WO2008023024A1 - Procede de mesure sans contact d'objets tridimensionnels a deux couches par ombroscopie optique a une seule vue - Google Patents
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Abstract
Procédé de mesure sans contact d'objets tridimensionnels à deux couches par ombroscopie optique à une seule vue. Selon l'invention, pour mesurer sans contact un objet tridimensionnel creux (32), cet objet étant translucide ou transparent vis-à-vis d'une lumière visible, on acquiert une image de l'objet par ombroscopie optique à une seule vue, suivant un axe de vue (34), en observant cet objet avec la lumière visible, cette image comprenant au moins une ligne lumineuse, on établit une équation qui relie au moins un paramètre opto-géométrique de l'objet à au moins un paramètre géométrique de la ligne lumineuse, on détermine ce paramètre géométrique, et l'on détermine le paramètre opto-géométrique à l'aide de l'équation et du paramètre géométrique ainsi déterminé.
Description
PROCEDE DE MESURE SANS CONTACT D'OBJETS
TRIDIMENSIONNELS A DEUX COUCHES PAR OMBROSCOPIE OPTIQUE
A UNE SEULE VUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de mesure, ou caractérisation, sans contact, d'objets tridimensionnels à deux couches par ombroscopie optique à une seule vue (en anglais, single-view backlit shadowgraphy) .
Ce procédé s'applique notamment : - à la mesure sans contact de la déformation ou de la rugosité de la surface interne d'un objet creux transparent, à deux couches,
- à la mesure des indices de réfraction d'un objet creux transparent isotrope, à deux couches, - à la mesure de l'épaisseur de la couche interne d'un objet creux transparent, à deux couches,
- à la mise en conformité de la couche interne d'un tel objet, à l'aide d'un contrôle par retour d'état, et - au calcul de la rugosité d'un tel objet, sur la base d'une reconstruction tridimensionnelle, par des méthodes d'analyse en harmoniques sphériques.
La mesure dimensionnelle sans contact d'un objet tridimensionnel creux à deux couches, qui est transparent ou du moins translucide vis-à-vis d'une lumière visible, présente de nombreuses difficultés.
Pour contourner ces difficultés, il est connu d'utiliser une technique de mesure par
ombroscopie optique. Cette technique s'applique à la caractérisation d'objets que l'on peut observer sous un seul angle de vue, notamment d'objets auxquels il est difficile d'accéder. Dans la présente invention, les objets caractérisés sont essentiellement des sphères creuses.
Cette invention permet d' approximer spatialement une zone de la surface interne d'un objet observé, à partir d'un cliché ombroscopique de cet objet, et de déterminer l'état de la surface interne d'un objet creux translucide à deux couches, à l'aide d'observations ombroscopique et interférométrique .
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît deux techniques permettant de mesurer l'épaisseur et le diamètre de sphères creuses, à savoir l' interférométrie et la radiographie X. Cette dernière n'est pas utilisable si l'objet est placé dans une infrastructure complexe et ne peut être manipulé depuis l'extérieur.
Certes, il existe des méthodes de reconstruction tridimensionnelle d'objets à l'aide d'une seule image, mais leur mise en œuvre suppose que ces objets présentent un grand nombre de symétries. En outre, la reconstruction est globale.
L' interférométrie est, quant à elle, une méthode précise qui peut être utilisée dans une infrastructure complexe, mais sa mise en œuvre est assez délicate.
On connaît en outre deux méthodes permettant la mesure d'objets tridimensionnels par ombroscopie optique, par les documents suivants auxquels on se reportera :
[1] demande internationale WO 2004/083772 A publiée le 30 septembre 2004, « Procédé de mesure d'objets tridimensionnels par ombroscopie optique à une seule vue »
[2] demande internationale WO 2006/030149 A publiée le 23 mars 2006, « Procédé de mesure d'objets tridimensionnels par ombroscopie optique à une seule vue, utilisant les lois optiques de la propagation de la lumière ».
La technique qui est divulguée par le document [1] nécessite la création systématique d'une table de données à partir de simulations effectuées au moyen d'un logiciel optique, cette table couvrant toute la gamme des dimensions des objets à observer. Les données de la table permettent de remonter, par interpolation, à une mesure dimensionnelle de l'objet. Plus la gamme des dimensions qui sont introduites dans la table de données est importante, plus la création de cette table est longue si l'on veut maintenir une certaine valeur de précision.
La technique divulguée par le document [2] est fondée sur les lois opto-géométriques de Snell- Descartes et ne fait qu'une approximation sommaire de l'état de la surface interne de l'objet creux que l'on veut caractériser. Dans cette technique, la courbe observée est directement exploitée comme étant la paroi interne de la couche interne de cet objet. De plus, la zone d'observation est limitée au plan équatorial de l'objet (qui est généralement sphérique) . Aucune reconstruction spatiale de la surface interne d'un objet creux n'a été effectuée à l'aide cette technique. En outre, aucune méthode de reconstruction spatiale n'est mentionnée dans le document [2] .
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
Elle concerne principalement la reconstruction tridimensionnelle de la paroi interne d'un objet à deux couches, sur une zone proche de l'équateur de cet objet, à partir d'une image ombroscopique de l'objet.
En complément à cette méthode de mesure optique sans contact, un autre moyen de caractérisation sur plusieurs points est mis en œuvre. Ainsi, une reconstruction tridimensionnelle globale de la paroi interne d'un objet à deux couches, qui est translucide ou transparent aux rayons lumineux, est effectuée.
Cette reconstruction tridimensionnelle est globale car toute la paroi interne est reconstruite. On
utilise, pour ce faire, des fonctions spéciales qui paramétrent une sphère déformée.
La méthode ombroscopique permet d' observer une zone qui est proche de l'équateur de l'objet. L' image observée en utilisant cette méthode doit être analysée. L'information se trouve dans l'anneau lumineux principal que comporte l'image et qui est l'intersection du plan d'observation avec une caustique . II existe une relation linéaire entre la déformation de l'anneau lumineux principal et les perturbations qui sont présentes sur la paroi interne de l'objet à deux couches. Cette relation établit une correspondance entre une information bidimensionnelle, obtenue à partir de l'image, et une information tridimensionnelle .
La reconstruction spatiale à partir d'informations bidimensionnelles est l'élément le plus important de la présente invention. Jusqu'à présent, personne n'avait cherché à établir un lien entre une caustique déformée et une perturbation de la paroi interne d'un objet creux.
Dans l'invention, la méthode interférométrique est utilisée pour mesurer directement l'épaisseur de la couche interne de l'objet et donc la déformation de cette couche interne. Or, cette méthode ne permet de faire des observations que sur une zone limitée de l'objet à deux couches car ce dernier est généralement placé dans un environnement complexe qui limite fortement les déplacements.
C'est pourquoi la reconstruction spatiale de la surface interne de l'objet à deux couches repose sur la fusion des données ombroscopiques et interférométriques . La fusion de données est donc un autre élément important de la présente invention, après la reconstruction spatiale à partir d'une image obtenue par ombroscopie optique.
De façon précise, la présente invention concerne un procédé de mesure sans contact d'un objet tridimensionnel creux, ayant ainsi une paroi interne, cet objet comprenant une couche externe et une couche interne, cet objet étant translucide ou transparent vis-à-vis d'une lumière visible, ce procédé étant caractérisé en ce que : - on acquiert une image de l'objet par ombroscopie optique à une seule vue, suivant un premier axe de vue, en observant cet objet avec la lumière visible, cette image comprenant au moins une ligne
(anneau ou bande) lumineuse, - on établit une équation qui relie au moins un paramètre opto-géométrique de l'objet à au moins un paramètre géométrique de la ligne lumineuse,
- on détermine ce paramètre géométrique, et on détermine le paramètre opto- géométrique à l'aide de l'équation et du paramètre géométrique ainsi déterminé.
Selon un mode de réalisation préféré du procédé, objet de l'invention : on effectue une reconstruction tridimensionnelle de la paroi interne de l'objet tridimensionnel sur une zone qui est proche de
l'équateur de cet objet, à partir de l'image de l'objet et de l'équation, cette reconstruction fournissant un premier ensemble de données, on détermine l'épaisseur de la couche interne de l'objet, on détermine un deuxième ensemble de données, relatives à la déformation de cette couche interne, à partir de l'épaisseur ainsi déterminée, et on effectue une reconstruction de la totalité de la paroi interne de l'objet, au moyen des premier et deuxième ensembles de données.
De préférence on établit une relation linéaire entre une déformation de la ligne lumineuse et des perturbations qui sont présentes sur la paroi interne de l'objet, pour déterminer le deuxième ensemble de données.
Selon un premier mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention, on détermine l'épaisseur de la couche interne de l'objet tridimensionnel par une technique interférométrique .
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, on détermine l'épaisseur de la couche interne de l'objet tridimensionnel par une mesure ombroscopique, effectuée suivant un deuxième axe de vue qui n'est pas parallèle au premier axe de vue.
Selon un troisième mode de réalisation particulier, on détermine l'épaisseur de la couche interne de l'objet tridimensionnel par une mesure ombroscopique, effectuée suivant le premier axe de vue, après avoir effectué une rotation de l'objet.
De préférence, on effectue la reconstruction de la totalité de la paroi interne de l'objet tridimensionnel en combinant les premier et deuxième ensembles de données par l'intermédiaire de la méthode des moindres carrés.
Selon un mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention, on détermine deux paramètres opto-géométriques, respectivement constitués par l'indice de réfraction de la couche interne et par l'indice de réfraction de la couche externe de l'objet tridimensionnel, à partir de deux paramètres géométriques, respectivement constitués par l'épaisseur de la couche interne et par l'épaisseur de la couche externe .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif d' ombroscopie optique qui est utilisable dans la présente invention, - la figure 2 montre le profil radial d'une image d' ombroscopie optique qui est obtenue lors de la mise en œuvre d'un procédé conforme à l'invention,
- la figure 3 est l'image de la surface interne d'un objet creux, que l'on a reconstruite par un procédé conforme à l'invention,
la figure 4 montre des coupes transversales de cette surface,
- la figure 5 est une vue schématique d'un autre dispositif d' ombroscopie optique qui est utilisable dans la présente invention,
- la figure 6 est une vue schématique d'un dispositif d' interféromètrie qui est utilisable dans l'invention, et les figures 7 et 8 illustrent schématiquement des dispositifs d' ombroscopie optique qui sont utilisés pour caractériser respectivement un cylindre creux et un ellipsoïde creux conformément à 1' invention .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention se caractérise (a) par une reconstruction en trois dimensions sur un petit voisinage proche de l'équateur de l'objet transparent que l'on veut caractériser et (b) par une fusion de données.
Ces données sont obtenues à la fois par un dispositif d' ombroscopie optique à une seule vue en lumière visible et par un dispositif interférométrique . L'observation de l'objet transparent par ombroscopie en lumière visible est associée à un modèle optique de propagation de la lumière, qui prend en compte les interactions de cette propagation aux diverses interfaces de l'objet. Ce principe de mesure permet de relier la mesure directe sur l'image, qui est obtenue par ombroscopie, aux déformations de la
surface interne de l'objet étudié et aux grandeurs dimensionnelles de cet objet.
L' ombroscopie optique est une méthode de mesure simple pour étudier des objets plans mais, pour des objets en trois dimensions, l'image obtenue par cette méthode ne fournit pas assez d'informations. En effet, l'image observée d'une coupe d'un objet n'est pas uniquement l'image de la coupe à travers l'objectif du dispositif d' ombroscopie : c'est l'image de la coupe à travers cet objectif et l'objet lui-même.
L'observation de l'objet par interférométrie permet de raccorder la mesure directe avec les caractéristiques dimensionnelles de l'objet.
La combinaison des mesures ombroscopiques aux mesures interférométriques par l'intermédiaire d'un algorithme fondé sur la méthode des moindres carrés donne une estimation spatiale de la surface interne de l'objet observé.
La complémentarité entre l' ombroscopie optique et l' interférométrie est plus simple à mettre en œuvre dans une structure complexe, où il n'y a qu'un seul axe de vue, contrairement à la tomographie qui est couramment utilisée dans ce cas (trois dimensions) mais nécessite d'observer l'objet sous plusieurs incidences, ce qui n'est pas possible dans le cas présent.
Une étude a été menée sur des sphères (objets sphériques) creuses à deux couches, dont toutes les caractéristiques sont connues, notamment l'indice optique et l'épaisseur de chaque couche, sauf éventuellement l'indice optique de la couche interne.
L' ombroscopie met en évidence des anneaux lumineux. Chacun de ceux-ci se caractérise par une concentration de rayons lumineux, appelée « caustique ». Une analyse de cette caustique établit un lien entre l'anneau lumineux observé correspondant et la surface interne de l'objet. Ceci permet d'exploiter la mesure directe sur l'image.
Un procédé de mesure conforme à l'invention est principalement fondé sur cette analyse ainsi que sur la combinaison des mesures par la méthode des moindres carrés.
On donne ci-après un exemple de mise en œuvre du procédé, objet de l'invention, pour un objet sphérique creux, plus simplement appelé « sphère creuse », qui comporte deux couches et qui est transparent à la lumière à la lumière visible.
Dans cet exemple, la première couche est une sphère creuse en polymère, dont le diamètre extérieur et l' épaisseur valent respectivement 2430 μm et 175 μm et dont l'indice optique vaut 1,54 à la longueur d' onde principale de la source de lumière visible ; et la seconde couche a une épaisseur de 100 μm et un indice optique de 1,16 à cette longueur d' onde . La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif d' ombroscopie optique qui est utilisable dans cet exemple et qui comprend une source collimatée de lumière visible 2, un objectif 4 et un écran 6. L'objet étudié 8 est placé entre la source 2 et l'objectif 4 ; sa couche externe a la référence 10 tandis que sa couche interne a la référence 12. On voit
aussi un rayon lumineux 14 qui va de la source à l'écran en passant par l'objet puis par l'objectif.
Considérons d'abord la caractérisation de l'anneau lumineux principal, c'est-à-dire de l'anneau lumineux qui est le plus visible sur une image réelle, obtenue par ombroscopie optique à une seule vue.
A partir d'une telle image, sur laquelle le principal anneau lumineux est donc visible, on peut former un profil radial de cette image, sur lequel cet anneau lumineux est repéré par un pic d'intensité.
Un tel profil est représenté sur la figure 2. Les numéros des pixels (pxl) sont portés en abscisse et les amplitudes (niveaux de gris) en ordonnée (I) . L'anneau lumineux principal est repéré par le pic P et la flèche B désigne le bord extérieur de l'objet. Le centre de l'objet correspond à l'axe des ordonnées.
L' anneau lumineux est dû à une concentration de rayons lumineux ayant suivi le même type de parcours optique en termes de réflexions et de transmissions. Dans le cas présent, le chemin optique qui est la cause de cet anneau lumineux correspond au trajet suivi par le rayon lumineux 14 de la figure 1.
La concentration de rayons lumineux est aussi appelée « caustique » et constitue l'enveloppe en trois dimensions de ces rayons lumineux. L'anneau lumineux principal est l'intersection de cette caustique avec le capteur du système d' observation que l'on dispose, en pratique, à la place de l'écran 6 de la figure 1. II est à noter que le capteur du système d' observation peut effectuer de petits déplacements le
long de l'axe d'observation, autour de sa position initiale. Un petit déplacement de ce type est noté u. L'axe d'observation est l'axe optique 16 de l'objectif 4 de la figure 1. Dans un cas idéal, la surface interne 18
(figure 1) de l'objet observé est une sphère parfaite et l'anneau lumineux observé est alors un cercle.
On considère l'application p —» Ru *(p) qui, à un rayon lumineux issu de la source 2 et situé à une distance p de l'axe optique 16, associe cette distance à l'intersection de ce rayon avec le capteur du système d'observation, après que ce rayon a traversé tout le système optique, constitué par l'objet 8 et l'objectif 4. On peut alors écrire :
où hv (p) et h2(p) sont des applications lisses , c' est-à-dire indéfiniment dif f érentiables sur R, qui dépendent uniquement du système optique . Elles sont données par :
H1 (P) = P cos 2ψ h2(p) = -hι(p) + tan2ψ avec ψ =
où next, nSχ , nS2 sont les indices optiques respectifs du milieu extérieur à l ' obj et , de la première sphère ( couche 12 de la figure 1 ) et de la seconde sphère ( couche 10 de la figure 1 ) ; rι , r2, ri sont les rayons respectifs des trois interfaces qui sont définies par l ' obj et à deux couches , T1 étant le rayon
extérieur de la couche externe 12, r2 le rayon intérieur de cette couche 12 (et donc le rayon extérieur de la couche 10) et r3 le rayon intérieur de la couche 10 ; et f représente la distance focale de l'objectif 4.
L' intersection de la caustique avec le plan du capteur a pour équation :
dp
Pour une position fixée du capteur, le paramètre p* est solution de l'équation précédente.
Ainsi, le rayon Rc de l'anneau lumineux principal idéal
(c'est-à-dire sans déformation de la surface interne
18) est tel que : R0=H1[P*).
On considère ci-après l'acquisition des mesures.
Des mesures interférométriques, effectuées sur l'objet à deux couches, au niveau de l'axe optique de l'objet et au voisinage des pôles de cet objet, à l'aide d'un dispositif interférentiel, fournissent directement la mesure de l'épaisseur de chaque couche.
Les images ombroscopiques contiennent, comme on l'a vu, un anneau lumineux qui est extrait par une méthode classique de détection de contours à résolution subpixellique (en anglais, subpixel contour détection) . Les mesures ombroscopiques sont obtenues en calculant la distance entre le centre de la surface externe de l'objet à deux couches et les points de détection de contours.
On considère maintenant l'analyse de 1' ombroscopie optique.
La paroi intérieure de l'objet à deux couches peut présenter des déformations de surface. Celles-ci sont modélisées par
- une perturbation S1 sur le rayon de la sphère qui décrit la paroi interne de l'objet, - une perturbation ε2 sur la normale à cette sphère, dans le plan [P) qui est déterminé par le point de réflexion du rayon lumineux sur la paroi interne de l'objet et par l'axe optique 16 de l'objectif 4 de la figure 1, le centre O de l'objet étant sur cet axe, et
- une perturbation ε3 sur la normale, dans le plan (Q) qui est perpendiculaire au plan (P) .
On désigne par η1 une expression d'ordre i par rapport aux perturbations ει,ε2,ε3 et à leurs dérivées premières.
Soit /)ËR et & e [θ,2;r[ les coordonnées polaires du rayon lumineux sortant de la source de lumière collimatée dans un plan perpendiculaire à l'axe optique.
Soit ReR et a e [θ,2;r[ les coordonnées polaires du rayon lumineux qui intersecte le capteur du système d' observation dans le propre plan de ce capteur . Soit R \p) le rayon de l'anneau lumineux
dans le cas idéal, c'est-à-dire sans aucune perturbation sur la surface interne de l'objet à deux couches .
On suppose que les perturbations ει,ε2,ε3 sont C1 petites, ce qui veut dire qu'elles sont de classe C1 sur R2 et que ces perturbations ainsi que leurs dérivées premières sont petites.
Compte tenu de la symétrie axiale du système optique et de la continuité des perturbations, les coordonnées polaires (R, α) du rayon lumineux intersectant le plan du capteur du système d'observation peuvent s'écrire de la façon suivante :
L'équation de la caustique se calcule
toujours à partir de l'équation suivante: —^^ = 0. dp
On peut donc écrire : 3(p,a) = a -a3(p)ε3(p,a)+η2.
Ainsi, l'équation de tout rayon lumineux sortant du système optique et intersectant le plan d'observation (plan du capteur) est défini de la façon suivante :
l'équation de R dans le système de coordonnées (p,a) est:
R{p , 3) = R*(p ) +
3) + a2{p ]ε2{p , &) + η2
- et l'équation de la caustique est
toujours donnée par dans ce système de
coordonnées .
Il convient de noter que la perturbation ε3 n'a aucune influence sur le rayon de l'anneau lumineux au premier ordre. Il en résulte que l'équation de l'anneau lumineux déformé (caustique perturbée) dans le système de coordonnées (p,α) s'écrit à l'ordre 1 :
Rc(α)=R* (p*)+ai(p*)εi(p\α)+a2(ρ*)ε2(ρ*,α)+r|2.
La relation qui précède est très importante, puisque c'est à partir de celle-ci que s'effectue l'exploitation des mesures sur l'image d' ombroscopie optique. Cette relation permet de recueillir toute l'information concernant les déformations εx\p*,α) et ε2yp*,α) de la sphère idéale.
Il existe aussi une relation entre les perturbations ελ\p,&) et ε^\p,&) qui est la suivante :
où φ" est l'angle compris entre le point de réflexion sur la surface interne 18 de la couche 10 et l'axe optique, dans le plan [P) .
II est donc possible de reconstruire Syp*,a) au premier ordre, en fonction de l'angle a qui est l'angle observé. Toutefois, pour l'application qui suit, cette correction n'est pas prise en compte car elle n'a aucune influence significative sur le résultat final .
On considère maintenant l'estimation spatiale de la surface interne de l'objet à deux couches.
Les données fournies par la méthode d' ombroscopie optique et la méthode d' interférométrie renseignent sur l'état de surface de la paroi interne de l'objet à deux couches. Il faut donc réconcilier les mesures afin d'estimer la déformation qui affecte la surface interne de cet objet.
Pour la suite du procédé conforme à l'invention, il faut considérer l'angle θ comme précédemment et lui associer un autre angle φ afin de former un système de coordonnées de type coordonnées d'Euler, ayant pour origine le centre O de l'objet.
Les déformations d'une sphère sont généralement modélisées par des harmoniques sphériques ^(i!?,^), avec zeN. A ce sujet on se reportera au document suivant :
[3] H. Groemer, Géométrie applications of Fourier séries and spherical harmonies, Cambridge University Press, 1996.
II est donc naturel de considérer la topographie (ou déformation) ε{β,φ) de la surface interne comme étant une combinaison linéaire d'harmoniques sphériques :
où n est un entier naturel (fini) . Ainsi obtient-on des relations linéaires entre les mesures et la perturbation de l'état de surface interne, ces relations linéaires ayant pour inconnues les amplitudes X1 avec i=l,...,n.
Il convient de noter que, dans ce qui précède, les perturbations ει,ε2,εi sont indépendantes. Or, dans l'exemple considéré de l'invention, la déformation ε{β,φ) correspond à la perturbation 8^3,Cp), et les deux autres perturbations 82 et 83 sont liées à la première Si. Ceci revient à dire que ε{&,φ) détermine totalement les perturbations ει,ε2,ε3. Comme on l'a expliqué auparavant,
1' ombroscopie optique met en relation les mesures directes sur l'image et la déformation qui est présente sur la paroi interne de l'objet. De plus, on considère que le rayon issu de la source de lumière collimatée, qui est responsable de la formation de l'anneau lumineux, ne sort pas du plan osculateur initial. La déformation considérée est alors:
Cette égalité induit un système d'équations
linéaires dont les variables sont les X1, avec i=l,...,n.
Le nombre d'équations de ce système est le nombre d'angles a qui sont pris en considération, et les valeurs du rayon de l'anneau lumineux proviennent de la détection de contours qui a été mentionnée plus haut.
En utilisant la méthode des moindres carrés, on évalue la déformation sur la normale et la variation d'épaisseur sur la paroi interne de l'objet à deux couches. L' interférométrie relie directement la variation d'épaisseur dans la zone observée à la combinaison linéaire d'harmoniques sphériques, puisque la mesure d' interférométrie est une lecture simple de la déformation de la paroi interne. Ainsi, en recombinant les mesures obtenues par les méthodes d' interférométrie et d' ombroscopie optique, par un algorithme fondé sur la méthode des moindres carrés, on obtient une estimation globale de l'état de surface de la paroi interne de l'objet à deux couches.
Les figures 3 et 4 illustrent un exemple de reconstruction spatiale de la paroi interne d'un objet à deux couches, que l'on a effectuée conformément à l'invention. La figure 3 est une image de la surface reconstruite et la figure 4 représente des coupes transversales I et II de cette surface. Les figures montrent les déformations accentuées car elles ne sont pas visibles à l'œil nu. On a vérifié que l'estimation obtenue se superpose à la surface réelle. On a donc vu, dans la présente invention, que l'analyse effectuée sur la méthode d' ombroscopie
optique permet de relier la déformation de l'anneau lumineux (déformation en deux dimensions) à la déformation qui est présente sur la surface interne de l'objet creux, translucide ou transparent, à deux couches (information tridimensionnelle) . Il convient également de noter que les procédés connus ne traduisent pas une information bidimensionnelle en une information tridimensionnelle à l'aide d'une seule vue.
L'association d'une méthode de mesure par ombroscopie optique à une méthode d' interférométrie permet d'évaluer la rugosité de la surface interne d'un objet creux translucide ou transparent, à deux couches. A l'aide de ces deux méthodes, que l'on met en œuvre à des endroits différents, des informations dimensionnelles sont fusionnées.
Dans l'invention, il est possible de remplacer la mesure d' interférométrie par une deuxième mesure d' ombroscopie, effectuée suivant un axe de vue qui n'est pas parallèle à celui suivant lequel la première mesure d' ombroscopie a été effectuée. De plus, si l'observation effectuée suivant le deuxième axe de vue n'est pas complète mais s'effectue à travers des fentes, l'interprétation des mesures ombroscopiques restera identique. II est également possible de remplacer la mesure d' interférométrie par une deuxième mesure d' ombroscopie optique, effectuée suivant l'axe de vue qui a été utilisé pour la première mesure d' ombroscopie optique, à condition d'effectuer cette deuxième mesure après avoir fait tourner l'objet sur lui-même.
Ainsi, la rotation de l'objet sur lui-même
et l'utilisation d'un seul axe de vue d' ombroscopie permettent encore l'utilisation de la méthode précédemment décrite, à savoir l'analyse de l'image de la caustique permettant de remonter aux informations tridimensionnelles, puis la réconciliation des données afin de reconstituer une estimation tridimensionnelle complète de l'état de surface interne.
On décrit ci-après un dispositif d' ombroscopie et un dispositif d' interférométrie permettant la mise en œuvre du procédé, objet de 1' invention .
Le dispositif d' ombroscopie est schématiquement représenté sur la figure 5 et comprend une source 19 de lumière visible, des moyens 20 de collimation réglables de cette source et des moyens d'acquisition d'images, comportant une optique 22 qui est munie de moyens 24 de variation de l'ouverture numérique de cette optique (ou qui possède l'ouverture numérique adéquate) . Cette dernière est suivie par un capteur
CCD 26 (dispositif à transfert de charge) qui est muni de moyens 28 de traitement d'images, auxquels est associé un dispositif d'affichage 30.
Une sphère creuse à double couche 32, que l'on veut étudier, est placée entre la source 19 et l'optique 22, de façon que le centre de la sphère soit sensiblement placé sur l'axe optique 34 de l'optique 22. Cet axe 34 constitue l'axe de vue, suivant lequel on acquiert l'image de l'objet. L'optique 22 permet de former l'image d'un plan de coupe de la sphère creuse 32 sur le capteur CCD 26.
La figure 6 est une vue schématique du dispositif d' interférométrie . Il s'agit, plus précisément, d'un dispositif de spectroscopie interférentielle pour la mesure d'épaisseurs sans contact.
Ce dispositif comprend une source de lumière blanche 35, un ensemble de lentilles de mise en forme 36, un télescope 38, une fibre optique 40 de transmission de signal, un spectromètre 42 et un ordinateur 44.
La source de lumière 35 est utilisée pour éclairer l'objet à caractériser 46. Le faisceau d' éclairement fourni par cette source est transmis par une fibre optique 48 et mis en forme par l'ensemble de lentilles 36, de façon à adapter le profil de ce faisceau à la géométrie de l'objet à étudier.
Le télescope 38, par exemple du genre de celui qui est commercialisé par la société Questar sous la référence QMlOO, est utilisé pour éclairer l'objet à analyser et pour collecter la lumière réfléchie. Le télescope QMlOO autorise une distance de travail D allant de 15 cm à 38 cm.
A la sortie du télescope, le signal lumineux réfléchi est injecté dans la fibre optique 40 et acheminé jusqu'au spectromètre 42 pour faire l'acquisition d'un spectre cannelé. Un injecteur 50 est prévu pour injecter la lumière issue de la fibre 40 dans le spectromètre.
Le spectre cannelé est transmis jusqu'à l'ordinateur 44 pour être analysé. Cet ordinateur est muni de moyens 52 d'affichage des résultats obtenus.
Revenons sur des aspects essentiels de la présente invention. Cette dernière porte essentiellement sur une méthode qui est utilisée pour déterminer la déformation de la surface interne d'un objet à deux couches et dont les éléments essentiels sont :
- une analyse du phénomène physique appelé « caustique », contenant l'information sur la déformation de la surface interne, cette caustique étant définie par le bord intérieur de l'anneau lumineux que comporte l'image de l'objet, obtenue par ombroscopie optique, une détermination de l'information observée par la chaîne d' ombroscopie optique, la perturbation bidimensionnelle de l'anneau lumineux donnant une information tridimensionnelle sur la déformation de la surface interne de l'objet, et
- une élaboration du principe de fusion des mesures physiques incomplètes (utilisation de la méthode des moindres carrés et modélisation adéquate des déformations de la paroi interne de l'objet) .
On décrit ci-après d'autres applications de 1' invention .
Un procédé conforme à l'invention, du genre de celui qui a précédemment décrit pour la caractérisation de la déformation de sphères creuses à deux couches peut être mis en œuvre pour la caractérisation de la déformation de cylindres creux à deux couches. La même source lumineuse et la même chaîne d'acquisition d'images peuvent être utilisées, comme le
montre schématiquement la figure 7 où le cylindre a la référence 54. Deux bandes blanches, qui sont liées à la surface interne du cylindre à deux couches, apparaissent alors sur l'image ombroscopique . Il est alors nécessaire de reconsidérer une modélisation des perturbations .
Le même procédé peut également être mis en œuvre pour la caractérisation de la déformation d'ellipsoïdes creux à deux couches.
La même source lumineuse et la même chaîne d'acquisition d'images peuvent encore être utilisées, comme le montre schématiquement la figure 8 où l'ellipsoïde a la référence 56. Il apparaît alors, sur l'image ombroscopique, une bande blanche qui est liée à la surface interne de l'ellipsoïde à deux couches. Il est alors encore nécessaire de reconsidérer une modélisation des perturbations.
Le même procédé peut aussi être mis en œuvre pour la caractérisation de la déformation de sphéroïdes creux à deux couches.
La même source lumineuse et la même chaîne d'acquisition d'images peuvent encore être utilisées. Il apparaît aussi, sur l'image ombroscopique, une bande blanche qui est liée à la surface interne du sphéroïde à deux couches. Il est alors encore nécessaire de reconsidérer une modélisation des perturbations.
La présente invention s'applique également à la caractérisation des indices de réfraction d'objets à deux couches : en utilisant la relation que l'on a
donnée plus haut et qui définit le rayon de l'anneau lumineux, on peut déterminer l'indice de réfraction optique de chacune des deux couches dont on déterminera au préalable les dimensions au moyen d'un autre système de mesure.
Il est aussi possible de déterminer l'indice optique de chacune des couches en utilisant un autre anneau lumineux de l'image obtenue par ombroscopie optique. Ainsi, à partir d'un seul cliché ombroscopique, les indices optiques d'un objet à deux couches idéal, c'est-à-dire sans petites déformations, sont caractérisés.
Claims
1. Procédé de mesure sans contact d'un objet tridimensionnel creux (8, 32, 46, 54, 56), ayant ainsi une paroi interne (18), cet objet comprenant une couche externe (12) et une couche interne (10), cet objet étant translucide ou transparent vis-à-vis d'une lumière visible, ce procédé étant caractérisé en ce que : on acquiert une image de l'objet par ombroscopie optique à une seule vue, suivant un premier axe de vue (34), en observant cet objet avec la lumière visible, cette image comprenant au moins une ligne lumineuse, on établit une équation qui relie au moins un paramètre opto-géométrique de l'objet à au moins un paramètre géométrique de la ligne lumineuse,
- on détermine ce paramètre géométrique, et on détermine le paramètre opto- géométrique à l'aide de l'équation et du paramètre géométrique ainsi déterminé, dans lequel on effectue une reconstruction tridimensionnelle de la paroi interne (18) de l'objet sur une zone qui est proche de l'équateur de cet objet, à partir de l'image de l'objet et de l'équation, cette reconstruction fournissant un premier ensemble de données, on détermine l'épaisseur de la couche interne (10) de l'objet, on détermine un deuxième ensemble de données, relatives à la déformation de cette couche interne, à partir de l'épaisseur ainsi déterminée, et on effectue une reconstruction de la totalité de la paroi interne (18) de l'objet, au moyen des premier et deuxième ensembles de données.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on établit une relation linéaire entre une déformation de la ligne lumineuse et des perturbations qui sont présentes sur la paroi interne (18) de l'objet, pour déterminer le deuxième ensemble de données .
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on détermine l'épaisseur de la couche interne (18) de l'objet par une technique interférométrique .
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on détermine l'épaisseur de la couche interne (18) de l'objet par une mesure ombroscopique, effectuée suivant un deuxième axe de vue qui n'est pas parallèle au premier axe de vue (34) .
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on détermine l'épaisseur de la couche interne (18) de l'objet par une mesure ombroscopique, effectuée suivant le premier axe de vue (34), après avoir effectué une rotation de 1' objet.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on effectue la reconstruction de la totalité de la paroi interne (18) de l'objet en combinant les premier et deuxième ensembles de données par l'intermédiaire de la méthode des moindres carrés.
7. Procédé de mesure sans contact d'un objet tridimensionnel creux (8, 32, 46, 54, 56), ayant ainsi une paroi interne (18), cet objet comprenant une couche externe (12) et une couche interne (10), cet objet étant translucide ou transparent vis-à-vis d'une lumière visible, ce procédé étant caractérisé en ce que : on acquiert une image de l'objet par ombroscopie optique à une seule vue, suivant un premier axe de vue (34), en observant cet objet avec la lumière visible, cette image comprenant au moins une ligne lumineuse, on établit une équation qui relie au moins un paramètre opto-géométrique de l'objet à au moins un paramètre géométrique de la ligne lumineuse,
- on détermine ce paramètre géométrique, et - on détermine le paramètre opto- géométrique à l'aide de l'équation et du paramètre géométrique ainsi déterminé, dans lequel on détermine deux paramètres opto-géométriques, respectivement constitués par l'indice de réfraction de la couche interne (10) et par l'indice de réfraction de la couche externe (12), à partir de deux paramètres géométriques, respectivement constitués par l'épaisseur de la couche interne et par l'épaisseur de la couche externe.
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