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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberWO2002095475 A1
Publication typeApplication
Application numberPCT/FR2002/001699
Publication date28 Nov 2002
Filing date21 May 2002
Priority date21 May 2001
Publication numberPCT/2002/1699, PCT/FR/2/001699, PCT/FR/2/01699, PCT/FR/2002/001699, PCT/FR/2002/01699, PCT/FR2/001699, PCT/FR2/01699, PCT/FR2001699, PCT/FR2002/001699, PCT/FR2002/01699, PCT/FR2002001699, PCT/FR200201699, PCT/FR201699, WO 02095475 A1, WO 02095475A1, WO 2002/095475 A1, WO 2002095475 A1, WO 2002095475A1, WO-A1-02095475, WO-A1-2002095475, WO02095475 A1, WO02095475A1, WO2002/095475A1, WO2002095475 A1, WO2002095475A1
InventorsJoseph Cohen-Sabban
ApplicantSciences Et Techniques Industrielles De La Lumiere
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: Patentscope, Espacenet
Method and device for measurement by extended chromatism confocal imaging
WO 2002095475 A1
Abstract
The invention concerns improvements to optical measurement systems by confocal imaging using an objective whereof the axial chromatism is adapted to the desired measurement range. The technical field of the invention is that of the production of dimensional measuring appliances without contact with the measured object. The invention is characterised in that it consists in: emitting a polychromatic light pulse (12), in transporting the pulse up to the input of a measuring probe (4) comprising a chromatic objective (4a), placing a spot (28) on the object in the measuring field (17, 18) of the objective, on the optical axis (5) thereof, transporting the echo (19, 20, 21) produced by the spot (28) of the object up to a photoelectric detector (6), causing a temporal dispersion of the chromatic components of the emitted pulse and/or of the echo, and determining the result of the measurement by computation based on said temporal dispersion.
Claims  translated from French  (OCR text may contain errors)
REVENDICATIONS 1 . CLAIMS 1. Procédé de mesure dimensionnelle sans contact avec l'objet (27) à mesurer, dans lequel : A method for dimensional measurement without contact with the object (27) to be measured, wherein:
- on provoque l'émission par la source lumineuse d'une impulsion ( 1 2) lumineuse brève et polychromatique, - it causes the emission by the light source of a pulse (1 2) short light and polychromatic,
- on transporte l'impulsion jusqu'à l'entrée d'une sonde (4) de mesure comportant un objectif (4a) chromatique et fonctionnant selon le principe de l'imagerie confocale, - transporting the pulse until the entry of a probe (4) for measuring comprising a lens (4a) and color using the principle of confocal imaging,
- on place un point (28) de l'objet dans le champ (1 7, 1 8) de mesure de l'objectif , sur l'axe (5) optique de celui-ci, - placing a point (28) of the object in the field (1 7, 1 8) for measuring the lens on the axis (5) Optical thereof,
- on transporte l'écho (1 9, 20, 21 ) produit par le point (28) de l'objet jusqu'à un détecteur (6) photoélectrique unique qui délivre un signal de sortie analogique qui est échantillonné et numérisé à très haute fréquence, - on provoque une dispersion temporelle des composantes chromatiques de l'impulsion émise ainsi que de l'écho en disposant sur le trajet optique commun des faisceaux lumineux d'éclairage et de mesure, un retardateur chromatique (3) modifiant la durée de propagation de la lumière en fonction de la longueur d'onde, lequel retardateur chromatique présente une variation monotone de son indice de réfraction avec la longueur d'onde dans le domaine spectral utile, - transporting the echo (1 9, 20, 21) generated by the point (28) of the object to a detector (6) single photoelectric which delivers an analog output signal which is sampled and digitized at a very high frequency, - a temporal dispersion of the color components of the transmitted pulse and the echo by forming on the common optical path of the illumination light beams and measurement is caused, a chromatic retarder (3) modifying the duration of propagation of light depending on the wavelength, which color retardant has a monotonous variation of its refractive index with the wavelength in the useful spectral range,
- on analyse les données résultantes de la numérisation du signal de sortie par une unité électronique de traitement des données afin de calculer le temps de propagation global séparant l'émission de l'impulsion et de la réception d'un écho et d'en déduire par calcul, la distance par rapport à la sonde, du point de l'objet ayant provoqué cet écho. - the resultant data were analyzed for digitizing the output signal by an electronic data processing unit in order to calculate the overall delay between sending the pulse and receiving an echo and to deduce by calculation, the distance to the probe, the point of the object that caused the echo.
2 - Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on mesure le(s) temps de propagation global (globaux) séparant l'émission d'une impulsion et le(s) écho(s) lumineux successif(s) reçu(s) par le détecteur (6) photoélectrique unique, chaque écho étant dû à une couche ou portion de l'objet à analyser et dans lequel on déduit de ce(s) temps de propagation la (les) position(s) de ladite (desdites) couche(s) ou portion(s) de l'objet, mesurée(s) le long de l'axe optique de la sonde confocale (4) . 2 - The method of claim 1, wherein the measurement (s) global delay (global) separating the emission of a pulse and the (s) echo (s) successive light (s) receive (s) by the detector (6) photoelectric unique, each echo is due to a layer or portion of the object to be analyzed and wherein one deduces from this (s) the delay (the) position (s) of said (said) layer (s) or portion (s) of the object measured (s) along the optical axis of the confocal probe (4).
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on émet lesdites impulsions lumineuses dans le domaine visible et/ou inf rarouge, en particulier dans une plage de longueurs d'ondes allant de 600 à 1 500 nanomètres. 3. A method according to any one of claims 1 or 2, wherein transmitting said light pulses in the visible range and / or lower rarouge, particularly in a wavelength range of 600 to 1500 nanometers.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la durée des impulsions émises par la source est de Tordre de 1 0 à 1 000 picosecondes. 4. A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the duration of the pulses emitted by the source is of the order of 1 0 A 1 000 picoseconds.
5. Dispositif de mesure dimensionnelle sans contact avec un objet (27) à mesurer, caractérisé en ce que qu'il comporte : 5. A dimensional measurement without contact with an object (27) to be measured, characterized in that it comprises:
- une source lumineuse ( 1 ) impulsionnelle, polychromatique, - a light source (1) pulse, polychromatic,
- une sonde (4) confocale chromatique, - a probe (4) chromatic confocal,
- un détecteur (6) photoélectrique unique, - des moyens de transport et de guidage de la lumière reliant la source à la sonde et la sonde au détecteur, caractérisé en ce que les moyens de transport et de guidage ont une partie commune agissant en qualité de retardateur chromatique (3) constitué principalement d'un tronçon de fibre optique de grande longueur et dont l'indice de réf raction varie de façon monotone avec la longueur d'onde, - a detector (6) photoelectric unique, - transport and guide means of the light connecting the source to the probe and the probe to the detector, characterized in that the transport and guiding means have a common part acting as chromatic retarder (3) mainly composed of a section of optical fiber of great length and having an index of ref raction varies monotonically with the wavelength,
- des moyens de traitement pour déterminer un résultat de mesure dimensionnelle à partir du temps de propagation global séparant l'émission de l'impulsion lumineuse et la réception de l'écho correspondant provenant du point de l'objet examiné. - processing means for determining a result of dimensional measurement from the overall propagation delay between the emission of the light pulse and reception of the echo from the corresponding point of the examined object.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ledit retardateur comporte un tronçon de fibre optique à gradient d'indice. 6. Device according to claim 5, wherein said retarder comprises a length of optical fiber with an index gradient.
7. Dispositif selon Tune quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel les moyens pour déterminer le résultat de mesure à partir de la durée de propagation dans le retardateur à fibre optique comportent : 7. Device according to any of claims 5 or 6, wherein the means for determining the measurement result from the propagation time in the fiber optic retarder comprises:
- des moyens pour déterminer, pour chaque impulsion lumineuse émise par la source, une référence temporelle de départ ; - means for determining, for each light pulse emitted by the source, a time reference from; - des moyens pour déterminer, pour chaque impulsion lumineuse reçue par le détecteur, c'est à dire pour chaque écho, une valeur temporelle de retour ; - means for determining, for each light pulse received by the detector, ie for each echo time a return value;
- un soustracteur ou moyen équivalent pour déterminer, pour une impulsion émise et pour l'écho associé, une durée de propagation (aller et retour) de l'impulsion , par différence entre ladite valeur temporelle de retour et ladite référence temporelle de départ ; - a subtractor or equivalent means for determining, for a transmitted pulse and the associated echo, a propagation time (round trip) of the pulse, said time difference between return value and said time reference from;
- des moyens pour déterminer, à partir de ladite durée de propagation, et en fonction de données d'étalonnage propres au retardateur et à la sonde confocale chromatique, une distance séparant un point cible de l'objet ayant produit l'écho et la sonde ou un référentiel lié à celle-ci, - means for determining, from said propagation time, and according to specific calibration data retarder and the chromatic confocal probe, a distance between a target point of the object which produced the echo and the probe or reference associated with it,
- des moyens de calcul de barycentre temporel de chaque écho détecté, et des moyens de calcul d'une valeur moyenne de ces barycentres et/ou de la durée pour une série d'une ou plusieurs dizaines d'impulsions émises successivement. - means for temporal barycenter calculation of each detected echo, and means for calculating an average value of the centroids and / or duration to a series of one or several tens of pulses emitted successively.
Description  translated from French  (OCR text may contain errors)

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE PAR IMAGERIE CONFOCALE A CHROMATISME ETENDU METHOD AND MEASURING DEVICE IMAGING CONFOCAL A chromaticism EXTENDED

La présente invention est relative à des améliorations apportées 5 aux systèmes de mesure optique par imagerie confocale utilisant un objectif dont le chromatisme axial est adapté à la plage de mesure désirée. The present invention relates to improvements 5 to optical measurement systems by confocal imaging using a lens whose axial chromatic aberration is adapted to the desired measuring range.

Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication d'appareils de mesure dimensionnelle sans contact avec l'objet à 10 mesurer. The technical field of the invention is that the manufacture of dimensional measurement apparatus without contact with the object 10 to be measured.

La demande de brevet FR-A-2,738,343 (COH EN SABBAN et al) décrit un dispositif opto-électronique de microstratigraphie d'un objet au moins partiellement transparent ou translucide au domaine de longueurs d'ondes du chromatisme axial considéré, qui comporte : 15 - une source lumineuse qui délivre un faisceau polychromatique à spectre continu ; Patent application FR-A-2738343 (COH IN SABBAN et al) discloses a microstratigraphie opto-electronic device of an object at least partially transparent or translucent to the domain of wavelengths of the axial chromatic considered, which comprises: 15 - a light source which emits a polychromatic beam with a continuous spectrum;

- une sonde de mesure comportant un objectif dont le chromatisme axial connu est adapté à la distance de travail et à la plage de mesure (profondeur) axiale souhaitée en fonction de l'objet à analyser ; - a measuring probe comprising a lens whose axial chromatic aberration is known suitable for the working distance and measuring range (depth) axially desired according to the object to be analyzed; une telle 0 sonde est par exemple proposée par la société STIL, AIX EN PROVENCE, FRANCE, sous la référence CHR 1 50, qui présente les caractéristiques suivantes : plage de mesure : de 0 à 80 μ , ou bien de 0 à 300 μ , ou bien de 0 à 3 mm ; such 0 probe is for example proposed by the STIL Aix en Provence, FRANCE, under reference CHR 1 50, which has the following characteristics: measuring range: 0 to 80 μ, or from 0 to 300 μ, or from 0 to 3 mm; distance de travail : respectivement 1 mm , 4,5 mm et 38 mm ; working distance: respectively 1 mm, 4.5 mm and 38 mm; résolution axiale respective : 31 0 "9 m, 1 0 ~8 m, et 5 1 0 "7 m ; respective axial resolution: 31 0 "9 m 1 m 0 ~ 8, and 5 1 0" 7 m;

- un spectrophotomètre comportant un disperseur chromatique (à prisme ou à réseau) ainsi qu'un détecteur photoélectrique linéaire multiple (par exemple une barrette CCD ou CMOS) ; - a spectrophotometer having a chromatic disperser (prism or network) and a multiple linear photodetector (for example a CCD or CMOS array);

- des moyens électroniques de traitement des signaux délivrés par 0 le détecteur du spectrophotomètre ; - electronic means for processing the signals delivered by the 0 spectrophotometer detector;

- trois tronçons de fibre optique connectés à un coupleur optique pour d'une part acheminer un faisceau incident de la source lumineuse jusqu'à la sonde de mesure fonctionnant sur le principe de l'imagerie confocale, et d'autre part acheminer un faisceau réfléchi ou rétrodiffusé par l'objet, de la sonde de mesure jusqu'au spectrophotomètre : la longueur des tronçons de fibre, qui est de l'ordre de un ou plusieurs mètres est ajustée en fonction de la distance séparant l'objet de la source (et/ou du spectrophotomètre) . - three sections of optical fiber connected to an optical coupler for conveying the one hand an incident beam from the light source to the measuring sensor operating on the principle of confocal imaging, and on the other hand feeding a reflected beam or backscattered by the object, of the measuring probe to the spectrophotometer: the length of the fiber sections, which is of the order of one or several meters is adjusted according to the distance separating the object from the source ( and / or spectrophotometer).

Un tel dispositif permet la détection simultanée et/ou la mesure de distance simultanée de plusieurs interfaces séparant des couches ou régions superposées de l'objet qui se différencient les unes des autres par leur indice de réfraction, pour chaque interface située dans la plage de mesure de la sonde, par l'analyse de la forme, de la longueur d'onde centrale et de l'amplitude de pic(s) détectés(s) par le détecteur du spectrophotomètre. Such a device allows the simultaneous detection and / or the simultaneous distance measurement of multiple interfaces between the superimposed layers or regions of the object which differ from each other by their refractive index, for each interface located in the measurement range of the probe by analyzing the shape of the center wavelength and the peak amplitude (s) detected (s) by the spectrometer detector.

Bien que de tels appareils présentent de nombreux avantages, leurs caractéristiques ne permettent pas de répondre à tous les besoins ; While such devices have many advantages, their characteristics do not allow to meet all needs; en particulier, certaines applications nécessitent des mesures plus rapides que celles permises par ces appareils ; In particular, some applications require faster measurements than those permitted by these devices; la vitesse de mesure de ce genre d'appareil est en effet limitée notamment par la vitesse de rafraîchissement du détecteur photoélectrique du spectrophotomètre. speed measurement of this kind of apparatus is in fact limited in particular by the refresh rate of the photoelectric detector of the spectrophotometer. Un objectif de l'invention est donc de proposer un procédé et un dispositif - ou système - de mesure par imagerie confocale chromatique qui soient améliorés et/ou qui remédient, en partie au moins, aux inconvénients des systèmes de mesure connus. An object of the invention is to provide a method and device - or system - Chromatic confocal imaging measurement that are improved and / or that remedy, at least in part, the drawbacks of known measurement systems.

Un objectif de l'invention est de proposer de tels systèmes qui soient simples et rapides. An object of the invention to provide such systems that are simple and fast.

L'invention s'applique à un procédé dans lequel on utilise, comme dans le brevet mentionné, une source lumineuse polychromatique, une sonde confocale chromatique, un guide de lumière reliant la source à la sonde, et un séparateur du faisceau retour (réfléchi et/ou rétrodiffusé par l'objet) transporté par le guide de lumière, qui est apte à diriger le faisceau retour vers un détecteur ; The invention applies to a process wherein there is used, as in the mentioned patent, a polychromatic light source, a chromatic confocal probe, a light guide connecting the source to the probe, and a separator of the return beam (reflected and / or backscattered by the object) conveyed by the light guide, which is adapted to direct the beam back to a detector; conformément à un aspect de l'invention, on dispose sur le trajet optique du faisceau incident (aller) et/ou du faisceau retour, un retardateur chromatique apte à modifier la durée de propagation de la lumière, entre la source et la sonde d'une part, et/ou bien entre la sonde et le détecteur d'autre part, de façon variable en fonction de la longueur d'onde ; according to one aspect of the invention, is arranged on the optical path of the incident beam (go) and / or the return beam, a chromatic retarder capable of modifying the light propagation time between the source and the probe a hand and / or between the probe and the second detector, variable as a function of the wavelength; en outre, on provoque l'émission, par la source lumineuse, d'une impulsion lumineuse polychromatique ; in addition, causes the emission by the light source, a polychromatic light pulse; on mesure le temps de propagation aller et retour, pour une (ou plusieurs) impulsion(s) lumineuse(s) reçue(s) par un détecteur photoélectrique, chaque impulsion reçue correspondant à un écho de l'impulsion émise due à une couche ou portion de l'objet à analyser, et on déduit de ce temps de propagation la position de ladite couche ou portion de l'objet, mesurée le long de l'axe optique de l'optique chromatique de la sonde. measuring the propagation round trip time for one (or more) pulse (s) light (s) received (s) by a photoelectric detector, each received pulse corresponding to an echo of the transmitted pulse due to a layer or portion of the object to be analyzed, and it follows from this propagation time the position of said layer or portion of the object, measured along the optical chromatic optical axis of the probe.

En d'autres termes, l'invention utilise la dispersion temporelle des différentes composantes monochromatiques de l'impulsion polychromatique émise, et/ou de l'écho - qui est mono ou polychromatique -, due à la propagation de la lumière dans le retardateur chromatique, au lieu d'utiliser la dispersion spatiale résultant de la propagation de la lumière dans un disperseur (prisme ou équivalent) d'un spectrophotomètre. In other words, the invention uses the temporal dispersion of the different monochromatic components of the polychromatic transmitted pulse, and / or echo - which is mono or polychromatic - due to the propagation of light in the chromatic retarder , instead of using the spatial dispersion resulting from the propagation of light in a disperser (prism or equivalent) spectrophotometer.

En conséquence, on peut utiliser un détecteur photoélectrique unique (et/ou ponctuel) qui délivre un signal de sortie (analogique) continu qui peut être échantillonné et numérisé à très haute f réquence ; Accordingly, a single photodetector can be used (and / or punctual) which delivers an output signal (analog) which can be continuously sampled and digitized at a very high f requency; les données numériques résultantes sont analysées par une unité électronique de traitement de données afin de calculer le temps séparant l'émission d'une impulsion et la réception d'un écho, et d'en déduire par calcul la position dans le champ chromatique de la sonde utilisée, du point de l'objet ayant provoqué cet écho. the resulting digital data is analyzed by an electronic data processing unit in order to calculate the time between the emission of a pulse and receiving an echo, and to derive by calculation the position in the color field of the probe used, the point of the object that caused the echo.

Selon un mode préféré de réalisation , ledit retardateur chromatique comporte - et/ou est essentiellement constitué par - un tronçon de fibre optique ; According to a preferred embodiment, said chromatic retarder comprises - and / or consists essentially of - a length of optical fiber; la longueur de ce tronçon est choisie suffisamment grande pour que le retard entre deux échos - à deux longueurs d'onde différentes - correspondant à une seule impulsion émise par la source soit suffisant pour permettre la séparation (temporelle) de ces deux échos : pour utiliser la dispersion chromatique de la fibre optique, on choisira généralement un tronçon de fibre optique dont la longueur est de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de mètres au moins, en particulier de l'ordre d'un ou plusieurs kilomètres. the length of this section is chosen sufficiently large so that the delay between two echoes - two different wavelengths - corresponding to a single pulse emitted by the source is sufficient to allow separation (time) of these two echoes: for use the chromatic dispersion of the optical fiber, one will generally choose a length of optical fiber whose length is of the order of one or several hundreds of meters or more, in particular of the order of one or several kilometers.

Il est en revanche nécessaire de limiter la dispersion temporelle des impulsions transmises par la fibre optique qui résulte de la diversité des modes de propagation dans la fibre ; It is however necessary to limit the temporal dispersion of the pulse transmitted by the optical fiber that results from the diversity of propagation modes in the fiber; à cet effet, on utilisera de préférence une fibre dont le gradient d'indice est adapté à cette condition. for this purpose, use will preferably be a fiber having a graded index is suitable for this condition.

Afin d'éviter qu'une ambiguïté (« double solution ») n'apparaisse lors de la détermination de la longueur d'onde centrale d'un écho à partir du temps de propagation dans le retardateur de l'impulsion lumineuse correspondante, en vue de la déduction de la distance du point de l'objet ayant généré l'écho, compte tenu du chromatisme précaractérisé de l'objectif de la sonde, il est préférable de choisir une fibre dont la variation de l'indice en fonction de la longueur d'onde, dans la plage de la longueur d'onde utile, soit monotone (et non nulle) , qu'elle soit croissante ou décroissante. To prevent a ambiguity ( "dual solution") appears in the determination of the center wavelength of an echo from the propagation time in the timer of the corresponding light pulse in order deduction of the distance from the point of the object that generated the echo, considering the chromatism précaractérisé the target of the probe, it is best to choose a fiber having the index variation as a function of the length wavelength in the range of the effective wavelength, is monotonic (and non-zero), whether increasing or decreasing.

En outre, afin de bénéficier au mieux du chromatisme de la sonde, il est souhaitable que l'énergie de l'impulsion lumineuse soit distribuée dans une large bande de longueur d'onde ; Furthermore, in order to take maximum advantage of the chromatism of the probe, it is desirable that the energy of the light pulse is distributed in a wide wavelength band; on utilise de préférence une source lumineuse émettant dans le domaine visible et/ou infrarouge, en particulier dans une plage de longueur d'onde allant de 600 à 1 500 nm environ, en particulier allant de 600 à 1 000 nm. preferably uses a light source emitting in the visible and / or infrared, in particular in a wavelength range of 600 to about 1 500 nm, particularly from 600 to 1000 nm.

La courbe représentative de la distribution spectrale de l'énergie de l'impulsion lumineuse émise par la source peut être continue ou discontinue : il peut s'agir d'un spectre de raies « discrètes » (repère 25, figure 4), d'un spectre de bandes (repère 24, figure 3), d'un spectre « plat » (repère 23, figure 2) , ou bien d'un spectre présentant à la fois des raies, des bandes et/ou une « composante continue » . The curve representing the spectral energy distribution of the light pulse emitted by the source may be continuous or discontinuous: it can be a line spectrum "discrete" (item 25, Figure 4), of a band spectrum (item 24, Figure 3), a "flat" spectrum (item 23, Figure 2), or a spectrum having both stripes, bands and / or a "DC component" . Selon un mode préféré de réalisation , le tronçon de fibre optique du retardateur chromatique est conformé de façon compacte ; According to a preferred embodiment, the length of optical fiber chromatic retarder is constructed compactly; en particulier, ce tronçon peut être enroulé pour former une (ou plusieurs) bobine(s) . in particular, this section can be wound to form one (or more) coil (s). Afin d'obtenir une résolution satisfaisante du système de mesure, il faut faire en sorte que la durée (largeur temporelle) de l'impulsion réfléchie par l'objet à analyser soit faible, de sorte que l'on puisse distinguer, à l'intérieur d'une fenêtre temporelle de mesure, deux échos correspondant à deux distances de mesure très voisines ; In order to obtain a satisfactory resolution of the measuring system, it is necessary to ensure that the time (time width) of the pulse reflected by the object to be analyzed is low, so that one can distinguish, with the within a time measurement window, two echoes corresponding to two measuring distances very close; en particulier, il est intéressant de pouvoir distinguer (discriminer) plusieurs dizaines, centaines ou milliers d'échos dans ladite fenêtre de mesure ; in particular, it is interesting to distinguish (discriminate) tens, hundreds or thousands of echoes in said measuring window; compte tenu du fait que la durée de l'impulsion d'écho est supérieure à celle de l'impulsion émise par la source, il est souhaitable que la durée de cette dernière soit faible, en particulier de l'ordre de 1 0 à 1 000 pico secondes, par exemple de l'ordre de 1 00 pico secondes. considering the fact that the duration of the echo pulse is greater than that of the pulse emitted by the source, it is desirable that the duration of the latter is low, especially of the order of 1 0-1 000 pico seconds, for example in the range from 1 00 pico seconds.

Ainsi, selon un autre aspect, un dispositif de mesure selon l'invention comporte une source d'impulsions lumineuses polychromatiques, une sonde confocale chromatique, un détecteur photoélectrique, un guide de lumière reliant la source à la sonde d'une part, et la sonde au détecteur d'autre part, ainsi qu'un retardateur chromatique, en particulier un tronçon de fibre optique de longueur adéquate inséré entre la source et la sonde et/ou entre la sonde et le détecteur. Thus, according to another aspect, a measurement device according to the invention comprises a source of polychromatic light pulses, a chromatic confocal sensor, a photoelectric sensor, a light guide connecting the source to the probe on the one hand, and probe to the other detector, and a chromatic retardant, in particular an optical fiber section of suitable length inserted between the source and the probe and / or between the probe and the detector. De préférence, le dispositif comporte en outre : Preferably, the device further comprises:

- des moyens pour déterminer, pour chaque impulsion lumineuse émise par la source, une référence temporelle (instant de départ) ; - means for determining, for each light pulse emitted by the source, a temporal reference (start time);

- des moyens pour déterminer, pour chaque impulsion lumineuse reçue par le détecteur (c'est à dire pour chaque écho) une valeur temporelle (instant de retour) ; - means for determining, for each light pulse received by the detector (i.e. for each echo) a time value (return time);

- un soustracteur pour déterminer, pour une impulsion émise et pour un écho associé, une durée de propagation (aller et retour) de l'impulsion, par différence entre ladite valeur temporelle (instant de retour) et ladite référence temporelle (instant de départ) ; - a subtractor for determining, for a transmitted and for an associated echo pulse propagation time (round trip) of the pulse, the difference between said time value (return time) and said time reference (start time) ; - des moyens pour déterminer, à partir de ladite durée de propagation, et en fonction de données d'étalonnage propres au retardateur et à la sonde chromatique, la position de point cible de l'objet ayant produit l'écho, dans le champ de mesure de la sonde confocale chromatique. - means for determining, from said propagation time, and according to specific calibration data retarder and the color sensor, the target point position of the object which produced the echo, within the scope of measuring the chromatic confocal sensor.

Selon un autre aspect, l'invention consiste à proposer un système matériel et/ou logiciel pour la mesure de dimensions par imagerie confocale, à chromatisme étendu, qui comporte des moyens pour déterminer un résultat de mesure dimensionnelle à partir de la durée de propagation d'une impulsion lumineuse dans ledit retardateur chromatique. According to another aspect, the invention is to provide a material system and / or software for measuring dimensions by confocal imaging, with a stretched chromatism, which comprises means for determining a result of dimensional measurement from the duration of propagation a light pulse in said chromatic retarder.

Selon un autre aspect, l'invention consiste à utiliser une fibre optique bobinée ou compactée dans un système de mesure dimensionnelle par imagerie confocale chromatique. According to another aspect, the invention is to use a coiled optical fiber or compacted into a dimensioning system for chromatic confocal imaging.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. Other features and advantages of the invention appear from the following description which refers to the accompanying drawings, which illustrate not limiting preferential embodiments of the invention.

La figure 1 illustre de façon schématique les principaux composants d'un dispositif selon l'invention. Figure 1 illustrates schematically the main components of a device according to the invention.

Les figures 2 à 4 sont des spectrogrammes de trois variantes de réalisation d'une impulsion lumineuse émise par la source. Figures 2 to 4 are spectrograms of three alternative embodiments of a light pulse emitted by the source. La figure 5 illustre schématiquement l'effet produit par le système opto électrique de la figure 1 et son utilisation pour la mesure de distance sans contact conformément à l'invention ; 5 illustrates schematically the effect of the electric optical system of Figure 1 and its use for contactless distance measurement according to the invention; sur cette figure est illustré un chronogramme d'une impulsion lumineuse émise par la source, ainsi qu'un chronogramme d'un signal de sortie d'un détecteur illustrant trois échos correspondant à trois positions distinctes du point cible dans le champ de mesure chromatique. in this figure is illustrated a timing chart of a light pulse emitted by the source, and a timing chart of an output signal of a detector illustrating three echoes corresponding to three distinct positions of the target point in the color measurement field.

Par référence à la figure 1 , le dispositif comporte une source lumineuse 1 telle qu'une diode électroluminescente, qui émet un faisceau lumineux impulsionnel 12 polychromatique ; Referring to Figure 1, the device comprises a light source 1 such as a light emitting diode, which emits a pulsed polychromatic light beam 12; le dispositif comporte un séparateur 2 constitué par deux prismes 2a et 2b assemblés par leur interface 2c traitée semi-réfléchissante pour former un cube ; the device comprises a separator 2 consisting of two prisms 2a and 2b assembled by their 2c treated semi-reflecting interface to form a cube; alternativement, le cube 2 pourrait être remplacé par un coupleur à fibre optique ; alternatively, the cube 2 could be replaced by a fiber optic coupler; le faisceau 1 2 traverse le cube 2 pour former en sortie un faisceau 1 3 pénétrant à une extrémité 3a d'un tronçon de fibre optique 3 de grande longueur ; 1 2 the beam passes through the cube to form two output a Trunk group 1 3 penetrating at one end 3a of a section of optical fiber 3 of great length; le faisceau 1 4 transmis par le cœur de la fibre 3 est intégré à l'entrée de la sonde 4 comportant un objectif 4a à chromatisme accentué le long de son axe optique 5 ; beam 1 4 transmitted by the heart of the fiber 3 is integrated with the inlet of the probe 4 comprising a lens 4a to chromatism accentuated along its optical axis 5; du fait du chromatisme de l'objectif 4a, l'impulsion lumineuse incidente 1 4 est dispersée spatialement à la sortie de l'objectif 4a, le rayon 1 5 indiquant schématiquement le trajet d'une composante spectrale telle que λl figure 4, tandis que le rayon 1 6 indique schématiquement le trajet d'une composante spectrale telle que λ3 figure 4. L'objet 27 à analyser est placé dans le champ de mesure de la sonde 4, de telle sorte qu'un point 28 de son contour externe 29 soit situé sur l'axe 5, entre les points 17 et 1 8 de cet axe qui correspondent respectivement au foyer de l'objectif 4a pour les longueurs d'onde λl et λ3 de trajet optique 1 5, 1 6 respectivement ; due to the chromatism of the lens 4a, the incident light 4 1 pulse is spatially dispersed at the output of the target 4a, Department 1 5 schematically showing the path of a spectral component as λl Figure 4, while Department 1 6 schematically shows the path of a spectral component as λ3 Figure 4. the object 27 to be analyzed is placed in the measuring field of the probe 4, such that a point 28 of its outer contour 29 is located on the axis 5, between points 17 to 1 8 of the axis which correspond to the focus of the lens 4a for λl wavelengths λ3 and optical path 1 5, 1˝ 6 respectively; selon la conception de l'objectif 4a, la distance séparant les points 17 et 1 8 pourra par exemple varier de quelques microns à plusieurs dizaines de millimètres ; depending on the design of the lens 4a, the distance between the points 17 and January 8 may for example vary from a few microns to several tens of millimeters; cette distance est la profondeur du champ chromatique de mesure. this distance is the depth of field of color measurement.

La sonde 4 fonctionnant selon le principe de l'imagerie confocale, provoque un filtrage « spatial » : seul l'écho réfléchi ou rétrodiffusé par le point 28, qui se propage selon un trajet intermédiaire entre les trajets extrêmes 1 5 et 1 6, est retransmis par l'objectif 4a jusqu'à son foyer objet ; Probe 4 using the principle of confocal imaging, causes a "spatial" filter: only the reflected or backscattered echo through the point 28, which propagates along a path intermediate between the extremes lanes 1 5, with 1 6, is retransmitted by the lens 4a to its object focus; en outre, du fait du chromatisme de l'objectif 4a, cet écho consiste essentiellement en une raie spectrale de longueur d'onde (telle que λ2 figure 3 ou 4) intermédiaire entre les longueurs d'onde extrêmes λl et λ3, et une relation (bijection) relie cette longueur d'onde intermédiaire à la position du point 28 mesurée sur l'axe 5 ; further, due to the chromatism of the lens 4a, this echo is essentially a spectral line wavelength (λ2 as Figure 3 or 4) intermediate between the extreme wavelengths λl and λ3, and a relationship (bijection) connects the intermediate wavelength to the position of point 28 measured along the axis 5; l'impulsion d'écho 1 9 retransmise par la sonde 4 à l'extrémité « aval » 3b de la fibre 3 consiste donc essentiellement en ladite raie spectrale intermédiaire (λ2) , comme dans le cas du dispositif décrit dans le brevet FR-A-2,738,343 susmentionné. the echo pulse September 1 sent by the probe 4 at the end "downstream" 3b fiber 3 thus consists essentially of said intermediate spectral line (λ2), as in the case of the device described in patent FR-A -2738343 above.

L'écho 1 9 est transporté par la fibre 3, de 3b en 3a, avec un temps de propagation caractéristique de sa longueur d'onde (λ2) ; The echo 1 9 is transported by the fiber 3, 3b in 3a, with a propagation delay characteristic of the wavelength (λ2); cet écho est réfléchi par l'interface 2c et forme l'impulsion d'écho 21 dirigée vers le détecteur 6 unique qui délivre un signal 1 0 de sortie, à une unité 7 de traitement de signaux et de données, constituée par exemple d'un ordinateur personnel équipé de cartes d'échantillonnage et de numérisation du signal 1 0. L'unité 7 est reliée à cet effet au détecteur 6 par une liaison 8 ; this echo is reflected from the interface and 2c forms the echo pulse 21 directed towards the single detector 6 which outputs a 1 signal output 0, a unit 7 for processing signals and data, consisting for example of a personal computer equipped with sampling maps and digitizing the signal 1 0. the unit 7 is connected for this purpose to the detector 6 by a link 8; elle est en outre reliée à la source 1 par une liaison 9 pour envoyer à la source des signaux de commande de génération d'impulsions lumineuses 1 2. it is further connected to the source 1 by a link 9 to send to the source of the light pulse generating control signals 1 2.

Une partie de l'impulsion 1 2 émise par la source 1 est réfléchie par l'interface 2c et dirigée par un guide 22 de lumière vers le détecteur 6 ; A portion of the pulse 1 2 emitted by source 1 is reflected by the interface 2c and guided by a guide 22 of light to the detector 6; ceci permet à l'unité 7 de recevoir du détecteur 6 un signal correspondant à l'émission d'une impulsion, qui sert de référence temporelle pour le calcul, par différence avec la valeur temporelle correspondant au retour de l'écho sur le détecteur, du temps de propagation - aller - de l'impulsion incidente et de propagation -retour - de l'écho. This enables the unit 7 to receive the detector 6 a signal corresponding to the emission of a pulse which serves as a time reference for the calculation, by difference with the time value corresponding to the return of the echo on the detector, the propagation time - go - of the incident pulse and spread -back - echo.

Aucune cohérence (ni spatiale, ni temporelle) n'est requise concernant l'impulsion 1 2 émise par la source 1 . No consistency (or spatial or temporal) is required for pulse 1 2 emitted by source 1.

Le détecteur 6 ou l'unité 7 comporte un échantillonneur temporel permettant une résolution suffisante le long de l'axe de mesure : on doit disposer de typiquement 1000 échantillons sur la durée globale d'une mesure (de l'ordre de 1 00 ns) correspondant à la profondeur de champ d'observation, et aussi de quelques dizaines d'échantillons (environ 30) pour un écho. The detector unit 6 or 7 has a temporal sampler allowing sufficient resolution along the measurement axis: it must have typically 1000 samples on the overall length of a measure (on the order from 1 00 ns) corresponding to the depth of field of observation, and also from a few tens of samples (about 30) for an echo. Les principales étapes de traitement du signal délivré par le détecteur 6 sont : The main signal processing stage supplied by the detector 6 are:

- calcul de la référence temporelle provenant de la source (par exemple calcul de barycentre) et mise en mémoire ; - calculating the time reference from the source (e.g., barycenter calculation) and stored; l'instant d'émission de l'impulsion et l'instant d'arrivée sur le détecteur de l'écho signal sont séparés de quelques microsecondes, the pulse emitting moment and the moment of arrival on the detector of the echo signal are separated by a few microseconds,

- numérisation de l'écho signal, - digitization of the echo signal,

- calcul du barycentre (temporel) de l'écho (-gaussienne) , - calcul de l'écart temporel entre la référence provenant de la source et le barycentre de l'écho, - calculation of the barycenter (time) of the echo (-gaussienne), - calculating the time difference between the reference from the source and the centroid of the echo,

- détermination, à partir de cet écart temporel, de la position du point 28 le long de l'axe optique 5 du crayon optique (à partir des données d'étalonnage du capteur) . - determining, from this time difference, the position of the point 28 along the optical axis 5 of the optical pen (from the sensor calibration data). Exemple de mesure : Measuring example:

- une impulsion 12 polychromatique très brève (dont la durée est généralement située dans une plage allant de 1 0 ps à 1 ns, typiquement 1 00 ps) correspondant à une fréquence d'émission d'impulsion de l'ordre de 1 à 1 00 GHz, typiquement de 1 0 GHz, est injectée dans le système à un instant référencé ; - a pulse 12 very brief polychromatic (whose duration is generally within a range of from 1 0 ps to 1 ns, typically 00 ps 1) corresponding to an order of pulse emission frequency of 1 to 00 1 GHz, typically from 1 0 GHz, is injected into the system at a referenced time; une partie de l'impulsion-source est dirigée vers le système de détection ; a portion of the pulse source is directed towards the detection system;

- l'impulsion traverse la fibre optique 3 de grande longueur (typiquement un ou plusieurs km) : l'impulsion est "étalée" temporellement mais reste polychromatique ; - the pulse passes through the optical fiber 3 is long (typically one or more km): the pulse is "spread" in time but is polychromatic;

- l'impulsion 1 4 traverse le crayon optique 4 et est focalisée sur un segment de son axe optique 5 (codage chromatique) ; - pulse 1 4 passes through the light pen 4 and is focused on a segment of the optical axis 5 (color coding);

- compte-tenu de la dispersion chromatique axiale étendue du crayon optique, seule une partie spectrale étroite de la source est parfaitement focalisée sur le(s) point(s) objet(s) visé(s) 28 ; - taking into account the extent of axial chromatic dispersion optical pen, only a narrow spectral portion of the source is perfectly focused on the (s) point (s) article (s) covered (s) 28; on peut le cas échéant viser simultanément plusieurs points objets, par exemple les deux points sur l'axe des faces d'une lame transparente ; can be optionally simultaneously serve several object points, such as two points on the axis of the faces of a transparent plate;

- par rétrodiffusion et/ou réflexion spéculaire, chaque point objet 28 réinjecte dans le crayon optique 4 une partie de la lumière (spectre étroit) qu'il a reçue ; - backscatter and / or specular reflection, each object point 28 in the reinjected light pen 4 A Party light (narrow spectrum) has received; seuls les points objets réinjectent efficacement du flux dans le crayon optique (qui fonctionne selon le principe de l'imagerie confocale) ; only the object points effectively re-inject the flow in the optical pencil (which operates on the principle of confocal imaging);

- par retour inverse de la lumière, le crayon optique focalise chaque impulsion écho toujours au même point : le point source initial en sortie de la fibre optique, quelle que soit la position axiale du point objet correspondant ; - reverse return light, the optical pen always focuses each echo pulse at the same point: the initial source output point of the optical fiber, irrespective of the axial position of the corresponding object point;

- chaque écho 1 9 est injecté dans la fibre optique : il est une fois de plus élargi temporellement ; - each echo 1 9 is injected into the optical fiber: it is once more expanded temporally; de plus et surtout, il est retardé suivant sa composition spectrale caractéristique de l'altitude du point objet correspondant ; and more particularly, it is delayed according to its spectral composition characteristic of the altitude of the corresponding object point; le retard Tj , T 2 , T 3 (figure 5) est variable en fonction de la longueur d'onde λl , λ2 , λ3 de l'écho 21 renvoyé par le point 28 de la surface 29 de l'objet 27, suivant que ce point 28 est situé à une extrémité 1 7 ou 1 8 du champ de mesure sur l'axe 5 (figure 1 ) , ou bien en une position intermédiaire entre les points 1 7 et 1 8 ; the delay Tj, T 2, T 3 (Figure 5) is variable depending on the wavelength λl, λ2, λ3 of the echo 21 returned by the point 28 of the surface 29 of the object 27, according as this point 28 is located at one end 1 7 or 1 8 of the measuring field on the axis 5 (Figure 1) or in an intermediate position between points 1 7 and 1 8;

- chaque écho 20 est dirigé par le cube séparateur sur le détecteur 6 photoélectrique ; - each echo 20 is directed by splitter cube on the photoelectric detector 6; sur le détecteur, chaque écho 21 est échantillonné temporellement ; on the detector, each echo is sampled temporally 21;

- un calcul est effectué sur les signaux successivement enregistrés afin de déterminer le(s) barycentre(s) de ces mesures, barycentre(s) temporel(s) de chaque écho ; - a calculation is performed on the successively recorded signals to determine (s) center of gravity (s) of these measures, the barycenter (s) Time (s) of each echo;

- le barycentre est déterminé d'autant plus précisément que le nombre d'échantillons utiles au calcul est grand. - the center of gravity is determined even more precisely than the number of useful samples for calculation is large. Ce nombre d'échantillons est limité principalement d'une part par la largeur temporelle induite par le système (élargissement dû au guidage de la fibre, influence du crayon optique sur la durée de l'écho du fait de la largeur spectrale résiduelle due au montage confocal réalisé, durée de l'impulsion source) , d'autre part par le flux minimal nécessaire à la mesure ; This number of samples is limited primarily one hand by the time width induced by the system (broadening due to the guide of the fiber, influence of the light pen on the duration of the echo due to residual spectral width due to the fitting confocal performed, duration of the pulse source) on the other hand by the minimum flow necessary for the measurement; la largeur 30 de l'écho 21 est supérieure à celle 31 de l'impulsion 1 2 émise par la source ; the width 30 of the echo 21 is greater than that 31 of pulse 1 2 emitted by the source;

- la position "temporelle" du barycentre représente la longueur d'onde sélectionnée par le crayon optique, qui est elle-même caractéristique de la position axiale du point objet. - the "time" represents the position of the centroid wavelength selected by the light pen, which is itself a feature of the axial position of the object point. Un étalonnage préalable de l'instrument permet de calibrer la position temporelle des différentes longueurs d'onde correspondant aux altitudes objet mesurées selon l'axe 5 ; Prior calibration of the instrument used to calibrate the temporal position of the different wavelengths corresponding to the object heights measured along axis 5;

- la précision de la mesure de position de l'objet dépend de la précision de la détermination du barycentre temporel de l'écho 21 ; - the accuracy of the position of the object of measurement depends on the accuracy of determining the centroid time of the echo 21;

- l'objet et le capteur peuvent être déplacés latéralement (selon deux axes XY formant avec l'axe 5 un référentiel à trois dimensions) relativement l'un par rapport à l'autre, pour mesurer les altitudes de l'ensemble des points du champ objet mesuré. - the object and the sensor can be moved laterally (in two XY axes forming with the axis 5 a three-dimensional reference frame) relatively with respect to each other, for measuring heights of all the points of field measured object. On obtient ainsi la topographie de la surface de l'objet. This gives the topography of the surface of the object.

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Cooperative ClassificationG02B21/0064, G01S17/08, G02B21/0028, G01S17/89
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