solutions

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’éclairage, ce qui permet d’aller “au fond des trous”. Ensuite, la profondeur de champ est relativement importante, ce qui évite d’avoir à repositionner en permanence le capteur (d’où une vitesse de mesure élevée).
MESURES 719 - NOVEMBRE 1999
Destinée à la mesure d’états de
surface, l’imagerie confocale à
champ étendu présente de multiples intérêts : possibilité d’accéder en tous points d’objets de
formes complexes (pas de
risques de masquages), profondeur de champ atteignant quelques millimètres avec une
résolution de
100 nm, possibilité
de réaliser des
“coupes optiques”
à une profondeur quelconque d’un objet transparent sans être gêné par
les autres parties de l’objet, vitesse de mesure élevée (jusqu’à 1 000 points par seconde), etc.
Doc. Stil
L
a demande, tant
de la part des
industriels que
des laboratoires
de recherche, en équipements de caractérisation d’états de surfaces
ainsi que de numérisation 3D s’est particulièrement développée au cours
des dernières années. Cette évolution s’explique en
grande partie par les
énormes progrès accomplis par les techniques
optiques. Celles-ci sont depuis longtemps sorties des applications de laboratoire et sont présentes 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
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 réaliser des contrôles qualité à 100 % en diffé-
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-
85
SOLUTIONS
dent et le faisceau renvoyé par l’objet observé
ont le même axe (à la différence des techniques 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 balayage. 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 société française Stil a déposé un brevet sur une
technique de codage chromatique de la lumière reçue, ce qui permet de travailler sur un
champ étendu et évite donc à devoir déplacer le capteur entre deux mesures successives.
Avant d’aller plus loin dans les fondements de
cette technique, deux exemples concrets d’applications 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 fabricants 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 complexe, 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 “cartographie” des performances. La Guilde effectuait 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-traiter 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 asphériques 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 commercialisée par la Stil réalise la numérisation 3D
précise de la face asphérique du verre pour
établir deux cartographies, l’une de puissance, l’autre d’astigmatisme. Cet équipement est
constitué d’un capteur point CHR 150 fonctionnant sur le principe de l’imagerie confocale
à champ étendu (300 µm de profondeur de
champ de codage instantané, 0,01µm de résolution axiale) interfacé à une centrale de trans-
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DÉTECTION À FOCALISATION DYNAMIQUE ET DÉTECTION CONFOCALE
DÉTECTION PAR FOCALISATION DYNAMIQUE
Laser
Paires
de photodiodes
cube séparateur
objectif
mobile
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.
commande
de déplacement
de l’objectif
S
boîtier
électronique
signal d’erreur
de focalisation
DÉTECTION EN MICROSCOPIE CONFOCALE
Lame semiréfléchissante
P
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.
L
M
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 classique 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
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 “alimentaire” très fin (épaisseur comprise entre 5
et 20 µm). Lors de l’emboutissage pour la réalisation des différents types de conditionnement, 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. Traditionnellement, 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 charge (non verni, verni) exprimée en g/m2.
Pour procéder à la mesure directe après
emboutissage de l’épaisseur du vernis “alimentaire”, le Laboratoire d’Etudes et de Développement des Produits Plats (LEDEPP) de la
Sollac à Thionville utilise depuis trois ans un
MESURES 719 - NOVEMBRE 1999
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CODAGE PHOTOMÉTRIQUE ET CODAGE CHROMATIQUE
CODAGE PHOTOMÉTRIQUE (TECHNIQUE CLASSIQUE)
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 correspondant 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 indirectement les défauts locaux observés sur son profil et par
là même de fausser le calcul du barycentre.
S
B'
M'
A'
L1
Voie d’éclairage
L2
Voie d’observation
A
M
z
Objet
B
CODAGE CHROMATIQUE UTILISÉ PAR STIL EN MICROSCOPIE CONFOCALE
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.
Filtre spatial
Le filtrage spatial exercé par l'imagerie
Lame semiconfocale sélectionne de lui-même
réfléchissante
la lumière provenant des points de
de mesure tout en préservant le codage
chromatique. Il s'ensuit que
Spectromètre
la connaissance de la longueur d'onde
de la lumière rétrodiffusée et/ou réfléchie
par un point d'un objet renseigne
L
immédiatement sur la position axiale de
ce point. En effet, la présence d'un objet
au niveau du point M du champ de mesure
λ1
engendre, après le second filtrage spatial,
Images
λM monochromatiques un maximum d'intensité lumineuse à la
λM λ
longueur d'onde λM correspondant au
λn
du point source S
point M. Une fois recueilli le signal
Visualisation et/ou
Point M
lumineux transmis par le filtrage spatial,
Surface de l’objet
traitement du signal
il reste à "décoder" pour en extraire
l'information d'altitude du point.
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.
S : source
de lumière blanche
Toute mesure dimensionnelle basée sur de l’optique nécessite de réaliser une mesure du faisceau renvoyé par l’objet. Ce schéma explique la différence entre la technique classique et la technique 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.
ensemble Micromesure de Stil, comportant un
capteur optique CHR 150 interfacé à une centrale informatisée de translation/rotation
“5 axes” Selon Gabriel Pennera, responsable
revêtements d’aciers pour emballages du
LEDEPP, le CHR 150 présente plusieurs avantages : « La mesure est rapide, non destructive, elle permet de suivre l’évolution de
l’épaisseur le long d’une génératrice ou d’un
diamètre. De plus, alors que les mesures pondérales ne sont précises que sur de grandes
surfaces de 10 à 20 cm2, on effectue désorMESURES 719 - NOVEMBRE 1999
mais des mesures sur des zones de l’ordre
du mm2 ».
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 microscopie confocale à champ étendu a d’ores et déjà
fait ses preuves. Les principes utilisés sont relativement simples.
On l’a dit, la microscopie confocale compor-
te un double filtrage spatial (voir schéma
“Détection à focalisation dynamique et détection confocale”). 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.
Un principe relativement simple
et “robuste”
Lorsque l’on recherche de la précision, il existe 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’équipement comporte donc des parties en mouvement, ce qui est évidemment un inconvénient
(en termes de fiabilité, de vitesse de mesure
notamment).
Avec le codage “chromatique”, ces inconvénients sont supprimés : on obtient une précision élevée sur une grande profondeur de
champ, tout en n’ayant aucune pièce en mouvement. Pour cette raison, Stil parle de microscopie confocale à champ étendu.
La microscopie confocale à champ étendu.
Le codage chromatique de l’espace de mesure est beaucoup plus précis et nettement plus
“robuste” (insensibilité à la lumière parasite)
que le codage “photométrique” habituellement 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 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 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 confocale sélectionne de lui-même la lumière provenant 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 réfléchie par un point d’un objet renseigne immédiatement sur la position axiale de ce point.
Des avantages déterminants. En plus de la
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SOLUTIONS
Des profondeurs de champ
de 80µm à 2mm
■ Les capteurs optiques CHR de Stil sont
composés de sondes de mesure (appelés
Crayons Optiques) associés à un coffret électronique, 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 lumineuse, 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 proportionnelle 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 particulièrement dédié aux cartographies d’épaisseurs de films fins partiellement transparents.
Ces cinq Crayons Optiques sont aussi disponibles sous forme “coudée”, avec l’axe z de
mesure orienté à 90° du corps du Crayon.
Stil propose par ailleurs la station Micromesure, qui est un système totalement intégré
dédié à l’analyse d’image confocale. Cette station 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 Z est 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 capteur 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, “photométriquement” complexes que monotones.
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 instrumentation 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 respectivement Bodygraph, Station Micromesure (pour le relevé de la microtopographie
rapidité de mesure, le principe de fonctionnement de ce procédé lui confère trois qualités 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
88
d’objets) et Station Digit 3D (numérisation 3D
d’objets de quelques centimètres).
Pour répondre aux besoins croissants en
caractérisation photométrique et spectrocolorimétrique, 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, Alshtrom, Bourjois, CEA Valduc, Chauvin, CNRS,
Comex Nucleaire, Krys, Essilor, LVMH Recherche,
Renault, Sollac CRFB, ST Microelectronics, PPC
(Groupe Freysinnet), Polytech.
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 problème de speckle (interférences parasites qui
limitent la résolution axiale des capteurs).
Le codage chromatique de l’espace de mesure appliqué à l’imagerie confocale, c’est
aujourd’hui une réalité industrielle matérialisée par les capteurs CHR et la station Micromesure 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 chromatisme axial étendu au travers duquel se font,
de par le principe même de l’imagerie confocale, l’éclairage du point objet et la mesure.
La fibre optique assure, dans un sens, le transport 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/rétrodiffusé par l’objet. Le remplacement de la fibre
optique ne nécessite pas de recalibrage de
l’appareil. Cette configuration permet de disposer d’un Crayon Optique léger, de très faible
dimension, robuste et totalement passif puisqu’il ne contient aucune source de chaleur
risquant de perturber la mesure.
Le coffret optoélectronique contient la source
lumineuse polychromatique (lampe halogène de 50 W émettant dans la gamme 400 à
800 nm) et le spectromètre d’analyse (comprenant un réseau holographique de diffraction
et un détecteur CCD linéaire à grande sensibilité). Ce coffret comprend de nombreuses
entrées/sorties, notamment une entrée de synchronisation pour déclencher la mesure par
un événement extérieur, et une sortie de synchronisation pour déclencher un système extérieur 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 calcule en temps réel la distance à l’objet mesuré (cadence maximale de mesure de 1 000
points par seconde). Le calcul consiste à déterminer le maximum de la courbe d’intensité
lumineuse en fonction de la longueur d’onde
par la méthode du barycentre et avec une résolution 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 microtopographie 3D haute résolution ainsi qu’à l’analyse
de forme et de texture. Elle permet de mesurer des profils ou des surfaces d’objets avec
MESURES 719 - NOVEMBRE 1999
SOLUTIONS
EXEMPLES CONCRETS
MESURES DIMENSIONNELLES
Alvéole d’une balle de golf
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.
Échantillon métallique ayant subi des tests
de corrosion chimique
L
Doc. Stil
Échantillon métallique ayant subi des tests
de frottements
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), différence par rapport à une surface théorique, etc.
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 comprenant une Interface Homme Machine particulièrement 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 française 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. 04 42 39 45 85 - Fax. 04 42 24 38 05
email. : [email protected]
MESURES 719 - NOVEMBRE 1999
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 distances, des diamètres et même des épaisseurs.
Cette méthode nécessite de travailler sur des
objets métalliques et magnétiques afin de pouvoir 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 faisceaux 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 : distribution d’énergie lumineuse sur un détecteur matriciel avec calcul d’un barycentre,
temps de vol (ou déphasage temporel), état
PRINCIPE DE LA TRIANGULATION "LIGNE"
Ligne de contour
Voie de projection
caméra
CCD
Plan de lumière
Voie d’observation
de polarisation ou encore longueur d’onde
d’un pinceau lumineux.
Types de sources lumineuses.
Les capteurs utilisant une source laser souffrent 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 traitement 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 revêtement complémentaire (spray pour réaliser un
coating diffusant).
Types d’éléments géométriques.
Les “capteurs point” sont destinés à l’acquisition 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
89
SOLUTIONS
CLASSIFICATION DES PRINCIPES PHYSIQUES DE NUMÉRISATION 3D
Numérisation 3D
Capteurs sans contact
Capteurs à contact
Capteurs à bille
(saisie de forme)
Pointe en diamant
(pour rugosité)
Capteurs coaxiaux
Microscopie à
champ proche
Télémétrie
Temps de vol
Focalisation
dynamique
Déphasage
la stratégie d’acquisition en fonction de la forme et des reliefs locaux de l’objet.
Les “capteurs lignes” sont destinés à l’acquisition de l’ensemble des points d’une ligne à
la fois et nécessitent donc de balayer “ligne
par ligne” la surface de l’objet à mesurer.
L’avantage principal de ce type de capteur n’est
pas, comme on l’entend souvent dire, la rapidité de mesure, mais plutôt le fait que tous
les points de la ligne sont mesurés dans la
même configuration optomécanique. En
conséquence, les coordonnées relatives mesurées sont absolument indépendantes des
défauts résiduels de déplacement des éléments
électromécaniques de balayage de ligne comme c’est le cas du balayage point par point. Il va
de soi que la distorsion optogéométrique inhérente au principe du capteur ligne doit être prise en compte lors du calibrage métrologique.
Les “capteurs champs” sont destinés à l’acquisition de l’ensemble des points d’un champ à
la fois et ne nécessitent plus aucun balayage
sauf pour sauter d’un champ élémentaire à
l’autre à la surface de l’objet. Le gain en temps
de mesure peut être ici très appréciable.
Toutefois, les principes physiques mis en œuvre
dans les “capteurs champs” imposent d’avoir
un autre type de balayage (glissement de
franges en z en interférométrie lumière blanche
ou encore glissement latéral de franges pour le
codage de phase) qui fait perdre une bonne
partie du temps potentiellement gagné.
Tous les capteurs de numérisation 3D procè-
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Capteurs optiques
Capteurs inductifs
Capteurs à triangulation
Stéréophotogrammétrie
Confocal
Confocal avec
balayage z
Interférométrie
Capteurs capacitifs
Mesure
photométrique
Mesure
temporelle
Mesure
chromatique
Confocal à
champ étendu
dent d’un même et unique principe fondamental, qui stipule que pour accéder à la
coordonnée z, il est nécessaire de coder l’espace de mesure (voie d’éclairage) au moyen
d’un pinceau de lumière structurée pour
ensuite décoder le signal capté par la voie
d’observation. Le choix de la grandeur physique mesurée détermine le type de codage/décodage.
Plusieurs modes de détection
Le codage “photométrique”, de loin le plus
répandu et le plus simple à mettre en œuvre,
consiste à mesurer l’énergie renvoyée par l’objet
sur les différentes cellules du détecteur linéaire incorporé dans le capteur. Cette énergie a un
profil gaussien et le calcul du barycentre permet
d’obtenir la position du point mesuré (voir
article précédent pour plus de détails).
Le codage temporel permet de remplacer la
mesure photométrique classique soit par la
mesure d’un temps de vol, méthode généralement réservée aux objets de très grandes
dimensions, soit par la mesure de l’instant précis d’occurrence d’un événement tel que par
exemple le franchissement d’une fente d’analyse par le pinceau rétrodiffusé provenant de
l’objet. Ce dernier procédé permet de gagner
un facteur trois sur la résolution axiale.
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. Ce type de
codage fait l’objet d’un brevet déposé par Stil.
Les capteurs à triangulation,
de loin les plus répandus...
Les capteurs à triangulation peuvent aussi bien
être des capteurs point que des capteurs ligne.
La triangulation classique, appliquée à un capteur ligne, consiste à projeter un plan de lumière sur la surface à mesurer. L’observation à partir d’un point autre que celui duquel est réalisée
la projection, permet de saisir sur un détecteur
matriciel la ligne de contour résultant de l’intersection de ce plan de lumière et de l’objet.
La triangulation circulaire est applicable quant
à elle à un capteur point. Ici, le pinceau
conique rétrodiffusé par l’objet est intercepté par un masque annulaire suivi, à distance
non nulle, d’un détecteur matriciel, tous deux
centrés sur l’axe optique du système. Lorsque
l’on balaye point par point la surface de
l’objet, la distance entre le capteur et l’objet
varie de même que le diamètre de l’anneau
de lumière observé sur le photodétecteur circulaire. C’est cette variation de diamètre qui
permet de restituer la forme de la surface.
D’autres techniques de mesures point à point
trouvent de plus en plus d’applications. C’est
notamment le cas de la microscopie à glissement de franges, de la microscopie confocale, de la focalisation dynamique et de la microscopie confocale à champ étendu (voir article
précédent pour plus de détails).
J. C-S
MESURES 719 - NOVEMBRE 1999