solutions

rents points d’une chaîne de fabrication.
Les techniques optiques se déclinent en de
multiples variantes (pour plus de détails, voir
le “Hors texte” à la fin de cet article). La
microscopie confocale est de celles-là.
La microscopie confocale est une technique
coaxiale, ce qui veut dire que le faisceau inci-
incontournable lorsque l’on a affaire à des
objets fragiles ou déformables. Mais la plupart
du temps, c’est pour leur aptitude à réaliser
des contrôles à grande vitesse que les capteurs
et systèmes optiques sont les plus appréciés.
C’est le cas notamment lorsqu’il s’agit de réa-
liser des contrôles qualité à 100% en diffé-
L
a demande, tant
de la part des
industriels que
des laboratoires
de recherche, en équi-
pements de caractérisa-
tion d’états de surfaces
ainsi que de numérisa-
tion 3D s’est particulière-
ment développée au cours
des dernières années. Cet-
te évolution s’explique en
grande partie par les
énormes progrès accomplis par les techniques
optiques. Celles-ci sont depuis longtemps sor-
ties des applications de laboratoire et sont pré-
sentes dans les ateliers et sur les chaînes de
production. Elles présentent deux points forts :
le contrôle se fait sans contact et la vitesse de
mesure est élevée. Dans les applications, une
seule de ces caractéristiques se révèle souvent
décisive. Le “sans contact” est par exemple
Destinée à la mesure d’états de
surface, l’imagerie confocale à
champ étendu présente de mul-
tiples intérêts : possibilité d’accé-
der en tous points d’objets de
formes complexes (pas de
risques de masquages), pro-
fondeur de champ attei-
gnant quelques milli-
mètres avec une
résolution de
100 nm, possibilité
de réaliser des
“coupes optiques”
à une profondeur quel-
conque d’un objet transparent sans être gêné par
les autres parties de l’objet, vitesse de mesure élevée (jusqu’à 1000 points par seconde), etc.
MESURES 719 - NOVEMBRE 1999 85
SOLUTIONS
MESURES PHYSIQUES
L’OPTIQUE ACCÉLÈRE
LE CONTRÔLE
D’ÉTATS DE SURFACE
■ Les techniques optiques sont aujourd’hui couramment utilisées pour mesurer la rugosité et plus géné-
ralement les micro-reliefs présents à la surface des objets. Cet engouement s’explique largement par la
disponibilité de logiciels de traitement sur PC, permettant d’obtenir des images très réalistes. Il
s’explique aussi par la mise en œuvre de nouvelles techniques de mesure. L’imagerie confocale à champ
étendu que nous vous présentons ici est de celles-là. Elle présente un double intérêt. Tout d’abord, elle
réalise des mesures axiales, autrement dit le faisceau de mesure a le même axe que le faisceau d’éclaira-
ge, ce qui permet d’aller “au fond des trous”. Ensuite, la profondeur de champ est relativement importan-
te, ce qui évite d’avoir à repositionner en permanence le capteur (d’où une vitesse de mesure élevée).
Doc. Stil

MESURES 719 - NOVEMBRE 1999
86
SOLUTIONS
dent et le faisceau renvoyé par l’objet observé
ont le même axe (à la différence des tech-
niques de triangulation). Contrairement à la
microscopie conventionnelle qui permet
d’imager simultanément tous les points d’un
champ objet, la microscopie confocale
n’observe qu’un seul point à la fois, le champ
étant nécessairement reconstruit par balaya-
ge. Cette nouvelle technique se caractérise
essentiellement par un double filtrage spatial
qui permet d’éclairer un seul point de l’objet
et de détecter en retour la lumière diffusée
et/ou réfléchie provenant uniquement de ce
point. Au-delà de ce principe général, la socié-
té française Stil a déposé un brevet sur une
technique de codage chromatique de la lumiè-
re reçue, ce qui permet de travailler sur un
champ étendu et évite donc à devoir dépla-
cer le capteur entre deux mesures successives.
Avant d’aller plus loin dans les fondements de
cette technique, deux exemples concrets d’appli-
cations réalisées sur le terrain permettent de se
faire une bonne idée de ses possibilités.
Mesure de puissance de verres optiques. La
Guilde des Opticiens Lunetiers de France approvisionne
ses verres progressifs auprès des meilleurs fabri-
cants mondiaux (Essilor, Sola Optical,…) afin de les
mettre à la disposition des optométristes affiliés
à l’enseigne Krys qui réalisent au quotidien les
lunettes de vue que portent beaucoup d’entre
nous. La dynamique de puissance correctrice
nécessaire pour chaque œil est donnée par le
profil asphérique progressif, souvent très com-
plexe, de la face antérieure du verre.
Le très grand nombre de verres progressifs
proposés était plutôt mal documenté en
termes de spécifications techniques et de “car-
tographie” des performances. La Guilde effec-
tuait donc des contrôles, notamment celui du
pouvoir correcteur des verres progressifs : elle
utilisait pour cela un frontofocomètre, qui
donne une mesure intégrée de la puissance.
Souhaitant disposer d’une caractérisation
beaucoup plus fine, elle a décidé de sous-trai-
ter les contrôles à Stil. Il ne s’agit pas, certes,
d’un contrôle systématique de tous les verres
approvisionnés mais plutôt d’une étude
exhaustive des différents types de verres asphé-
riques progressifs proposés sur le marché et de
la validation de leur adéquation aux besoins
spécifiques, très divers, de la clientèle.
La Station Micromesure développée et com-
mercialisée par la Stil réalise la numérisation 3D
précise de la face asphérique du verre pour
établir deux cartographies, l’une de puissan-
ce, l’autre d’astigmatisme. Cet équipement est
constitué d’un capteur point CHR 150 fonc-
tionnant sur le principe de l’imagerie confocale
à champ étendu (300 µm de profondeur de
champ de codage instantané, 0,01µm de réso-
lution axiale) interfacé à une centrale de trans-
lation “3 axes”, l’axe z étant équipé d’une règle
optique haute résolution.
Mesure d’épaisseur de vernis alimentaires.
Les boîtes de conserve et boîtes de boissons
sont revêtues intérieurement d’un vernis “ali-
mentaire” très fin (épaisseur comprise entre 5
et 20 µm). Lors de l’emboutissage pour la réa-
lisation des différents types de conditionne-
ment, ce vernis se déforme et les aciéristes,
pour optimiser leurs procédés de fabrication,
doivent pouvoir suivre l’évolution de son
épaisseur en fonction de la déformation du
métal et du design final de la boîte. Tradi-
tionnellement, ils utilisent (hors procédés
“exotiques”) deux méthodes : la mesure
directe de l’épaisseur sur la tranche (parfois
imprécise car le vernis se “coupe” mal) et la
mesure pondérale par double pesée de la char-
ge (non verni, verni) exprimée en g/m
2
.
Pour procéder à la mesure directe après
emboutissage de l’épaisseur du vernis “ali-
mentaire”, le Laboratoire d’Etudes et de Déve-
loppement des Produits Plats (LEDEPP) de la
Sollac à Thionville utilise depuis trois ans un
Lame semi-
réfléchissante
P
S
L
M
Paires
de photodiodes
objectif
mobile
signal d’erreur
de focalisation
boîtier
électronique
cube séparateur
Laser
Un pinceau lumineux issu d'une source ponctuelle du type
diode laser est focalisé à l'aide d'un objectif mobile de
grande ouverture numérique, sur la surface à mesurer.
Un cube séparateur, muni d'un biprisme, renvoie de façon
égale la lumière rétrodiffusée par l'objet sur deux paires
de photodiodes. Ces photodiodes fournissent un signal
de sortie qui est un signal d'erreur de focalisation.
Lorsque l'objet à mesurer se situe exactement au point
de focalisation de l'objectif mobile, l'intensité reçue par
les photodiodes est la même. Lorsque l'objet se déplace
verticalement de ±
∆z, la quantité de lumière reçue par
les photodiodes varie proportionnellement au déplacement
∆z. Ceci permet d'asservir la position de l'objectif mobile
de façon à maintenir le point de focalisation sur la surface
à mesurer. Un transducteur de déplacement couplé à cet
objectif enregistre la position de ce dernier et permet donc
d’en déduire la hauteur du point mesuré.
DÉTECTION À FOCALISATION DYNAMIQUE ET DÉTECTION CONFOCALE
DÉTECTION PAR FOCALISATION DYNAMIQUE
On réalise ici un double filtrage spatial
qui permet d'éclairer un seul point de l'objet et de détecter en
retour la lumière diffusée et/ou réfléchie provenant uniquement
de ce point. Un point source S (premier filtre spatial) traverse
l’objectif L pour atteindre le point M de l’objet. La lumière
renvoyée par le point M traverse en retour inverse l'objectif L
et après réflexion sur une lame semi-réfléchissante atteint
le second filtre spatial P. La lumière provenant d'un point situé
axialement au-dessus ou au-dessous de M est filtrée par
le diaphragme P. Il est ainsi possible de réaliser une
"coupe optique" à une profondeur quelconque d'un objet
transparent sans être gêné par les autres parties de l'objet.
Cette propriété de "coupe optique", ainsi qu'une résolution
latérale meilleure que celle offerte en microscopie
conventionnelle (tache de diffraction plus petite), sont les deux
avantages majeurs de la microscopie confocale.
DÉTECTION EN MICROSCOPIE CONFOCALE
commande
de déplacement
de l’objectif
Ce schéma présente deux techniques de relevé point à point de la surface d’un objet. Toutes
deux font appel à un capteur coaxial, autrement dit les voies d’éclairage et d’observation ont le
même axe. Mais il y a une différence importante. Le schéma du haut présente l’approche clas-
sique qui consiste à positionner le capteur (ou l’objectif) de façon à focaliser le faisceau indicent
sur le point de mesure. Ce positionnement doit être refait à chaque point de mesure. Avec la
microscopie confocale à champ étendu, cette opération n’est pas nécessaire. On gagne en
temps de mesure (au prix d’un traitement du signal plus complexe). Doc. Stil

MESURES 719 - NOVEMBRE 1999 87
SOLUTIONS
ensemble Micromesure de Stil, comportant un
capteur optique CHR 150 interfacé à une cen-
trale informatisée de translation/rotation
“5 axes” Selon Gabriel Pennera, responsable
revêtements d’aciers pour emballages du
LEDEPP, le CHR 150 présente plusieurs avan-
tages :
«La mesure est rapide, non destruc-
tive, elle permet de suivre l’évolution de
l’épaisseur le long d’une génératrice ou d’un
diamètre. De plus, alors que les mesures pon-
dérales ne sont précises que sur de grandes
surfaces de 10 à 20cm
2
, on effectue désor-
mais des mesures sur des zones de l’ordre
du mm
2
» .
Actuellement, le CHR 150 est utilisé en R et D
pour améliorer l’emboutissage.
«Il suffirait
de peu de chose pour l’adapter au suivi et au
contrôle de production»
, estime M. Pennera.
On le voit à travers ces deux exemples réalisés
dans des secteurs très différents, la microsco-
pie confocale à champ étendu a d’ores et déjà
fait ses preuves. Les principes utilisés sont rela-
tivement simples.
On l’a dit, la microscopie confocale compor-
te un double filtrage spatial (voir schéma
“Détection à focalisation dynamique et détec-
tion confocale”). Il est ainsi possible de réali-
ser une “coupe optique” à une profondeur
quelconque d’un objet transparent sans être
gêné par les autres parties de l’objet. Cette
propriété de “coupe optique”, ainsi qu’une
résolution latérale meilleure que celle offerte
en microscopie conventionnelle (tache de dif-
fraction plus petite), sont les deux avantages
majeurs de la microscopie confocale.
Un principe relativement simple
et “robuste”
Lorsque l’on recherche de la précision, il exis-
te une technique classique, connue sous le
nom de “focalisation dynamique”: celle-ci
consiste à déplacer mécaniquement le long
de son axe la lentille de focalisation de façon
à ce que le faisceau incident soit focalisé très
précisément sur le point mesuré. L’équipe-
ment comporte donc des parties en mouve-
ment, ce qui est évidemment un inconvénient
(en termes de fiabilité, de vitesse de mesure
notamment).
Avec le codage “chromatique”, ces inconvé-
nients sont supprimés : on obtient une pré-
cision élevée sur une grande profondeur de
champ, tout en n’ayant aucune pièce en mou-
vement. Pour cette raison, Stil parle de micro-
scopie confocale à champ étendu.
La microscopie confocale à champ étendu.
Le codage chromatique de l’espace de mesu-
re est beaucoup plus précis et nettement plus
“robuste” (insensibilité à la lumière parasite)
que le codage “photométrique”habituelle-
ment utilisé (notamment dans les appareils
photographiques autofocus).
Le codage chromatique utilise l’éclatement
spectral d’une source de lumière blanche pour
coder l’espace de mesure, le décodage étant
réalisé soit au moyen de filtres larges bandes
soit au moyen d’un spectrographe.
Le codage chromatique est réalisé en mettant
à profit le chromatisme axial des objectifs qui
permet d’imager une source ponctuelle poly-
chromatique en un continuum d’images
monochromatiques uniformément réparties
sur un segment de droite de longueur égale à
la profondeur de champ requise et par là
même d’attribuer à chaque point du champ
de mesure une longueur d’onde et une seule.
Le filtrage spatial exercé par l’imagerie confo-
cale sélectionne de lui-même la lumière pro-
venant des points de l’espace de mesure tout
en préservant le codage chromatique. Il
s’ensuit que la connaissance de la longueur
d’onde de la lumière rétrodiffusée et/ou réflé-
chie par un point d’un objet renseigne immé-
diatement sur la position axiale de ce point.
Des avantages déterminants. En plus de la
Lame semi-
réfléchissante
Images
monochromatiques
du point source S
Filtre spatial
Surface de l’objet
Spectromètre
Visualisation et/ou
traitement du signal
S : source
de lumière blanche
L
Point M
λ
λ
M
λ
n
λ
λ
λ
11
λ
M
S
A
A'
B
Voie d’observation
Voie d’éclairage
Objet
B'
z
M
M'
L
1
L
2
Le codage "photométrique" est de loin le plus répandu : on
le retrouve par exemple dans son expression la plus
élémentaire dans de nombreux appareils photographiques
autofocus. Ce schéma en explique le principe dans le cas
d’un capteur à triangulation.
Une voie d'éclairage, constituée d'un pinceau d'éclairage
unidirectionnel, code de façon univoque un segment AB
de l'espace de mesure et une voie d'observation forme, sur
un détecteur linéaire A'B', l'image M' du point M corres-
pondant à l'intersection du codage unidirectionnel avec
l'objet. Le profil photométrique du "point" M' est quasi
gaussien. Le calcul de son barycentre permet de déterminer
la position z du point M dans le segment AB.
La résolution de la mesure dépend de la qualité du profil
photométrique du point M' sur le détecteur linéaire. Elle sera
très affectée par la présence de lumière parasite
environnante atteignant l'objet et ne provenant pas du
pinceau d'éclairage. Cette lumière parasite peut avoir deux
effets. L'un sera de modifier le profil de la gaussienne et
par conséquent de fausser le calcul du barycentre
et donc de l'altitude z. L'autre sera de réduire le contraste
de la gaussienne et par conséquent d'amplifier indirec-
tement les défauts locaux observés sur son profil et par
là même de fausser le calcul du barycentre.
Le codage chromatique est réalisé
en mettant à profit le chromatisme
axial des objectifs qui permet d'imager
une source ponctuelle polychromatique
en un continuum d'images
monochromatiques uniformément
réparties sur un segment de droite de
longueur égale à la profondeur de champ
requise et par la même d'attribuer à
chaque point du champ de mesure une
longueur d'onde et une seule.
Le filtrage spatial exercé par l'imagerie
confocale sélectionne de lui-même
la lumière provenant des points de
de mesure tout en préservant le codage
chromatique. Il s'ensuit que
la connaissance de la longueur d'onde
de la lumière rétrodiffusée et/ou réfléchie
par un point d'un objet renseigne
immédiatement sur la position axiale de
ce point. En effet, la présence d'un objet
au niveau du point M du champ de mesure
engendre, après le second filtrage spatial,
un maximum d'intensité lumineuse à la
longueur d'onde λ
M
correspondant au
point M. Une fois recueilli le signal
lumineux transmis par le filtrage spatial,
il reste à "décoder" pour en extraire
l'information d'altitude du point.
CODAGE PHOTOMÉTRIQUE ET CODAGE CHROMATIQUE
CODAGE PHOTOMÉTRIQUE (TECHNIQUE CLASSIQUE)
CODAGE CHROMATIQUE UTILISÉ PAR STIL EN MICROSCOPIE CONFOCALE
Cette opération est réalisée par analyse spectrométrique du signal lumineux collecté. Par ailleurs, il est intéressant de
noter que si l'objet se compose d'un empilement de couches minces (partiellement) transparentes, on détectera toutes
les interfaces qui interceptent l'espace de mesure sous forme d'une série de maxima d'intensité.
Toute mesure dimensionnelle basée sur de l’optique nécessite de réaliser une mesure du fais-
ceau renvoyé par l’objet. Ce schéma explique la différence entre la technique classique et la tech-
nique du codage chromatique utilisée par Stil. Cette dernière permet de travailler sur un champ
axial étendu (pouvant aller de quelques dizaines de microns à quelques millimètres), tout en
offrant la propriété unique de coupe optique pour chacune des longueurs d’ondes du codage.

■ Les capteurs optiques CHR de Stil sont
composés de sondes de mesure (appelés
Crayons Optiques) associés à un coffret élec-
tronique, et reliés entre eux par une fibre
optique de 2 ou 4 m en standard (et jusqu’à
10 m sur demande). Le coffret électronique
contient la source lumi-
neuse, le spectromètre
d’analyse et le processeur
de traitement.
Quatre types de Crayons
Optiques sont proposés,
permettant de travailler
avec des profondeurs de
champ de mesure de
80 µm, 300 µm, 750 µm et
2 mm ; les distances de travail respectives
sont de 1 mm, 5 mm, 16 mm et 40 mm. Quant
à la résolution, elle est directement propor-
tionnelle à la profondeur de champ. Pour le
capteur 300 µm (le modèle le plus vendu),
elle est de 15 nm. Pour le modèle 2 mm, elle
est de 100 nm. Il est possible de travailler sur
des surfaces inclinées réfléchissantes pouvant
atteindre des pentes de 42° pour le crayon
optique 80 µm et de 30° pour le modèle
300 µm.
Un cinquième Crayon Optique, fonctionnant
selon le principe de l’interférométrie lumière
blanche en imagerie confocale, est plus parti-
culièrement dédié aux cartographies d’épais-
seurs de films fins partiellement transparents.
Ces cinq Crayons Optiques sont aussi dispo-
nibles sous forme “coudée”, avec l’axe z de
mesure orienté à 90° du corps du Crayon.
Stil propose par ailleurs la station Micromesu-
re, qui est un système totalement intégré
dédié à l’analyse d’image confocale. Cette sta-
tion est équipée de capteurs
CHR et de platines motorisées
(par des moteurs pas à pas) de
déplacement en XYZ. La plage
standard de déplacement des
tables de translation est de 100
à 250 mm en X, Y et de 50 mm
en Z, mais il est possible d’avoir
de plus grandes plages dans le
cas d’applications particulières.
A la table de translation en Zest associée une
règle optique Heidenhain de haute précision
(3 µm/m) pour assurer un positionnement
selon cet axe avec une résolution de 0,1 µm
sur toute la plage de déplacement. Lorsque
l’on doit mesurer des objets dont le relief
dépasse la plage de codage chromatique du
capteur optique CHR utilisé, une procédure de
suivi en Z déplace automatiquement le cap-
teur pour continuer la mesure.
La Station Micromesure travaille à la cadence
maximale de 1 000 points par seconde et elle
permet de numériser la surface de tous types
d’objets, tant diffusants que spéculaires,
opaques que transparents, “photométrique-
ment” complexes que monotones.
MESURES 719 - NOVEMBRE 1999
88
SOLUTIONS
rapidité de mesure, le principe de fonction-
nement de ce procédé lui confère trois quali-
tés supplémentaires importantes :
- L’imagerie confocale permet d’obtenir une
excellente résolution spatiale quel que soit
l’éclairage ambiant.
- Le codage chromatique de l’information
rend la mesure insensible aux variations de
réflectivité de l’objet et permet de procéder à
des mesures avec la même précision sur tout
type de matériau, quel qu’en soit leur état de
surface (surface polie ou non, diffusante ou
spéculaire) et sans nécessiter de préparation
particulière préalable à la mesure.
- L’utilisation d’une source de lumière blanche
et non d’une source laser élimine tout pro-
blème de speckle (interférences parasites qui
limitent la résolution axiale des capteurs).
Le codage chromatique de l’espace de mesu-
re appliqué à l’imagerie confocale, c’est
aujourd’hui une réalité industrielle matériali-
sée par les capteurs CHR et la station Micro-
mesure de Stil.
Des matériels industriels
Les capteurs CHR. Ils sont composés d’une
sonde de mesure – le Crayon Optique – et
d’un coffret optoélectronique, tous deux reliés
par une fibre optique.
Le Crayon Optique contient l’objectif à chro-
matisme axial étendu au travers duquel se font,
de par le principe même de l’imagerie confo-
cale, l’éclairage du point objet et la mesure.
La fibre optique assure, dans un sens, le trans-
port vers le Crayon Optique de la lumière
polychromatique d’éclairage et, dans l’autre
sens, vers le spectrographe d’analyse celui du
flux (monochromatique) réfléchi/rétrodif-
fusé par l’objet. Le remplacement de la fibre
optique ne nécessite pas de recalibrage de
l’appareil. Cette configuration permet de dis-
poser d’un Crayon Optique léger, de très faible
dimension, robuste et totalement passif puis-
qu’il ne contient aucune source de chaleur
risquant de perturber la mesure.
Le coffret optoélectronique contient la source
lumineuse polychromatique (lampe halogè-
ne de 50W émettant dans la gamme 400 à
800 nm) et le spectromètre d’analyse (com-
prenant un réseau holographique de diffraction
et un détecteur CCD linéaire à grande sensibi-
lité). Ce coffret comprend de nombreuses
entrées/sorties, notamment une entrée de syn-
chronisation pour déclencher la mesure par
un événement extérieur, et une sortie de syn-
chronisation pour déclencher un système exté-
rieur par la mesure. Il dispose également de
deux sorties analogiques, chacune permettant
de transmettre un type de donnée.
Le traitement du signal électronique émis par
le CCD est réalisé par un microprocesseur DSP
(Digital Signal Processor) embarqué qui cal-
cule en temps réel la distance à l’objet mesu-
ré (cadence maximale de mesure de 1000
points par seconde). Le calcul consiste à déter-
miner le maximum de la courbe d’intensité
lumineuse en fonction de la longueur d’onde
par la méthode du barycentre et avec une réso-
lution d’un trentième de pixel.
Enfin, un microcontrôleur assure l’interface
de communication du boîtier électronique avec
une console opérateur (écran LCD plus clavier
4 touches donnant accès à un menu de pilotage
du capteur) ou un ordinateur externe.
La station Micromesure est une station de
mesure modulaire dédiée à la microtopogra-
phie 3D haute résolution ainsi qu’à l’analyse
de forme et de texture. Elle permet de mesu-
rer des profils ou des surfaces d’objets avec
Des profondeurs de champ
de 80µm à 2mm
De solides références
■ Créée en janvier 1993 par une équipe
d’ingénieurs issus de Bertin, Stil emploie
aujourd’hui 14 personnes et devrait réaliser
un chiffre d’affaires de 10,3 MF cette année,
dont 60 % à l’export. Spécialisée en instru-
mentation optique et optoélectronique, la
société française a développé une offre basée
sur des techniques innovantes telles que la
triangulation spatio-temporelle, l’imagerie
confocale à champ étendu et la triangulation
spatiochromatique. Ces techniques sont
concrétisées par trois produits baptisés res-
pectivement Bodygraph, Station Micromesu-
re (pour le relevé de la microtopographie
d’objets) et Station Digit 3D (numérisation 3D
d’objets de quelques centimètres).
Pour répondre aux besoins croissants en
caractérisation photométrique et spectroco-
lorimétrique, Stil a conçu et développé le
double spectrogoniomètre Reflet qui offre
une solution pour l’analyse et le contrôle des
traitements de surface et des peintures.
Parmi les références de la société en France,
on peut citer Banque De France, Smurfit, Alsh-
trom, Bourjois, CEA Valduc, Chauvin, CNRS,
Comex Nucleaire, Krys, Essilor, LVMH Recherche,
Renault, Sollac CRFB, ST Microelectronics, PPC
(Groupe Freysinnet), Polytech.

MESURES 719 - NOVEMBRE 1999 89
SOLUTIONS
une résolution nanométrique quelle que soit
la taille de la surface à analyser. Cette station est
constituée de platines de translation XYZ
motorisées, d’un capteur optique CHR et de
logiciels de pilotage de l’ensemble compre-
nant une Interface Homme Machine particu-
lièrement dédiée à ce type de mesure. Les
mesures peuvent être stockées au format ASCII
ou bien dans un format compatible avec le
logiciel “Mountains Map” de la société fran-
çaise Digital Surf dédié à l’analyse de surface.
Joseph Cohen Sabban
p.-d.g. de Stil*
*Stil
Mercure C
80, rue Charles Duchesne
13851 Aix-en-Provence Cedex 3
Tél. [phone] - Fax. [phone]
email. : [email protected]
MESURES DIMENSIONNELLES
L’optique domine les mesures
de cotes sans contact
■ Pour réaliser une mesure de cote ou de profil sans contact,
l’optique est de loin le moyen le plus répandu. De multiples
variantes ont été développées afin de répondre à un maximum
d’applications. Les principaux principes utilisés sont évoqués ici.
L
orsque l’on veut réaliser un contrôle
dimensionnel sans contact, on songe
immédiatement aux capteurs optiques. Il faut
tout de même rappeler qu’il existe aussi les
capteurs capacitifs et les capteurs inductifs.
Les capteurs capacitifs réalisent une mesure
de tension électrique entre le capteur et l’objet.
Assez précise pour les mesures de distances,
cette méthode devient insuffisante lorsque
l’on veut saisir la forme des objets, à cause
des effets de bord qui apparaissent. Ce type
de capteur ne peut donc pas être utilisé pour
la microtopographie de formes quelconques
et la rugosimétrie.
Les capteurs inductifs utilisent la mesure des
courants de Foucault pour déterminer des dis-
tances, des diamètres et même des épaisseurs.
Cette méthode nécessite de travailler sur des
objets métalliques et magnétiques afin de pou-
voir générer un champ magnétique entre le
capteur et la surface de l’objet.
Venons-en aux capteurs optiques, de loin les
plus répandus.
Les multiples variantes
des capteurs optiques
Les capteurs optiques sont classés en trois
grandes familles :
- les ensembles de caméras (au minimum
deux) pour la stéréophotogrammétrie,
- les capteurs fonctionnant sur le principe de
la triangulation,
- les capteurs coaxiaux pour lesquels les fais-
ceaux d’éclairage et d’observation parcourent
pour l’essentiel le même trajet optique.
D’autres critères de classements peuvent être
envisagés comme par exemple :
- le type de source lumineuse utilisée : laser ou
source incohérente (lampe à incandescence
ou à arc),
- le type “d’élément géométrique” saisi par le
capteur : un point, une ligne ou une surface,
- le type de grandeur physique mesurée : dis-
tribution d’énergie lumineuse sur un détec-
teur matriciel avec calcul d’un barycentre,
temps de vol (ou déphasage temporel), état
de polarisation ou encore longueur d’onde
d’un pinceau lumineux.
Types de sources lumineuses.
Les capteurs utilisant une source laser souf-
frent tous du “speckle” ou granularité laser
correspondant à des interférences “parasites”
entre les pinceaux élémentaires rétrodiffusés
par les micro-rugosités de la surface analysée.
Ce speckle réduit sensiblement la résolution
axiale des capteurs et limite la gamme des
matériaux pouvant être examinés sans traite-
ment préalable de la surface.
Les capteurs utilisant une source incohérente
ne rencontrent pas ce type de problème et
peuvent donc a priori travailler sur tous types
de matériaux sans nécessiter aucun revête-
ment complémentaire (spray pour réaliser un
coating diffusant).
Types d’éléments géométriques.
Les “capteurs point”sont destinés à l’acquisi-
tion d’un seul point à la fois et nécessitent
donc de balayer “point par point” la surface de
l’objet à mesurer. Cette méthode peut paraître
fastidieuse mais elle présente néanmoins
l’avantage du libre choix du nombre total de
points d’échantillonnage ainsi que des pas
d’échantillonnage, ce qui permet d’optimiser
En microscopie confocale à champ étendu, le
profil de la surface est relevé point par point à
un rythme élevé (jusqu’à 1000 points par
seconde). Un logiciel restitue ensuite une
image complète de l’état de la surface. De
multiples traitements permettent d’affiner les
résultats obtenus : zoom, filtrage spatial (pour
mettre en évidence certains défauts), différen-
ce par rapport à une surface théorique, etc.
PRINCIPE DE LA TRIANGULATION "LIGNE"
Ligne de contour
Voie d’observation
Voie de projection
Plan de lumière
caméra
CCD
EXEMPLES CONCRETS
Alvéole d’une balle de golf
Échantillon métallique ayant subi des tests
de corrosion chimique
Échantillon métallique ayant subi des tests
de frottements
Doc. Stil