Instruments de mesure sans contact
Les instruments de mesure sans contact réalisent la mesure à l'aide d'un faisceau de lumière et non d'un stylet. Il existe plusieurs types de rugosimètres sans contact, se différenciant par leur principe de fonctionnement (principe confocal, interférométrie par lumière blanche, etc.). De plus, d'autres instruments permettent de mesurer la rugosité, tels que les instruments à contact transformés en instruments sans contact en remplaçant leur sonde par un capteur optique et, bien sûr, les microscopes. Cette section vous explique le principe confocal en se basant sur l'utilisation du microscope à balayage laser 3D série VK-X de KEYENCE.
Un microscope à balayage laser 3D utilise le principe confocal pour mesurer les irrégularités de surface d'une cible. Sa source lumineuse est un laser.
La configuration du système suit le schéma ci-contre.
La cible est placée sur la platine XY de l'unité de mesure, puis est mesurée.
Le microscope à balayage laser 3D série VK-X de KEYENCE intègre un système de balayage X-Y. Le faisceau laser, émis par la source lumineuse, balaye la surface de la cible suivant les axes X et Y afin d'acquérir des données. Son principe de fonctionnement est expliqué ci-dessous.
Principes de mesure du microscope à balayage laser 3D
- 1. Le faisceau laser émis par la source lumineuse balaye la surface de la cible.
- 2. La lumière laser réfléchie par la surface de la cible frappe le semi-miroir et est déviée vers l'élément récepteur de lumière. À cette étape, l'intensité lumineuse réfléchie reçue et la position verticale de l'objectif sont enregistrées. Le microscope laser acquiert 1024 points de données suivant l'axe X et 768 points de données suivant l'axe Y. L'intensité lumineuse réfléchie et la position verticale de l'objectif sont enregistrées pour chacun des points soit pour 1024 × 768 = 786 432 points.
- 3. Une fois le balayage d'un plan de la surface terminé, l'objectif est déplacé du pas spécifié suivant l'axe Z.
- 4. Le balayage est répété pour le plan mis au point et l'intensité lumineuse réfléchie est à nouveau mesurée pour 1024 × 768 points. L'intensité lumineuse mesurée est comparée à l'intensité lumineuse enregistrée sous « v » pour chaque pixel.
Si la nouvelle valeur est plus élevée, l'intensité lumineuse et la position verticale de l'objectif enregistrées sont écrasées et remplacées par les nouvelles données. - 5. Les étapes (2) à (4) sont répétées jusqu'à atteinte de la position suivant Z spécifiée.
- 6. À la fin du processus, la position verticale de l'objectif à laquelle l'intensité reçue est maximale et la valeur de cette intensité sont enregistrées pour chacun des 1024 × 768 pixels.
- 7. Sur les microscopes optiques, la distance de travail (distance de l'objectif à la cible) à laquelle s'effectue la mise au point (plan focal) demeure constante. Si l'on suppose que l'image est nette lorsque l'intensité lumineuse réfléchie est maximale, il est possible d'obtenir des données 3D dans la zone d'observation (1024 x 768 pixels) du microscope en assemblant les données nettes obtenues aux différentes positions verticales de l'objectif.
Précision de mesure du microscope à balayage laser 3D
La précision de mesure des systèmes de mesure de type confocal dépend de leur capacité à déterminer précisément la valeur de crête de l'intensité lumineuse réfléchie. Il existe plusieurs façons de construire un système optique confocal. Le système confocal à sténopé utilisé dans les microscopes à balayage laser 3D de KEYENCE est illustré ci-dessous. Dans ce système, un sténopé est placé devant l'élément récepteur de lumière. Le diamètre de son ouverture ne dépasse pas quelques dizaines de micromètres, permettant de bloquer la lumière réfléchie par les pixels en dehors du plan focal (flous). Comme illustré ci-dessous, lorsque la cible est dans le plan focal, la lumière réfléchie est reçue par l'élément récepteur de lumière dans les deux systèmes (optique classique et optique confocal). Cependant, lorsque la cible est en dehors du plan focal, la lumière réfléchie atteint bien l'élément récepteur de lumière dans le système classique mais est bloquée par le sténopé dans le système optique confocal.
En d'autres termes, le système optique confocal est conçu pour que seule la lumière réfléchie par les pixels
situés dans le plan focal atteigne l'élément récepteur de lumière.
L'effet du sténopé sur la lumière reçue est illustré dans le schéma ci-contre. Avec le système optique confocal, la courbe de l'intensité lumineuse reçue forme un pic au point focal. Avec un système optique classique, la courbe obtenue affiche une colline très légère au point focal. L'absence d'un pic prononcé au point focal empêche la détection de la position à laquelle la cible est nette.
Résolution laser suivant X-Y
Sur les instruments de mesure sans contact, le spot du faisceau laser remplace la pointe du stylet. Aucun contact avec la cible n'est requis. De ce fait, les problèmes d'usure du stylet et d'endommagement de la cible sont évités. Cependant, la taille du spot est un facteur déterminant pour la précision de mesure du profil. Pour faire simple, un diamètre de spot faible permet de mesurer des caractéristiques plus petites. Les microscopes laser utilisent un faisceau produisant un spot extrêmement fin. Avec son objectif 150× (N.A. = 0,95), la série VK-X, qui intègre un laser violet en tant que source lumineuse, offre une résolution spatiale planaire de 0,13 μm.
Le microscope laser permet de mesurer de minuscules aspérités de surface, impossibles à capturer avec un
instrument de mesure à contact.