FR2509458A1 - Dispositif pour la mesure precise d'un contour d'une surface a trois dimensions telle qu'une surface optique complexe - Google Patents
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Abstract
LE DISPOSITIF SELON L'INVENTION FAIT INTERVENIR UN ARRANGEMENT D'AU MOINS QUATRE DISPOSITIFS DE MESURE DE DISTANCE 20 POSITIONNES SELON UNE CONFIGURATION POLYHEDRIQUE AU-DESSUS DE LA SURFACE A MESURER, CHAQUE SYSTEME DE MESURE FOURNISSANT DES MESURES A DISTANCE PAR RAPPORT A UN POINT DE MESURE 18 PROXIMAL A LA SURFACE, LORSQUE LE POINT DE MESURE EST DEPLACE SUR TOUT LE CONTOUR DE LA SURFACE, POUR OBTENIR LES DONNEES DE MESURE PERMETTANT DE DEFINIR LA GEOMETRIE DU SYSTEME ET LE CONTOUR DE LA SURFACE A TROIS DIMENSIONS. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AU SURFACAGE OPTIQUE CONTROLE PAR ORDINATEUR.
Description
La présente invention concerne en général un dispositif pour la mesure
précise d'un contour d'une surface à trois dimensions telle qu'une surface optique complexe ou le contour d'une surface à deux dimensions ou d'une ligne et plus particulièrement elle concerne un système de mesure absolue des surfaces ou des lignes auto-calibrant et utilisant
un arrangement redondant de points de mesure.
De manière plus détaillée, la présente invention est
conforme au présent état de la technique dans le développe-
ment d'une technologie de surfaçage optique contrôlée par ordinateur pour produire des surfaces optiques à formes complexes, telles que les miroirs asphériques de qualité
infra-rouge nécessaires pour les générations futures de télés-
copes spatiaux, bien que les enseignements de celle-ci aient une possibilité d'application beaucoup plus large que celle qui est expliquée d'une manière plus détaillée ci-après Le développement futur de cette technologie dépend des mesures précises de la surface optique pour fournir des données pour les machines de surfaçage qui usinent, par exemple par meulage,
la surface optique complexe.
Dans le contexte de ce domaine technologique particulier, le développement d'un dispositif de mesure pour assurer des mesures de surface aussi précises que possible est une partie essentielle d'un programme pour développer un dispositif destiné au surfaçage des surfaces optiques complexes telles que de grandes surfaces asphériques Le dispositif de mesure ou la machine doit fournir toutes les données de surface pour le procédé de fabrication, au moins jusqu'à la production d'interférogrammes de qualité Si la machine de mesure est
suffisamment précise, même les interférogrammes qui concer-
nent une optique spécifique d'essais spéciaux pour les miroirs et dans le cas de très grands miroirs, de très grandes distances de travail, pourraient être éliminés Une machine de mesure de haute qualité pourrait également réduire la partie de mesure du cycle de fabrication Plus la machine de mesure est précise, plus le meulage de la surface peut être précis, et par conséquent le temps de polissage peut en être avantageusement réduit Dans le contexte de cette technologie, par conséquent, la machine de mesure est un facteur important pour minimiser le temps de surfaçage, même si sa précision
n'est pas suffisante pour la forme définitive.
Un système connu pour mesurer le contour d'une surface convexe ou concave est la triangulation par rapport à une cible rétroréfléchissante sur la surface à partir d'un jeu de trois points d'observation au-dessus de la surface Dans ce système connu, la triangulation à partir des trois points dépend d'une mesure précise de la distance entre les trois points et des distances des trois points à la cible sur-la surface Malheureusement, il est fréquemment difficile de
fournir une mesure précise de ces distances.
A cet effet, la présente invention fournit un dispositif de mesure absolu du contour superficiel ou linéaire utilisant une configuration redondante des systèmes de mesure de distance pour définir la géométrie de l'arrangement et également pour assurer les mesures du contour L'invention fournit également un système et une méthode de mesure du type mentionné ci-dessus ayant au moins quatre systèmes de mesure de distance dans une configuration polyhédrique au-dessus d'une surface à trois dimensions à mesurer, et ayant au moins trois systèmes de mesure de distance en configuration
polygonale au-dessus des surfaces à deux dimensions à mesurer.
La présente invention fournit également un système pour mesurer le contour d'une surface de qualité optique complexe qui n'exige pas une machinerie encombrante, très précise et
exacte.
La présente invention fournit-un arrangement sous forme d'un système et une méthode pour mesurer le contour d'une surface à trois dimensions, dans laquelle quatre ou plusieurs
systèmes de mesure de distance sont positionnés en configura-
tion polyhédrique au-dessus de la surface mesurée Chaque système de mesure assure des mesures de distance relativement à un point de mesure proximal à la surface lorsque ce point de mesure se déplace sur ladite surface Cet arrangement assure une quantité suffisante de données de mesure pour définir à la fois la géométrie de l'arrangement et le contour de la surface à trois dimensions Dans les formes de réalisation de l'invention, les systèmes de mesure de distance sont des systèmes de mesure différentiels sous forme d'interféromètres à laser à trajectoire inégale (LU Pl disposés en une configuration tétrahédrique au dessus de la surface mesurée Bien que dans des formes de réalisation en variante, les systèmes de mesure peuventêtre des codeurs linéaires ou même des interféromètres absolus qui fonctionnent
avec plusieurs fréquences différentes de lumière.
De façon plus précise, l'arrangement tétrahédrique comprend trois interféromètres positionnés en disposition plannaire au-dessus de la surface mesurée et un quatrième
interféromètre placé en un sommet central-de cette surface.
De plus, un rétroréflecteur est placé de façon adjacente à
la surface pour définir le point de mesure et peut se dépla-
cer au choix sur la surface mesurée.
Dans une forme de réalisation représentée, une source unique de laser assure des faisceaux lasériques pour les quatre interféromètres, bien que dans d'autres-formes de réalisation, chaque interféromètre peut avoir un laser séparé Un treillis tétrahédrique est placé au-dessus de la
surface mesurée et chaque interféromètre a une tête de comman-
de de faisceaux dans un angle du treillis pour diriger le faisceau de l'interféromètre sur le rétroréflecteur pendant ces mouvements Chaque interféromètre comprend en outre un système de servocommande pour contrôler la tête de commande
du faisceau de façon à diriger le faisceau de l'interféro-
mètre sur le rétroréflecteur.
La présente invention fournit également une méthode pour déterminer le contour d'une surface à trois dimensions, dans laquelle les mesures de distance sont prises à partir d'au moins dix points sur la surface et de préférence davantage de telle façon que l'on obtienne une quantité redondante de données pour définir la géométrie du système et pour minimiser les effets des erreurs de mesure La quantité redondante de données est alors transformée par des techniques mécaniques connues en positions de coordonnée des
points sur le surface.
La présente invention fournit également un arrangement pour la mesure du contour de surface à deux dimensions ou de lignes, dans lequel trois ou plusieurs systèmes de mesure de
distance sont positionnés en configuration polygonale au-
dessus de la surface Chaque système de mesure fournit des mesures de distance par rapport à un point de mesure proximal à la surface lorsque ledit point de mesure se déplace le long du contour de la surface L'arrangement fournit une quantité suffisante de données de mesure pour définir à la fois la géométrie d'arrangement et le contour de la surface Dans cette forme de réalisation également, les systèmes de mesure
de distance sont des systèmes de mesure de distance différen-
tiels sous forme de LU Pl mesurant les changements de position
d'un rétroréflecteur qui se déplace le long de la surface.
Les observations mentionnées ci-dessus concernant les possi-
bilités différentes de systèmes de mesure et de traitement et de transformation des données par rapport à un système de mesure de surface tridimensionnelle sont également applicables
aux dispositifs de mesure à deux dimensions.
La figure 1 représente géométriquement un arrangement tétrahédrique de quatre points d'observation au-dessus d'une surface, dont on mesure le contour; la figure 2 représente un arrangement schématique de quatre interféromètres de mesure de distance différentiels à laser de poursuite qui peut être utilisé dans le cadre de la présente invention; la figure 3 est une vue en perspective d'une forme de réalisation d'une machine de mesure de contour de surface construite conformément aux enseignements de la présente invention; la figure 4 est une illustration de quelques unes des considérations mathématiques concernant la réduction des données accumulées en mesure de distance à ce sujet;
la figure 5 représente de façon schématique deux inter-
féromètres de mesure de distance utilisant des rétroréflec-
teurs à oeil de chat corrigés; la figure 6 représente deux formes de réalisation de têtes d'interféromètre qui peuvent être utilisées dans les diverses réalisation de la présente invention; et la figure 7 est une illustration schématique d'un arrangement présentant trois interféromètres de mesure de
distance pour mesurer le contour d'une surface à deux dimen-
sions.
En se référant aux dessins détaillés, la figure 1 repré-
sente la géométrie concernée par un arrangement tétrahédrique de quatre points d'observation 12 au-dessus d'une surface
14, dont le contour doit être mesuré conformément aux ensei-
gnements de la présente invention Le tétrahèdre 10 comprend trois points d'observation ondulaire 12 qui sont coplanaires dans un plan pratiquement horizontal au-dessus de la surface 14 et un point 12 ' d'observation constituant un sommet central surélevé Le tétrahèdre doit être défini d'une façon précise
par les longueurs de ses six côtés 16 Les trajectoires rela-
tives des distances de mesure entre chacun des points d'ob-
servation 12 et un point superficiel 18 sur la surface 14
sont illustrées en 20.
Dans une machine de mesure de surface comme représenté sur la figure 3, les changements dans les distances 20 entre un point 18 de la surface et un deuxième point 18 ' de cette surface, qui peuvent être n'importe o sur la surface 14, sont mesurés à l'aide d'interféromètres Cependant, dans des formes de réalisation différentes, d'autres types de système de mesure de distance peuvent être également utilisés, tels qu'un codeur linéaire ou un type différent d'interféromètre tel qu'un interféromètre absolu qui fonctionne à plusieurs
fréquences différentes de lumière.
La figure 2 représente schématiquement un arrangement de quatre interféromètres de mesure de distance différentiels, qui comprend un laser commun 24 pour engendrer un faisceau laser 26 cohérent et collimaté qui peut être dirigé sur un premier dédoubleur de faisceaux 28 Le dédoubleur de faisceau 28 transmet un premier faisceau 30 au premier et au troisième interféromètres 32 et 33, et réflechit un second faisceau 34 à un deuxième et quatrième interféromètres 35 et 36 Le faisceau 30 est incident sur un deuxième dédoubleur de faisceau
31 qui transmet une partie dudit faisceau à un permier inter-
féromètre 32 et réfléchit une autre partie du même faisceau à un troisième interféromètre 33, qui est analogue au premier
et au deuxième interféromètres représentés sur la figure 2.
la partie transmise du faisceau 30 est redirigée par un premier et un deuxième miroirs fixes 38 et 40 vers un dédoubleur de faisceau 42 monté de façon stable Une partie du faisceau 44 passe à travers le dédoubleur de faisceau 42 et n'est pas utilisée ultérieurement, tandis qu'une deuxième partie du faisceau 46 est réfléchie par le dédoubleur de faisceau 42 et envoyée sur un élément directeur de faisceau asservi 48, qui peut être un miroir de commande pour rédiriger le faisceau le long d'une trajectoire de distance 20 jusqu'à une cible constituée par un rétroflecteur mobile 50 positionné sur un point 18 de mesure de la surface L'élément directeur de faisceau 48 peut être une hémisphère asservie montée sur un palier à air de telle façon que la rotation de l'hémisphère autour de deux axes dirige le faisceau dans deux directions,
mais ne modifie pas la distance le long de la trajectoire 20.
Le rétroflecteur cible 50 renvoie le faisceau à l'élément directeur de faisceau 48, qui dirige à nouveau le faisceau
en retour sur le dédoubleur de faisceau 42 Ceci a pour résul-
tat un dessin d'interférence sur le dédoubleur formé entre le faisceau 30 qui arrive et le faisceau qui a traversé l'élément
directeur 48 et la cible 50 et est revenu Le dessin d'inter-
férence et le retour du faisceau à partir de l'élément direc-
teur de faisceau 48 passent à nouveau sur un dédoubleur de faisceau 52 qui dirige une première partie du faisceau sur un compteur de franges 54 et une seconde partie sur une cellule
quadratique 56 pour la poursuite (le traçage).
La cellule quadratique 56 peut être une cellule que l'on trouve dans le commerce ayant quatre photodétecteurs montés symétriquement produisant quatre signaux d'amplitude égale lorsque l'élément directeur de faisceau 48 dirige d'une façon précise le laser incident sur le rétroflecteur 50 Cependant, si l'élément directeur de faisceau 48 ne dirige pas le faisceau d'une façon précise sur le rétroréflecteur 50, les
amplitudes des quatre signaux deviennent symétriquement désé-
quilibrées en proportion même de l'erreur de visée Les signaux déséquilibrés qui en résultent sont utilisés dans un circuit asservi 58 de rétro-action, d'une manière connue, pour commander l'élément directeur de faisceau 48 de façon à ce qu'il dirige à nouveau le faisceau d'une façon précise
sur le rétroréflecteur 50.
Le compteur de franges 54 examine le dessin d'interférence pour compter les modifications de franges d'une manière connue dans la technique, dans les interféromètres différentiels de mesure de distance Si la cible 50 est fixe relativement à l'élément directeur de faisceau 48, le compteur de franges 54 voit un dessin d'interférence stable et par conséquent ne produit pas de sortie d'impulsions de comptage Cependant, tout moment relatif entre la cible 50 et l'élément directeur de faisceau 48 a pour résultat des franges qui passent dans le compteur de franges et le nombre du décompte est directement proportionnel à l'amplitude du mouvement, d'une manière qui
est connue dans la technique de l'interférométrie La connais-
sance de la longueur d'onde du faisceau laser permet un calcul
précis de la grandeur du mouvement différentiel, tandis que -
les techniques standards de déplacement de phase permettent de constater le signe du mouvement Des interféromètres de ce type sont disponibles dans le commerce, par exemple, chez Hewlett Packard. De même, lorsque la cible 50 est déplacée d'un premier point 18 de mesure de la surface vers un second point 18 ' de mesure de la surface, le premier interféromètre différentiel
32 mesurant les distances mesure avec précision la modifica-
tion de la longueur de la trajectoire 20, alors que la cellule quadratique 56 et l'asservissement 58 commandent à l'élément directeur de faisceau 48 de maintenir le faisceau dirigé avec
précision sur le rétroréflecteur 50 mobile ou stationnaire.
La surface 60 qui est effectivement décrite par -le centre du rétroréflecteur est positionnée au-dessus de la surface 18 d'une quantité qui dépend des caractéristiques physiques du rétroréflecteur, mais la surface 60 est parallèle à la surface 14 que l' on mesure et elle lui est mathématiquement analogue
et transformable.
Le deuxième interféromètre 35 fonctionne d'une manière semblable au premier interféromètre 32 pour mesurer toute modification dans sa longueur correspondante de trajectoire ' et les éléments analogues de celui-ci porte des numéros
conformes à ceux des éléments du premier interféromètre 32.
Le troisième et le quatrième interféromètres 33 et 36 fonctionnent également d'une manière analogue à celle illustrée pour le premier et le second interféromètres Avec cette disposition de quatre interféromètres, toute modification dans les longueurs des quatre trajectoires de distance 20 de la
figure 1 peut être mesurée par interférométrie de façon pré-
cise Bien que cette forme de réalisation n'illustre qu'un seul laser pour fournir les faisceaux de mesure pour tous les interféromètres, d'autres formes de réalisation de
l'invention peuvent avoir un laser séparé pour chaque inter-
féromètre ou toute autre disposition.
Le contour d'une surface courbe peut être mesuré par triangulation relativement à une cible rétroréfléchissante
sur la surface à partir d'un jeu de trois points d'observa-
tion au-dessus de cette surface Cette technique exige une mesure précise des distances entre les trois points et des
distances des trois points au point de mesure sur la surface.
La triangulation des trois points serait suffisante si les distances entre les trois points et les distances des trois points au point unique sur la surface étaient connues d'une 1 façon précise En ajoutant un quatrième point d'observation pour former un arrangement tétrahédrique 10 au-dessus de la surface comme l'indique la présente invention, il en résulte une mesure redondante Lorsque le rétroflecteur se déplace autour de la surface et que les modifications dans les distances à partir des points d'observation sont mesurées, on obtient une quantité suffisante de données pour que les dimensions du tétrahèdre et sa position relative à la surface mesurée puissent être calculées d'une façon précise En additionnant les mesures et les inconnues, il apparaît qu'après dix mesures, toutes les dimensions nécessaires peuvent être effectivement déterminées, comme cela est décrit avec de plus amples détails ci-dessous, bien que de préférence l'on prenne plus de dix mesures de façon à
minimiser les effets des erreurs de mesure.
Pendant le déroulement du processus de mesure dans lequel le rétroréflecteur se déplace autour de la surface, les dimensions du tétrahèdre peuvent être soit maintenues constantes, soit dirigées par un moniteur Un total de douze dimensions doit être maintenu constant ou dirigé par moniteur, six du tétrahèdre et six mesures pour définir les positions relatives l'un par rapport à l'autre Bien que théoriquement les inconnues du système puissent être
déterminées après dix mesures, les erreurs dans la détermina-
tion des paramètres du système ou de l'arrangement qui résultent de mesures bruyantes continureont à diminuer au fur et à mesure que l'on ajoutera à la surface des points de données Dans la mesure des surfaces optiques une mesure normale peut consister en un ensemble de points avec 50 à points sur le diamètre ou bien entre 2 000 et 8000 points sur un miroir rond Une simulation par ordinateur de cet arrangement indique qu'après avoir mesuré environ 200 points, l'erreur de surface a à peu près la même valeur en moyenne quadratique que l'erreur en moyenne quadratique dans la
mesure d'un faisceau unique d'interféromètre.
Dans une forme de réalisation simplifiée comme repré-
sentée sur la figure 3, ces dimensions sont fixées en utilisant des barres graphite/époxy ou invar ou bien des tiges de mesures Dans cette forme de réalisation, un laser unique 62 desservant des interféromètres orientables dont chacun a une trajectoire de mesure de distance 20 et un
miroir de commande asservi 48 aux quatre points d'observa-
tion est utilisé pour faire les mesures relativement au
rétroréflecteur 18 sur la surface mesurée.
Dans une forme de réalisation différente, les douze dimensions de référence peuvent être commandées et surveillées interférométriquement, en portant le nombre des interféromètres à 16 L'arrangement dans ce cas peut comprendre quatre lasers, un pour chacun des quatre points d'observation et pouvant desservir trois interféromètres fixes et un mobile, bien que théoriquement un laser suffisamment puissant puisse fournir
des faisceaux de mesure à tous les interféromètres.
Les considérations de conception sont multiples dans
les secteurs des interféromètres orientables et du rétro-
réflecteur mobile Deux formes au moins d'interféromètre
sont connues dans la technique, mais ils n'ont pas de modifi-
cation de longueur de trajectoire associée à des erreurs dans les paliers de miroir de commande Les faisceaux laser
peuvent être dirigés pratiquement vers le centre du rétro-
réflecteur cible parce que la distance à mesurer se trouve
le long des directions normales au front d'onde Par consé-
i 1 quent, un dispositif automatique de poursuite ou de centrage, dérivant les signaux du faisceau en retour comme représenté sur la figure 2 est probablement nécessaire dans une forme de réalisation pratique pour éviter l'interruption du faisceau qui aurait pour résultat une perte dans- les décomptes des franges Le rétroréflecteur mobile 18 doit également être
défini dans son rapport à la surface mesurée Un rétroréflec-
teur flottant sur une pellicule d'air avec une sonde sans
contact pour commander et surveiller sa hauteur exacte au-
dessus de la surface mesurée serait idéal dans la plupart des réalisations Dans d'autres modifications de l'invention, un rétroréflecteur à contact mécanique pourrait être utilisé
à sa place.
En se référant à la figure 3, une surface mesurée 14 sous forme d'une grande surface de miroir est placée pratiquement en position horizontale sur un dispositif de montage de fabrication 64 qui à son tour est monté sur un bloc d'isolation 66 de façon à isoler substantiellement les dispositifs de mesure de toutes les vibrations et de tous les bruits ambiants Bien que la figure 3 représente un équipement de phono-isolation plutôt massif, étant donné qu'un tel équipement est classique dans la technique de la mesure des surfaces de qualité optique, un des avantages de la présente invention est que ledit équipement classique d'isolation contre le bruit peut être éliminé si les prescriptions de précision de mesure n'obligent pas à s'en servir Chacun des trois miroirs de commande 48 eux mêmes commandés par asservissement, aux trois points planaires d'observation 12 est supporté par trois trépieds montés
sur des éléments 68 à barre de graphite et résine époxydique.
Les trois ensembles de trépieds supportent une armature tétrahédrique formée de trois éléments de base 70 qui s'étendent horizontalement et de trois éléments 72 qui vont jusqu'au point d'observation 12 ' du sommet central surélevé Un jeu supplémentaire de six tiges 73 de référence de position est fourni et s'étend entre les ensembles de trépieds et la surface mesurée 14 pour assurer la stabilité du dispositif ou pour en surveiller les autres mouvements Les tiges de référence 73 peuvent être également constituées en graphite/époxy. Le faisceau laser partant de la source de laser 62 est divisé par des dédoubleurs de faisceaux semblables quant à la conception aux éléments 28 et 31, en trois faisceaux
fixes 74 dirigés vers les trois miroirs de commande 48 asser-
vis sur le sommet des trois ensembles à trépieds, et en un faisceau orientable 76, dirigé par un miroir de commande asservi 48 monté sur le point d'observation du sommet surélevé D'une façon correspondante, cette disposition présente quatre interféromètres orientables disposés le long des quatre trajectoires 20 de mesure de distance pour assurer
les mesures de distance relatives nécessaires.
La cible rétroréfléchissante 50 peut se mouvoir au choix sur la surface 14 à l'aide d'une tige 78 accouplée à un mécanisme 80 de commande de la cible, mobile le long d'une piste 82, de telle façon que les mesures à partir d'un point de surface 18 à un deuxième point de surface peuvent être
avantageusement contrôlées et même automatisées en partie.
En pratique, les décomptes à partir des quatre compteurs de franges pour les quatre interféromètres seront mis en mémoire numérique dans un ordinateur et l'ordinateur pourra allors réduire ces données en un profil de la surface 14 en utilisant des techniques mathématiques connues comme ci après. Une fois que les données sont accumulées à partir d'un nombre suffisant de points de mesure 18, elles peuvent être réduites de façon à convertir les mesures de distance faites par les quatre interféromètres de distance différentiels en coordonnées x, y et Z de la cible pour chaque point de mesure Il faut se souvenir qu'une caractéristique propre d'un interféromètre différentiel de mesure de distance tel que ceux qui sont disponibles dans le commerce chez Hewlett Packard, est qu'il mesure la distance traversée par une cible rétroréfléchissante le long de la direction du faisceau laser, mais qu'il ne détermine pas la distance absolue de la cible par rapport à l'interféromètre. La conversion des données obtenues par interféromètre en coordonnées x, y et z de chaque point de mesure peut être
réalisée mathématiquement en utilisant de nombreuses techni-
ques différentes, dont une seule sera expliquée ci-après.
La première mesure de distance faite dans une série de mesures est donnée comme une valeur zéro ou comme une valeur arbitraire Une sortie de la réduction des données à partir de ce système de mesure est le décalage effectif à ajouter à chaque mesure pour déterminer la distance effective à partir du point de commande pour le faisceau laser (l'angle du tétrahèdre) jusqu'à la cible rétroréfléchissante Pour la mesure d'une surface, par conséquent, on devra déterminer quatre constantes de ce type, une pour chacune des quatre têtes de mesure aux angles du tétrahèdre Une autre sortie du processus de réduction des données donne les longueurs effectives des côtés du tétrahèdre On doit déterminer alors
six longueurs de cette nature.
La figure 4 représente un espace avec un système de coordonnées x, y, z dont l'origine est au point O Dans cet espace le point A est le ième des quatre angles du tétrahèdre, l'un des quatre points de commande du faisceau laser La position de ce point dans l'espace est désignée par le vecteur à partir de l'origine Pi, qui évidemment doit être déterminé Le point B sur la figure 4 représente le jième point de mesure sur la surface à mesurer o se trouve placée la cible rétroréfléchissante La position du point B est désignée par le vecteur Qj à partir de l'origine, qui doit être également déterminé La distance effective entre les points A et B peut être déterminée à partir de la différence des vecteurs Pl Qj et est tout simplement la valeur absolue
du vecteur résultant.
Lorsque la cible rétroréfléchissante se trouve en
position B, la distance mesurée à partir de l'interféro-
mètre est le scanner Mij La valeur de Mij diffère de la distance effective entre les points A et b d'une quantité Ci, qui est la longueur constante inconnue à ajouter à la mesure de chaque position cible à partir du point A. Lorsque la cible rétroréfléchissante est déplacée vers ième le (j + 1) point de mesure, qui est le point C sur la figure 4, la position de la cible est maintenant spécifiée par le vecteur Qj+l à partir de l'origine, et la distance effective du point A au point C est la valeur absolue de la différence vectorielle Pl Qj+l La distance mesurée à partir du point de commande est le scanner Mi, j+ 1 ' qui diffère également de la distance effective entre les points
A et C de-la quantité Ci. Dans le cas de dix mesures, par conséquent, le problème à résoudre est la
détermination des vecteurs P, Q et des valeurs C de telle sorte que le jeu des scanners M mesurés donne Pl Qi Mij + Ci = O En général, on devra mesurer beaucoup plus de dix points pour définir une surface et il serait souhaitable d'utiliser toutes les données de mesure pour déterminer la meilleure estimation des vecteurs P et Q et des valeurs C pour tenir compte des erreurs de mesure La solution obtenue ne donne pas zéro pour l'expression ci-dessus pour plus de dix points
s'il n'y a pas justement un zéro de mesure d'erreur.
Une approche pour la formation d'une solution concernant les effets des erreurs de mesure réparties sur les divers points de mesure consiste à exiger que E i j ( Pl -j M-ij + Ci) = minimum
On se trouve maintenant en présence d'un problème de minimi-
sation aux moindres carrés, qui peut être résolu par itéra-
tion au moyen des algorithmes d'ordinateur de minimisation
des moindres carrés.
La figure 5 est une illustration schématique de deux interféromètres 84 et 86 dont chacun incorpore un autre réflecteur corrigé 88 à oeil de chat ou à trièdre tri- rectangle qui peut être utilisé également conformément aux indications de la présente invention Dans ces dispositifs, un faisceau partant d'une source laser 90 est dirigé sur une
pellicule mobile 92 pour commander le faisceau de mesure.
La pellicule réfléchit une partie du faisceau sur un rétro-
réflecteur 84 qui dirige alors ce même faisceau sur le rétroréflecteur 50 qui à son tour réfléchit le faisceau en retour sur la pellicule 92 de façon à obtenir un dessin d'interférence sur celle-ci entre le faisceau laser original et le faisceau qui a traversé les rétroréflecteurs Un compteur de franges 94 compte alors tous les dessins de franges qui s'y déplacent d'une façon standard bien connue dans
l'interférométrie différentielle de mesure de distance.
La figure 6 représente sur son côté droit une autre configuration 98 pour une tête d'interféromètre dans laquelle une pellicule 100 et un réflecteur à trièdre trirectangle 102 sont stables et fixés relativement au dispositif de mesure, et le laser 104 est monté de façon à pivoter pour diriger le faisceau laser sur la cible rétroréfléchissante 50 Une cellule quadratique, de conception analogue à la cellule 56 de la figure 2, est utilisée pour contrôler le mouvement du
laser à des fins de poursuite ou de traçage.
La figure est une illustration schématique d'une disposi-
tion pour mesurer le contour d'une surface 10 à deux dimen-
sions, qui a au moins trois systèmes de mesure 112 au-dessus d'elle Chaque système de mesure comprend un interféromètre disposé d'une manière analogue à ceux de la forme de réalisation de la figure 2, et également tous les divers éléments qui portent les mêmes repères numériques et qui
effectuent les mêmes opérations qui ne seront pas reprises.
Cette forme de réalisation est d'une conception simi-
laire à celles expliquées en ce qui concerne la mesure du contour d'une surface à trois dimensions avec l'explication complémentaire suivante On sait que le contour d'une surface à deux dimensions ou d'une ligne peut être mesuré par trian- gulation relativement à un nombre de points cibles sur sa
surface à partir d'un jeu de deux points d'observation au-
dessus de la surface Dans cette première approche connue dans la technique, le succès de la triangulation à partir des 1 deux points d'observation dépend d'une mesure précise de la distance entre les deux points d'observation et des distances
des deux points d'observation au(x) point(s) de mesure.
Malheureusement, il est souvent difficile de réaliser une
mesure précise de toutes ces distances.
Conformément aux enseignements contenus dans la présente invention, le contour d'une surface à deux dimensions ou d'une ligne est mesuré par une disposition de trois ou plusieurs systèmes de mesure de distance positionnés en configuration polygonale au-dessus de la surface mesurée Relativement à la forme de réalisation de la figure 7, la forme polygonale est triangulaire et coplanaire avec la surface à deux dimensions mesurée Par conséquent, la présente forme de réalisation diffère des précédentes approches connues dans la technique de la triangulation par l'addition d'un point redondant de mesure, ce qui a pour résultat un nombre suffisant de données de mesure, après plusieurs mesures, de façon à définir à la fois la géométrie du système, relativement à l'ensemble de mesures triangulaires, et le contour de la surface à deux dimensions mesurée d'une façon analogue à ce qui a été expliqué en ce qui concerne les dispositions de mesure de
surface à trois dimensions.
Bien que la présente invention ait été décrite dans le contexte de la mesure d'une surface optique, les enseignements qui en découlent sont également applicables à la mesure d'un contour de toute surface convenable tel que la mesure des
surfaces de divers modèles.
Claims (16)
1 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface à trois dimensions, caractérisé par un arrangement d'au moins quatre dispositifs de mesure de distance ( 20, 20, 20, 20; 32, 33; 35, 36) positionnés suivant une configuration polyhédri- que au-dessus de la surface à mesurer, chaque système de mesure fournissant des mesures de distance par rapport à un point de mesure ( 18) proximal à la surface, lorsque le point de mesure est déplacé sur tout le contour de la surface, pour assurer une quantité suffisante de données de mesures permettant de définir la géométrie du système et le contour
de la surface à trois dimensions.
2 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface à tro dimensions selon la revendication 1, caractérisé en ce que
la configuration polyhédrique est une configuration en tétra-
hèdre ( 10; 70, 70, 70, 72, 72, 72) de trois interféromètres ( 20, 20, 20) placés en une disposition planaire au-dessus de la surface mesurée et quatre interféromètres ( 20) placés en
un sommet central de la configuration tétrahédrique.
3 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface à trois dimensions, selon la revendication 2, caractérisé par un dispositif tétrahédrique ( 70, 70, 70, 72, 72, 72) placé au-dessus de la surface mesurée, chaque interféromètre ayant une tête de commande de faisceau ( 48) en l'un des
angles du treillis de façon à diriger le faisceau de l'in-
terféromètre ( 20) sur le point de mesure ( 50) pendant les
mouvements de celui-ci sur le contour de la surface.
4 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface à deux dimensions, caractérisé par un arrangement d'au moins trois dispositifs de mesure de distance^( 112) disposés en une configuration polygonale au-dessus d'une surface à deux dimensions ( 110) dont le contour est à mesurer, chaque dispositif de mesure fournissant des mesures de distance par rapport à un point de mesure proximal à la surface lorsque le point de mesure est déplacé sur tout le contour de celle-ci, de façon à assurer une quantité suffisante de données de mesure pour définir la géométrie la géométrie
du système et le contour de la surface.
Dispositif pour mesurer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que chaque dispositif de mesure de distance comprend un système de mesure de distance différentiel ( 20,
, 20; 32, 33, 35, 36; 112, 112, 112).
6 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque système de mesure de distance différentiel comprend un
interféromètre ( 20, 20, 20; 32, 33, 35, 36; 112, 112, 112).
7 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'un rétroréflecteur ( 50) adjacent à la surface définit le point de mesure et peut être déplacé au
choix sur le contour de la surface à mesurer.
8 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il comporte une source laser unique
( 24,62) pour fournir les faisceaux lasers à tous les inter-
féromètres. 9 Dispositif pour mesurer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que chaque interféromètre comporte une tête de commande du faisceau ( 48) pour diriger le faisceau de l'interféromètre sur le point mesuré pendant les mouvements
de celui-ci sur tout le contour de la surface.
Dispositif pour mesurer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que chaque interféromètre comprend un système de commande asservi ( 58) qui contrôle la tête de commande du faisceau de façon à diriger le faisceau de l'interféromètre sur le point mesuré pendant les mouvements
de celui-ci sur tout le contour de la surface.
11 Méthode pour déterminer le contour d'une surface à trois dimensions, caractérisée en ce que l'on prend des mesures de distance relativement à un point de mesure sur la surface, lorsque ce point de mesure se déplace sur cette surface, les distances étant prises à partir d'au
moins quatre positions séparées placées suivant une con-
figuration polyhédrique au-dessus de la surface et utili-
sant les mesures de distance pour définir la géométrie du
système et également pour déterminer le contour de la sur-
face à trois dimensions.
12 Méthode pour déterminer le contour d'une surface à deux dimensions caractérisée en ce que l'on y prend des mesures de distance à partir d'un point de mesure sur la surface, lorsque ce point de mesure se déplace sur ladite surface, les distances étant prises à partir d'au moins trois positions séparées placées suivant une configuration
polygonale au-dessus de la surface et en utilisant les me-
sures de distance pour définir la géométrie du système et
également pour déterminer le contour de ladite surface.
13 Méthode pour déterminer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications Il et 12 carac-
térisée en ce que ladite étape de prise de mesure de dis-
tance comprend l'étape de prise de mesure différentielle
des modifications de distance par rapport au point de me-
sure lorsqu'il se déplace sur le contour de la surface.
14 Méthode pour déterminer le contour d'une surface selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite
étape de mesure des modifications de distance différen-
tielle comprend l'étape d'une mesure par interféromètre
des modifications de distance différentielle.
Méthode pour déterminer le contour d'une surface selon la revendication 14, caractérisée en ce que ladite étape de mesure par interféromètre comprend l'étape
d'une mesure par interféromètre des modifications de dis-
tance à partir de trois positions en disposition planaire - au-dessus de la surface mesurée et à partir d'une quatrième
positioneaui sommet central c Pune configurationiétrahéir Ique.
16 Méthode pour déterminer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, carac-
térisée en ce qu'elle présente une étape de déplacement au
choixd'unrétroréflecteur ( 50) sr le contourd las rface me-
surée. 17 Méthode pour déterminer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications 11 à 16 $ carac-
térisée en ce que l'étape de prise des mesures de distance s'effectue à partir de plus de dix points sur la surface, de façon à obtenir une quantité redondante de données pour
minimiser les effets des erreurs de mesure.
18 Méthode pour déterminer le contour d'une surface 1 y selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'étape
de prise de mesure de distance par interféromètre s'effec-
-tue à partir de plus de dix points sur la surface de telle façon que l'on obtienne une quantité redondante de données
pour minimiser les effets des erreurs de mesure.
19 Méthode pour déterminer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, carac-
térisée par une étape dans laquelle on transforme les me-
sures de distance en position de coordonnées des points
sur le contour de la surface.
20 Méthode pour déterminer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications 1 i à 19, carac-
térisée par une étape pendant laquelle on transforme les mesures de distance en position de coordonnées des points
de mesure sur le contour de la surface.
21 Méthode pour déterminer le contour d'une surface
selon l'une quelconque des revendications 11 à 20, carac-
térisée par le fait qu'on y applique une étape de trans-
formation de la quantité redondante de données en position
de coordonnées des points de mesure du contour de la sur-
face.
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- 1982-07-12 DE DE19823226005 patent/DE3226005A1/de not_active Withdrawn
- 1982-07-12 SE SE8204293A patent/SE454539B/sv not_active IP Right Cessation
- 1982-07-12 IT IT22360/82A patent/IT1151835B/it active
- 1982-07-13 JP JP57120712A patent/JPS5866006A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2093168A5 (fr) * | 1970-06-04 | 1972-01-28 | Commissariat Energie Atomique |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MESURES, REGULATION, AUTOMATISME, vol. 43, no. 1, janvier 1978, pages 25,26, Paris, FR; "Une mesure optique à distance, des petits déplacements latéraux" * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE8204293L (sv) | 1983-01-14 |
| IL66295A (en) | 1987-12-20 |
| JPS5866006A (ja) | 1983-04-20 |
| SE454539B (sv) | 1988-05-09 |
| IT1151835B (it) | 1986-12-24 |
| BE893811A (fr) | 1982-11-03 |
| GB2102574A (en) | 1983-02-02 |
| FR2509458B1 (fr) | 1986-07-25 |
| DE3226005A1 (de) | 1983-03-03 |
| US4457625A (en) | 1984-07-03 |
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| IT8222360A0 (it) | 1982-07-12 |
| GB2102574B (en) | 1985-05-09 |
| CA1186893A (fr) | 1985-05-14 |
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