FR2564602A1 - NON-CONTACT ASTIGMATE OPTICAL SENSOR - Google Patents
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Abstract
UN CAPTEUR OPTIQUE AMELIORE DONT UNE APPLICATION PARTICULIERE EST LE DESSIN DES CONTOURS ET LA MESURE DES FAIBLES DISTANCES, EST DECRIT. LE CAPTEUR COMPORTE UN MOYEN DE PRODUCTION DE LUMIERE ET DE PROJECTION QUI PROJETTE UN FAISCEAU LUMINEUX A TRAVERS DES LENTILLES CYLINDRIQUES CROISEES DE FACON A PROVOQUER ARTIFICIELLEMENT DE L'ASTIGMATISME. LE FAISCEAU ASTIGMATE EST ENSUITE DIRIGE SUR LA SURFACE D'UNE CIBLE A DESSINER. LE RAYONNEMENT DISPERSE VERS L'ARRIERE REFLECHI PAR LA SURFACE DE LA CIBLE, EST COLLECTE PAR UN MOYEN COLLECTEUR ET FOCALISE SUR UN PHOTODETECTEUR. LA FORME DE L'IMAGE PROJETEE SUR LE PHOTODETECTEUR DEPEND DE LA DISTANCE ENTRE LE CAPTEUR ET LA SURFACE. EN OBSERVANT LA SORTIE DU DETECTEUR, ON PEUT MESURER LA DISTANCE QUI SEPARE LE CAPTEUR ET LA SURFACE OU ON PEUT LA MAINTENIR CONSTANTE, CE QUI PERMET D'OBTENIR UN DESSIN DES CONTOURS EN UTILISANT DES TECHNIQUES DE REPRODUCTION CONNUES.AN IMPROVED OPTICAL SENSOR OF WHICH A SPECIAL APPLICATION IS THE DRAWING OF THE CONTOURS AND THE MEASUREMENT OF LOW DISTANCES, IS DESCRIBED. THE SENSOR FEATURES A MEANS OF LIGHT GENERATION AND PROJECTION WHICH PROJECTS A BEAM OF LIGHT THROUGH CYLINDRICAL LENSES CROSSED IN A WAY TO ARTIFICIALLY CAUSE ASTTIGMATISM. THE ASTIGMATE BEAM IS THEN DIRECTED ON THE SURFACE OF A TARGET TO BE DRAWED. BACKWARD SCATTERED RADIATION REFLECTED BY THE SURFACE OF THE TARGET, IS COLLECTED BY A COLLECTOR MEDIA AND FOCUSED ON A PHOTODETECTOR. THE SHAPE OF THE IMAGE PROJECTED ON THE PHOTODETECTOR DEPENDS ON THE DISTANCE BETWEEN THE SENSOR AND THE SURFACE. BY OBSERVING THE OUTPUT OF THE DETECTOR, THE DISTANCE BETWEEN THE SENSOR AND THE SURFACE CAN BE MEASURED OR MAINTAINED CONSTANT, WHICH ALLOWS AN OUTLINE DRAWING USING KNOWN REPRODUCTION TECHNIQUES.
Description
-1--1-
BASE DE L'INVENTIONBASIS OF THE INVENTION
1. Domaine de l'invention: La présente invention appartient au domaine de la métrologie dimensionnelle et plus particulièrement à la réalisation de dessins de surfaces sans contact en 1. Field of the invention: The present invention belongs to the field of dimensional metrology and more particularly to the production of drawings of contactless surfaces in
utilisant un capteur optique.using an optical sensor.
2. Bases de la technique: Dans de nombreuses applications scientifiques et d'engineering, il est intéressant d'obtenir un profil 2. Basics of the technique: In many scientific and engineering applications, it is interesting to obtain a profile
précis de la surface d'un objet. Par exemple, le dévelop- precise of the surface of an object. For example, the develop-
pement de véhicules terrestres, aériens et spatiaux exige la production d'un plan du contour des diverses surfaces Pement of land, air and space vehicles requires the production of a plan of the outline of the various surfaces
d'un véhicule permettant une analyse correcte des carac- of a vehicle allowing a correct analysis of the characteristics
téristiques mécaniques et aérodynamiques. On peut ensuite mechanical and aerodynamic teristics. We can then
apporter des modifications au stade de l'étude et produi- make changes at the study stage and produce
re pour une optimisation ultérieure de la conception un plan du contour de surface remis à jour. De plus, dans re for an updated optimization of the design an updated surface contour plan. In addition, in
de nombreux cas, une description du contour d'un article many cases a description of the outline of an item
est critique pour la fabrication et le contrôle de qua- is critical for the manufacture and control of
lité. Des pièces soumises à de sévères sollicitations, lity. Parts subject to severe stress,
telles que des engrenages, ailettes de turbine et de ven- such as gears, turbine and fan fins
tilateurs, etc. doivent être usinées selon des tolérances très serrées. Un plan détaillé du contour de la pièce est fréquemment obtenu pour servir de gabarit et de norme de tilators, etc. must be machined to very tight tolerances. A detailed outline of the part is frequently obtained to serve as a template and standard for
qualité pour des pièces suivantes produites en série. quality for the following parts produced in series.
Un certain nombre de capteurs ont été mis au point pour obtenir un plan du contour de la surface d'une cible. Par exemple, il existe des capteurs par contact multi-usages et présentant une précision élevée à un prix relativement bas. Cependant, de par leur nature propre, les capteurs par contact abîment la surface inspectée -2- dans une certaine proportion et présentent une usure de leur pointe de touche. S'il existe une erreur dans le positionnement du capteur, ce dernier comme la surface de la cible peuvent être sérieusement endommagés. De plus, dans certains cas, la surface de la cible, par ex- emple une ailette de compresseur, est si mince qu'un capteur par contact déformera la surface et introduira A number of sensors have been developed to obtain a contour map of the surface of a target. For example, there are multi-purpose contact sensors with high precision at a relatively low price. However, by their very nature, contact sensors damage the inspected surface to a certain extent and exhibit wear of their test probes. If there is an error in the positioning of the sensor, both the sensor and the target surface can be seriously damaged. In addition, in some cases, the target surface, for example a compressor fin, is so thin that a contact sensor will deform the surface and introduce
une erreur de mesure.a measurement error.
A la suite des difficultés rencontrées dans l'u- Following the difficulties encountered in the
tilisation des capteurs à contact pour dessin de contour, on a tenté de mettre au point des techniques de dessin de profil de surface sans contact. Un système qui utilise l'interférométrie optique ponctuelle a un rendement élevé Using contact sensors for contour drawing, attempts have been made to develop techniques for drawing non-contact surface profiles. A system that uses point optical interferometry has high efficiency
mais est souvent trop sensible pour de nombreuses appli- but is often too sensitive for many applications.
cations. Les méthodes qui utilisent l'interférométrie cations. Methods that use interferometry
optique ponctuelle exigent des composants optiques cou- point optics require optical components
teux, un alignement critique de l'appareillage optique, une importante isolation des vibrations, et un traitement teux, a critical alignment of the optical apparatus, an important isolation of vibrations, and a treatment
électronique sophistiqué si l'on veut qu'elles fonction- sophisticated electronics if you want them to work
nent correctement.nent properly.
De façon semblable, d'autres techniques ont été mises au point et utilisent l'interférométrie optique de Similarly, other techniques have been developed that use optical interferometry of
surface qui, de même que l'interférométrie optique ponc- surface which, like the optical interferometry ponc-
tuelle, se révèle très sensible aux défauts d'alignement et doivent utiliser des techniques de traitement d'image complexes et consommatrices de temps pour diminuer les données de franges brutes obtenues. On a découvert que la technique en question était limitée au contrôle des cibles présentant des surfaces extrêmement bien polies et réfléchissantes comme des miroirs, soumises aux mêmes critères d'alignement que ceux exigés par le système de mesure. D'autres techniques sans contact sont décrites dans tual, proves to be very sensitive to misalignments and must use complex and time consuming image processing techniques to reduce the raw fringe data obtained. It was discovered that the technique in question was limited to the control of targets with extremely well polished and reflective surfaces like mirrors, subject to the same alignment criteria as those required by the measurement system. Other contactless techniques are described in
un brevet U.S. Numéros 3.481.672, 3.679.307 et 4.299.491. U.S. Patent Numbers 3,481,672, 3,679,307 and 4,299,491.
-3- En conséquence, le besoin existe de disposer d'un capteur optique simple quoique précis, sans contact, pour l'utilisation dans le dessin de plans de contour de -3- Consequently, there is a need for a simple yet precise, non-contact optical sensor for use in drawing contour plans of
surface et les systèmes de mesure de faibles distances. surface and short distance measurement systems.
La présente invention présente un capteur de mesure op- The present invention presents an ope-
tique sans contact qui permet de réaliser le dessin dé- non-contact tick which allows the drawing to be made
taillé du profil d'une surface de cible, et qui n'est cut from the profile of a target surface, and which is not
pas sujet aux problèmes d'alignement critique et de vi- not subject to critical alignment and visualization issues
brations rencontrés typiquement dans les dispositifs de brations typically encountered in
la technique antérieure. Ainsi que le montrera la dis- the prior art. As the dis-
cussion suivante, la présente invention a de nombreuses autres applications en métrologie dimensionnelle, outre Next, the present invention has many other applications in dimensional metrology, in addition to
le dessin des profils de surface.drawing of surface profiles.
SOMMAIRE DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
Un capteur optique amélioré pouvant être utilisé particutièrement dans le dressage de plans de contour de An improved optical sensor which can be used particularly in the drawing of contour maps of
surface et dans des systèmes de mesure de faibles distan- surface and in small distance measurement systems
ces. Le capteur comporte un laser ou tout autre source lumineuse, qui projette un faisceau lumineux à travers des lentilles cylindriques croisées de façon à produire artificiellement un astigmatisme dans le faisceau. Le faisceau astigmate est ensuite projeté en utilisant un these. The sensor comprises a laser or any other light source, which projects a light beam through crossed cylindrical lenses so as to artificially produce an astigmatism in the beam. The astigmatic beam is then projected using a
moyen approprié d'orientation de la lumière, sur une sur- suitable means of directing the light, on an over-
face de cible dont on veut dresser le plan. Les rayons dispersés vers l'arrière, réfléchis par la surface de la target face whose plan is to be drawn. The rays scattered backwards, reflected by the surface of the
cible sont collectés par un moyen de réception et foca- target are collected by means of reception and foca-
lisés sur un photo-détecteur ou tout autre moyen de dé- read on a photo-detector or any other means of
tection de rayonnement approprié. Par nature, la forme du faisceau lumineux astigmate projeté varie en fonction de la distance par rapport au capteur optique. Un point tection of appropriate radiation. By nature, the shape of the projected astigmatic light beam varies as a function of the distance from the optical sensor. A point
situé en aval du capteur optique, et o le faisceau as- located downstream of the optical sensor, and o the beam as-
tigmate forme un spot généralement circulaire est défini -4- tigma forms a generally circular spot is defined -4-
comme étant un point "zéro" de foyer central (Z.O). En - as being a "zero" point of central focus (Z.O). In -
amont de ce point vers le capteur optique, le faisceau astigmate forme un spot généralement elliptique (à Z=-ZO) et, de façon identique, en aval du point zéro le faisceau forme un spot généralement elliptique ( à Z = +ZO) orienté essentiellement à 90 du spot amont - ZO. Donc,la forme de upstream from this point towards the optical sensor, the astigmatic beam forms a generally elliptical spot (at Z = -ZO) and, identically, downstream from zero point the beam forms a generally elliptical spot (at Z = + ZO) oriented essentially at 90 from the upstream spot - ZO. So the form of
l'image projetée sur le photo-détecteur par le moyen collec- the image projected on the photo-detector by the collec-
teur dépend de la distance entre le capteur optique et la surface de cible. Par suite, en observant la sortie de chaque élément du photodétecteur, la distance entre le capteur et la surface de cible peut être conservée constante et on peut obtenir un plan des contours de la surface en utilisant des tor depends on the distance between the optical sensor and the target surface. Consequently, by observing the output of each element of the photodetector, the distance between the sensor and the target surface can be kept constant and one can obtain a plane of the contours of the surface using
techniques connues de dessin.known drawing techniques.
Une autre version de l'invention est prévue, version dans laquelle un faisceau lumineux non astigmate est projeté sur la surface à cartographier. Le rayonnement arrière parasite réfléchi par la surface de cible est collecté et traverse des lentilles cylindriques croisées pour provoquer de l'astigmatisme dans le faisceau reçu. Le faisceau astigmate est ensuite focalisé sur un photo-détecteur. Comme dans le cas de la première version, la forme du faisceau reçu est fonction de la distance séparant le capteur de la surface de cible, ce qui Another version of the invention is planned, a version in which a non-astigmatic light beam is projected onto the surface to be mapped. Spurious rear radiation reflected by the target surface is collected and passes through crossed cylindrical lenses to cause astigmatism in the received beam. The astigmatic beam is then focused on a photo-detector. As in the case of the first version, the shape of the received beam is a function of the distance separating the sensor from the target surface, which
permet ainsi la production d'un plan du contour. thus allows the production of a contour plan.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La figure 1 représente la projection d'un faisceau lumineux astigmate sur le détecteur quadratique de la présente invention. La figure 2 est une représentation schématique d'une FIG. 1 represents the projection of an astigmatic light beam on the quadratic detector of the present invention. Figure 2 is a schematic representation of a
version de la présente invention.version of the present invention.
-5- La Figure 3 est une illustration graphique de la production d'astigmatisme dans un faisceau lumineux -5- Figure 3 is a graphic illustration of the production of astigmatism in a light beam
par l'usage de lentilles cylindriques croisées. by the use of crossed cylindrical lenses.
La Figure 4 est un graphique de la sortie élec- Figure 4 is a graph of the electrical output
trique du détecteur quadratique de la Figure 1 en fonc- of the quadratic detector of Figure 1 in function
tion de la distance entre le capteur de la présente in- tion of the distance between the sensor of this in-
vention et une surface de cible.vention and a target area.
La Figure 5 est une autre version de la présente Figure 5 is another version of this
invention représentée dans la Figure 2. invention shown in Figure 2.
La Figure 6 est une illustration schématique de l'utilisation de la présente invention pour obtenir un Figure 6 is a schematic illustration of the use of the present invention to obtain a
dessin du contour de surface d'un objet cible. drawing the surface contour of a target object.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Un capteur optique sans contact ayant une appli- A contactless optical sensor with an application
cation particulière dans la production de dessins de con- particular cation in the production of con-
tour de surface et la mesure de petites distances est surface tour and measuring short distances is
décrit. Dans la description suivante, donnée à titre ex- described. In the following description, given ex-
plicatif, de nombreux détails sont exposés sous forme many details are presented in the form
de quantités spécifiques, lentilles, matériaux et confi- specific quantities, lenses, materials and confi-
gurations afin de permettre une excellente compréhension gurations in order to allow an excellent understanding
de l'invention. Cependant, il est évident pour les spé- of the invention. However, it is evident to the spe-
cialistes que l'invention peut être mise en oeuvre sans les détails spécifiques. Dans d'autres cas, des composants bien connus comme des détecteurs, moyens de traitement électrique, etc., n'ont pas été décrits en détail afin specialists that the invention can be implemented without specific details. In other cases, well known components such as detectors, electrical processing means, etc. have not been described in detail in order to
de ne pas inutilement gêner la compréhension de l'inven- not to unnecessarily interfere with the understanding of the invention
tion. Si l'on se réfère brièvement à la Figure 1, la --6-- tion. If we refer briefly to Figure 1, the --6--
présente invention comprend un capteur, indiqué généra- present invention comprises a sensor, indicated generally
lement par le symbole 10, qui projette un faisceau lumi- symbol 10, which projects a light beam
neux astigmate 12 sur une surface de cible à reproduire astigmatic neux 12 on a target surface to reproduce
en dessin. La section du faisceau lumineux 12 a une for- in drawing. The section of the light beam 12 has a form
me qui varie en fonction de la distance la séparant du capteur 10. Comme le représente la-Figure, la forme du me which varies as a function of the distance separating it from the sensor 10. As shown in FIG., the shape of the
faisceau lumineux astigmate 12 est essentiellement circu- astigmatic light beam 12 is essentially circu-
laire à un point qui est défini comme étant le foyer cen- area at a point which is defined as the center hearth
tral (CF) du faisceau (Z=0). En amont (Z=-Zo)vers le cap- beam tral (CF) (Z = 0). Upstream (Z = -Zo) towards the cape-
teur 10, le faisceau lumineux 12 prend généralement la tor 10, the light beam 12 generally takes the
forme d'une ellipse orientée essentiellement verticale- shape of an ellipse oriented essentially vertical-
ment. La forme aval (Z=Zo) du faisceau astigmate 12 forme is lying. The downstream form (Z = Zo) of the astigmatic beam 12 forms
généralement une ellipse qui est orientée approximative- generally an ellipse which is oriented approximate-
ment à 90 par rapport à la forme amont. Comme il sera discuté, l'utilisation d'un faisceau astigmate permet de maintenir constante avec précision la distance entre le capteur 10 et la surface de cible, afin de produire le ment at 90 compared to the upstream form. As will be discussed, the use of an astigmatic beam makes it possible to precisely maintain the distance between the sensor 10 and the target surface constant, in order to produce the
dessin du contour d'une surface de cible. outline drawing of a target surface.
Si- l'on se réfère maintenant à la Figure 2, la If we now refer to Figure 2, the
structure de la présente invention sera maintenant décri- structure of the present invention will now be described
te. Le capteur optique sans contact 10 comprend une sour- you. The contactless optical sensor 10 comprises a source
ce lumineuse 14 qui peut comporter un laser, une diode photoémettrice ou similaire, pour produire de la lumière de la longueur d'onde désirée. La lumière produite 16 traverse une lentille collimatrice 17 pour obtenir des this light 14 which may include a laser, a light emitting diode or the like, to produce light of the desired wavelength. The light produced 16 passes through a collimating lens 17 to obtain
rayons essentiellement parallèles. Un astigmatisme provo- essentially parallel rays. A provocative astigmatism
qué artificiellement est introduit dans le faisceau lumi- that artificially is introduced into the light beam
neux 16 en utilisant une paire de lentilles cylindriques croisées 18 et 20. Comme le représente mieux la Figure 3, neux 16 using a pair of crossed cylindrical lenses 18 and 20. As best shown in Figure 3,
l'utilisation dans la présente invention de lentilles cy- the use in the present invention of cy-
lindriques croisées provoque l'astigmatisme désiré dans le faisceau 16, de sorte qu'il y a production au foyer crossed lindrics cause the desired astigmatism in beam 16, so that there is production at home
central (CF) du faisceau astigmate d'un spot essentielle- central (CF) of the astigmatic beam of an essential spot-
ment symétrique et circulaire. Ce foyer central est défini - f - symmetrical and circular. This central focus is defined - f -
par ZwO le long d'un axe des Z essentiellement perpendi- by ZwO along an essentially perpendicular Z axis
culaire aux lentilles 18 eL 20 qu'il traverse, -vmm* le Cular to the 18 eL 20 lenses it crosses, -vmm * the
représente la Figure 3. La forme du faisceau 16 en u'ont. represents Figure 3. The shape of the beam 16 in u'ont.
du foyer central (Z--Zo) est généralement une ellipse dont le plus grand axe sat orienté verticalement et se trouve parallèle ' l'axe longitudinal principal die a lentille cylindrique 20.. En aval du foyer qentral (3-+} Z la forme du faisceau' 16 prend une fois encore la foim9 générale d'une ellipce mais avec un plus grand axe *é"alés of the central focal point (Z - Zo) is generally an ellipse whose largest sat axis oriented vertically and is parallel to the main longitudinal axis die with a cylindrical lens 20 .. Downstream of the central focal point (3- +} Z la shape of the beam '16 once again takes the general form of an ellipce but with a larger axis * é "alés
d'environ 90' par rapport à celui de l'ellipse amont. about 90 'compared to that of the upstream ellipse.
Donc, la forme du faiseeau 16 en Z-+Zo est celle d'** ell1ipse dont le plus grand axe est généralement par*lt1 à l'axe longitudinal de la lentille cylindrique 18. La forme de la section du faisceau 16 dépend donc de la 4iis-, Therefore, the shape of the beam 16 in Z- + Zo is that of ** ell1ipse whose largest axis is generally by * lt1 to the longitudinal axis of the cylindrical lens 18. The shape of the section of the beam 16 therefore depends from 4iis-,
tance qui le sépare des lentilles croisées. L'on pelt se'. tance which separates it from crossed lenses. We pelt themselves.
rendre compte que, quoique la présente invention utilise des lentilles cylindriques croisées pour provoquer un astigmatisme artificiel, d'autres méthodes demblabl@ realize that, although the present invention uses crossed cylindrical lenses to cause artificial astigmatism, other methods can be
utilisant des combinaisons de lentilles ou éléments.seS- using combinations of lenses or elements.
blables peuvent aussi 4tre utiliseées pour arriver a à&-!i can also be used to arrive at & -! i
me résultat.me result.
Si nous nous référons à nouveau à la Figurt 2, apres avoir traversé les lentilles cylindriques croisées 18 et 20, le faisceau 16 est dirigé par exemple, pat le diviseur de faisceau 2S, sur une surface de clble 39 f If we refer again to Figurt 2, after having crossed the crossed cylindrical lenses 18 and 20, the beam 16 is directed for example, by the beam splitter 2S, on a surface of cable 39 f
dessiner. La surface 30 disperse le faisceau 16 selên 1l- draw. The surface 30 disperses the beam 16 selen 11l
nature de la surface. Par exemple, 'Si la surface dec ib est relativement lisse, une importante portion de nature of the surface. For example, 'If the surface of ib is relatively smooth, a large portion of
faisceau 16 sera réfléchie. Si la surface de cible 30. beam 16 will be reflected. If the target area 30.
est rugueuse ou piquée et non plane, le faisceau 16,ara' dispersé dans une certaine proportion. Ainsi qu'il PeWa di*çuté, quvique lez radt*ristiq4es de surface de la surface de cible 30 fassent varier la quantité de liet4 t -8- réfléchie, dispersée ou absorbée, la valeur de sortie ajoutée de la présente invention dépendra de la distance is rough or pitted and not planar, the bundle 16, ara 'dispersed in a certain proportion. As it PeWa di * çué, quvique lez radt * ristiq4es surface of the target surface 30 vary the amount of liet4 t -8- reflected, dispersed or absorbed, the added output value of the present invention will depend on the distance
séparant le capteur 10 de la surface 30. separating the sensor 10 from the surface 30.
La lumière dispersée en arrière 32, qui a été réfléchie par la surface de cible 30, est collectée par une lentille de traçage 34 et focalisée sur un détecteur The back scattered light 32, which has been reflected from the target surface 30, is collected by a tracing lens 34 and focused on a detector
quadratique 36 couplé à des circuits électroniques con- quadratic 36 coupled to electronic circuits con-
venables 37. Quoique la présente invention utilise une lentille de traçage 34 afin de recevoir le rayonnement dispersé par le faisceau 16 et qui est projeté sur la venables 37. Although the present invention uses a tracing lens 34 in order to receive the radiation dispersed by the beam 16 and which is projected onto the
surface de cible 30, il est évident que l'on peut utili- target surface 30, it is obvious that one can use
ser une grande variété de moyens collecteurs pour arri- a wide variety of collecting means for arriving
ver au même résultat.worm with the same result.
Comme le représente mieux la Figure 1, le dé- As best shown in Figure 1, the
tecteur quadratique 36 comprend quatre éléments photo- quadratic protector 36 includes four photo-
sensibles 40, 42, 44 et 46. Lorsque la distance entre sensitive 40, 42, 44 and 46. When the distance between
les lentilles cylindriques croisées 18 et 20 et la sur- the crossed cylindrical lenses 18 and 20 and the over-
face de cible 30 est égale à la distance au foyer central, la lumière dispersée vers l'arrière 32 focalisée sur le détecteur quadratique 36 forme un spot 35 essentiellement target face 30 is equal to the distance to the central focus, the light scattered towards the rear 32 focused on the quadratic detector 36 forms a spot 35 essentially
symétrique et circulaire. Donc, la sortie de chaque dé- symmetrical and circular. So the output of each die
tecteur quadratique sera essentiellement égale. Dans le cas o la surface de cible 30 tombe dans la portion amont quadratic tector will be essentially equal. In the case where the target surface 30 falls in the upstream portion
du faisceau astigmate 16 qui a une forme générale ellip- of the astigmatic beam 16 which has a general ellip-
tique avec un axe principal parallèle à l'axe Y (voir tick with a main axis parallel to the Y axis (see
Figure 3), la sortie combinée des quadrants 40 et 44 dé- Figure 3), the combined output of quadrants 40 and 44
passera celle des quadrants 42 et 46. A l'inverse, si la surface de cible tombe dans la portion aval du faisceau astigmate projeté ayant une section elliptique disposée généralement à 90 par rapport à la section amont, la valeur de sortie des éléments photosensibles 42 et 46 will pass that of quadrants 42 and 46. Conversely, if the target surface falls in the downstream portion of the projected astigm beam having an elliptical section generally disposed at 90 relative to the upstream section, the output value of the photosensitive elements 42 and 46
dépassera celle des éléments 40 et 44 du détecteur 36. will exceed that of elements 40 and 44 of detector 36.
Les valeurs de sortie des quatre éléments dé- The output values of the four elements
tecteurs sont additionnées et soustraites pour donner des tensions de la forme: tectors are added and subtracted to give tensions of the form:
Vout = KP-Vout = KP-
Vo = KP+ dans lesquelles K = facteur de proportionnalité Vo = KP + where K = proportionality factor
P- = P42 + P46 - P40 - P44P- = P42 + P46 - P40 - P44
P+ = P42 + P46 + P40 + P44P + = P42 + P46 + P40 + P44
et Pm = la puissance optique totale incidente sur chaque élément détecteur m, dans laquelle and Pm = the total optical power incident on each detector element m, in which
m = 40, 42, 44 ou 46.m = 40, 42, 44 or 46.
Si nous nous référons maintenant à la Figure 4, la sortie du capteur est prise comme étant le rapport If we now refer to Figure 4, the sensor output is taken as the ratio
Vout/Vo qui est représenté graphiquement comme une fonc- Vout / Vo which is represented graphically as a function-
tion de la distance entre la surface de cible 30 et le foyer central 16 du capteur 10. La distance depuis le tion of the distance between the target surface 30 and the central focus 16 of the sensor 10. The distance from the
point de foyer central du faisceau astigmate 16 est me- central focal point of the astigmatic beam 16 is me-
surée sur l'axe des abcisses dans la Figure 4, et le si- on the abscissa axis in Figure 4, and the
gnal de sortie du détecteur de quadrant normalisé comme general output of the quadrant detector normalized as
étant Vout/Vo est porté sur l'axe desordonnées. being Vout / Vo is carried on the coordinate axis.
Ainsi qu'on s'y attendait, la valeur de sortie du détecteur atteint un maximum lorsque le détecteur 36 se trouve près de l'un des foyers (Zo et Zo). Entre les deux foyers, elle est généralement linéaire et de valeur unique. A l'extérieur des deux foyers, le signal approche As expected, the detector output value reaches a maximum when the detector 36 is near one of the foci (Zo and Zo). Between the two foci, it is generally linear and of unique value. Outside the two homes, the signal is approaching
asymptotiquement de zéro.asymptotically from zero.
Quoique la version actuellement préférée de l'in- Although the currently preferred version of the
vention utilise un photodétecteur à quatre quadrants 36, vention uses a four quadrant photodetector 36,
il est évident que d'autres combinaisons d'éléments dé- it is evident that other combinations of elements
tecteurs sont possibles. Par exemple, la présente inven- tectors are possible. For example, the present invention
Z564602Z564602
-10- tion peut utiliser de façon satisfaisante un détecteur -10- tion can use a detector satisfactorily
à deux éléments. Dans ce cas-là, la sortie de chaque é- with two elements. In this case, the output of each é-
lément est comparée afin d'identifier la position du cap- the element is compared in order to identify the position of the cap-
teur 10 par rapport à la surface de cible 30, en se ba- 10 relative to the target surface 30, while basing
sant sur la nature du rayonnement dispersé arrière. Si nous nous référons maintenant à la Figure 5, health on the nature of the back scattered radiation. If we now refer to Figure 5,
une autre version de la présente invention est représen- another version of the present invention is shown
tée. Etant donné que de nombreux éléments comprenant la version de la Figure 5 sont essentiellement les mêmes tee. Since many elements comprising the version of Figure 5 are essentially the same
que ceux décrits en se référant à la Figure 2, on utili- than those described with reference to Figure 2, we use
sera dans un but de simplicité les mêmes numéros de ré- for simplicity's sake, the same re-
férence. La source lumineuse 14 produit le faisceau lu- ference. The light source 14 produces the beam
mineux 42 qui traverse les lentilles collimatrices 44 miners 42 which passes through the collimating lenses 44
pour projeter ce faisceau sur une surface de cible 30. to project this beam onto a target surface 30.
Le rayonnement dispersé arrière 50 réfléchi par la sur- The back scattered radiation 50 reflected by the over-
face 30 est dirigé par un séparateur de faisceau 52 ou face 30 is directed by a beam splitter 52 or
un élément identique sur les lentilles cylindriques croi- an identical element on the cross cylindrical lenses
sées 54 et 56. Comme dans la version de la Figure 2, les lentilles cylindriques croisées 54 et 56 provoquent un 54 and 56. As in the version of Figure 2, the crossed cylindrical lenses 54 and 56 cause a
astigmatisme artificiel dans le faisceau reçu 50 et foca- artificial astigmatism in the received beam 50 and foca-
lisent ce faisceau sur un détecteur de quadrant 36 cou- read this beam on a 36-quadrant detector
plé à des circuits électroniques appropriés. Comme cela plé to appropriate electronic circuits. Like this
a été précédemment décrit, le signal de sortie du détec- was previously described, the detector output signal
teur de quadrant 36 fournit des signaux qui indiquent la position du capteur 10 par rapport à la surface de cible quadrant 36 provides signals that indicate the position of sensor 10 relative to the target surface
30. On a trouvé que l'utilisation du système d'"astigma- 30. It has been found that the use of the "astigma-
tisme de réception" illustré dans la Figure 5 délivre un signal de sortie de détecteur qui est essentiellement le reception tism "illustrated in Figure 5 delivers a detector output signal which is essentially the
même que celui représenté à la Figure 4. Les deux ver- same as that shown in Figure 4. The two ver-
sions représentées dans les Figures 2 et 5 utilisent un sions shown in Figures 2 and 5 use a
astigmatisme artificiellement provoqué afin de faire va- artificially induced astigmatism in order to make
rier la forme géométrique d'un faisceau lumineux dirigé vers un détecteur de quadrant en fonction de la distance rier the geometric shape of a light beam directed towards a quadrant detector as a function of the distance
entre le capteur 10 et la surface de la cible. between the sensor 10 and the target surface.
-11- Si nous nous référons maintenant à la Figure 6, une application possible de la présente invention sera If we now refer to Figure 6, a possible application of the present invention will be
décrite. Le capteur 10 est représenté couplé par un en- described. The sensor 10 is shown coupled by a
semble de bras articulé 60 à une machine 62 à mesurer les coordonnées. Le bras articulé 60 comporte des coupla- ges 64, 66 et 68 à transducteurs pour permettre au bras de se déplacer dans trois dimensions (X, Y, Z). Pour obtenir un dessin du contour de la surface comprenant les coordonnées X, Y, Z pour les points placés sur une cible (par exemple l'avion 70), le bras articulé 60 est seems to articulate arm 60 to a machine 62 for measuring coordinates. The articulated arm 60 has couplings 64, 66 and 68 with transducers to allow the arm to move in three dimensions (X, Y, Z). To obtain a contour drawing of the surface including the coordinates X, Y, Z for the points placed on a target (for example the aircraft 70), the articulated arm 60 is
maintenu de façon à avoir une distance constante d'éloi- maintained so as to have a constant distance from
gnement "d" de la cible 70. Cette distance d est égale à la distance du foyer central du faisceau astigmate du capteur 10. Le signal de sortie de la présente invention à cette distance d'écartement est défini comme étant le point "zéro" (Z=O). Le signal de sortie du capteur 10 peut ensuite être utilisé pour commander la position du capteur de façon que le foyer central soit maintenu sur la surface de la cible. Donc, le bras articulé 60 peut être utilisé pour déplacer le capteur 10 sur la surface geometry "d" of the target 70. This distance d is equal to the distance from the central focus of the astigmatic beam of the sensor 10. The output signal of the present invention at this spacing distance is defined as the point "zero" (Z = O). The output from sensor 10 can then be used to control the position of the sensor so that the central focus is maintained on the surface of the target. So the articulated arm 60 can be used to move the sensor 10 on the surface
tout en maintenant un écartement constant. Les coor- while maintaining constant spacing. The co-
données pour (X, Y, Z) chaque point de la cible 70 au-des- data for (X, Y, Z) each point of target 70 above
sus desquelles passe le capteur 10 peuvent ensuite être obtenues par un traitement approprié des signaux délivrés par les transducteurs 64, 66 et 68 de sorte qu'un dessin du contour de la surface de la cible soit produit par above which the sensor 10 passes can then be obtained by appropriate processing of the signals delivered by the transducers 64, 66 and 68 so that a drawing of the outline of the surface of the target is produced by
rapport à un point de départ initial arbitrairement dé- compared to an arbitrarily chosen initial starting point
fini comme origine.finished as original.
On peut se rendre compte que, quoique la Figure 6 illustre une utilisation de la présente invention dans laquelle le capteur 10 est utilisé pour maintenir le bras articulé 60 à distance constante de la surface de la cible, ce capteur 10 peut également être utilisé pour -12- mesurer directement les variations de la surface de la It can be seen that, although Figure 6 illustrates a use of the present invention in which the sensor 10 is used to keep the articulated arm 60 at constant distance from the surface of the target, this sensor 10 can also be used for - 12- directly measure the variations in the surface of the
cible. La gamme de mesure du capteur 10 serait générale- target. The measurement range of sensor 10 would be general-
ment définie comme étant la distance entre les deux foyers -Zo et +Zo. Pour autant que la sortie du détecteur de quadrant 36 soit essentiellement linéaire entre cha- que foyer, de petites distances et de faibles variations de contour pourront être détectées. Donc, la présente ment defined as the distance between the two foci -Zo and + Zo. Provided that the output of the quadrant detector 36 is essentially linear between each focal point, small distances and small variations in contour can be detected. So this
invention a son utilité pour assurer le contrôle de qua- invention has its utility for ensuring the control of
lité pour des pièces à tolérances serrées, comme par ex- for parts with tight tolerances, such as
emple des engrenages, mémoires optique et magnétiques, etc. Pour avoir une meilleure précision, un traitement non linéaire peut être utilisé pour linéariser le signal example of gears, optical and magnetic memories, etc. For better accuracy, non-linear processing can be used to linearize the signal
sur une plus grande gamme de mesure. over a wider range of measurement.
Donc, un capteur optique amélioré sans contact So an improved non-contact optical sensor
a été décrit, capteur qui a des applications particuliè- has been described, a sensor which has particular applications
res pour l'utilisation dans le dessin des contours et les mesures de faibles distances. Le capteur est simple, res for use in contour drawing and short distance measurements. The sensor is simple,
fiable, et peut être aisément interfaçé avec les dispo- reliable, and can be easily interfaced with the devices
sitifs existants électriques et mécaniques de dessin de contours. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant aux Figures 1-6, il est évident que les Figures ne sont données que dans un but illustratif et ne doivent pas être considérées comme limitatives de l'invention. -13- existing electrical and mechanical contour drawing devices. Although the present invention has been described with reference to Figures 1-6, it is obvious that the Figures are given only for illustrative purposes and should not be considered as limiting the invention. -13-
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