregistrées par le détecteur 6 peut corriger ce phénomène.

Quant à la résolution de l'image formée sur le détecteur, on constate qu'en utilisant la gamme de longueurs d'onde comprise entre 5 700 et 900 nm, on a une plage de mesure de l'ordre de 45 mm, qui peut être divisée en 500 images élémentaires (pixels). Cela implique une résolution de 0,09 mm par image élémentaire. En supposant une résolution de 1/10 pour le sous-pixel, on peut atteindre une précision de mesure de 9 nm par ce procédé.

io La fig, 2 illustre l'installation qui a été utilisée pour effectuer les essais de mise en œuvre du procédé qui vient d'être décrit. On voit que cette installation ne diffère essentiellement de celle de la figure 1 que par le fait que la lumière issue de la source de lumière 1 est formée en un faisceau lumineux plan par un faisceau de fibres opti-15 ques 7 disposées selon une ligne verticale. Le réseau de diffraction 5' ne couvre que la moitié de la lentille chromatique 4. Un miroir 8 est disposé sur la trajectoire du faisceau lumineux réfléchi diffracté pour le renvoyer sur le détecteur 6, qui est alors disposé sensiblement perpendiculaire à l'axe du faisceau lumineux primaire. Il s'agit là d'une 20 simple question de convenance pour la disposition des instruments d'essai.

Pour ces essais, on a utilisé une lentille chromatique en plastique transparent moulé présentant une longueur focale de 100 mm pour X = 500 nm et un diamètre de 40 mm, montée sur un support carré 25 de 50 mm de côté contre une plaque de verre pour préserver sa pla-néité. Le réseau de diffraction dont seule une moitié 5' est utilisée pour augmenter le rendement du signal a été réalisé de la même manière que la lentille chromatique 4, avec 300 lignes/mm, la source de lumière 1 étant une lampe halogène comme indiqué précédem-30 ment.

Le détecteur 6 est constitué par une caméra CCD noir et blanc ordinaire dont l'objectif a été enlevé pour exposer directement le réseau plat CCD au faisceau de lumière réfléchie diffractée.

Au cours des essais réalisés avec cette installation, on a formé 35 l'image du profil de la surface réfléchissante S éclairée par le faisceau primaire dispersé et focalisé par la lentille chromatique 4 sur un moniteur TV, tandis que l'on a affiché sur un oscilloscope une ligne sélectionnée de l'écran TV.

En déplaçant la surface mesurée d'avant en arrière le long d'un 40 rail de guidage, on a pu observer le mouvement du profil projeté sur l'écran TV ainsi que le déplacement du pic du signal le long de la ligne sélectionnée affichée sur l'oscilloscope. On a effectué la mesure du déplacement horizontal du pic du signal (en temps) en fonction de la position de la surface mesurée et l'on a constaté une concor-45 dance à peu près parfaite avec la courbe du diagramme de la 'figure 3. La comparaison de ces résultats montre que la plage optimale de longueurs d'onde se situe dans cet exemple entre 600 et 800 nm.

La largeur de la fente de formation du faisceau lumineux pri-50 maire doit être d'au moins 0,1 mm afin d'obtenir un signal exempt de bruit. L'image de cette fente, même dans des conditions optimales, occupera 1% d'une surface de détection de 10 mm de largeur, impliquant un signal d'au moins cette largeur. Dans la mesure équivalente de profondeur, 1 % de 60 mm donnera 0,6 mm. La valeur du 55 pic de ce signal peut être déterminée par quelques pixels et traitée ensuite pour obtenir une meilleure résolution en utilisant au besoin des techniques de résolution de sous-pixels.

Le procédé et le dispositif de mise en œuvre décrits et analysés ci-dessus peuvent permettre d'effectuer des mesures à une distance 60 moyenne de 150 mm sur une plage allant de 100 à 200 mm avec une précision de 9 |im sur une plage de 60 mm. La profondeur des trous qui peuvent être examinés est au moins de 2 à 1 (profondeur/diamètre). Ces données montrent clairement que l'invention décrite présente de nombreuses applications potentielles dans le domaine de 65 l'examen et de la mesure sans contact qui trouve des applications aussi bien dans différents secteurs de l'industrie que dans certaines applications médicales.

R

1 feuille dessins

Claims

671 828 REVENDICATIONS

1. Procédé pour former l'image du profil d'une surface rugueuse réfléchissante en fonction de la distance séparant chaque point de ce profil d'une source de lumière polychromatique, caractérisé par le fait que:

on forme un faisceau lumineux plat à partir de la lumière de cette source, dont le plan est perpendiculaire au profil de ladite surface;

on focalise les différentes longueurs d'onde de ce faisceau lumineux selon des lignes parallèles contenues dans ce plan, perpendiculaires à l'axe du faisceau et situées à des distances respectives caractéristiques de ces longueurs d'onde;

on recueille la lumière réfléchie par ladite surface et on la dif-fracte pour former, sur une surface réceptrice, une image de cette lumière réfléchie, correspondant à l'intersection entre ledit faisceau lumineux et ladite surface.

2. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une source de lumière polychromatique, des moyens pour former un faisceau plat à partir de la lumière de cette source, des moyens optiques de focalisation présentant une aberration chromatique susceptible de focaliser les différentes longueurs d'onde de ce faisceau plat à des distances respectives le long de l'axe optique, caractéristiques de ces longueurs d'onde, un réseau de diffraction transparent pour disperser la lumière réfléchie par le profil de ladite surface, angulairement selon des angles caractéristiques des différentes longueurs d'onde et une surface réceptrice de l'image ainsi formée dans laquelle les déviations latérales sont caractéristiques des distances des différentes parties dudit profil le long de l'axe optique.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le réseau de diffraction transparent est adjacent auxdits moyens optiques de focalisation.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit réseau de diffraction transparent a une surface correspondant sensiblement à la moitié de celle desdits moyens optiques de focalisation.

5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens optiques de focalisation comprennent une lentille chromatique du type plaque de zones présentant des anneaux de diffraction concentriques dont la fréquence spatiale est croissante en allant vers la périphérie de la lentille.

6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite surface réceptrice de l'image est formée par un réseau plat CCD.