La présente invention a pour but de créer un interféromètre qui soit autant que possible insensible aux variations de pression atmosphérique, aux variations de température et aux variations du degré hygrométrique de l'air.
En effet la mesure avec un interféromètre classique dépend de la stabilité en fréquence de la source mais surtout de l'indice de réfraction du milieu ambiant qui est l'air. La stabilité des sources est, en général, suffisante, mais les variations d'indice de l'air sont particulièrement gênantes. On a proposé de nombreuses solutions pour pallier cet inconvénient, elles ont toutes le défaut que finalement l'interféromètre devient très cher et parfois assez compliqué.
On peut faire le vide (un vide relatif suffit). Cela est peu pratique.
On peut immerger l'interféromètre dans un liquide. L'indice de réfraction n des liquides variant avec la température, ce n'est pas une solution parfaite mais, au moins, la pression barométrique et la composition de l'air ne jouent plus aucun rôle.
Toutes ces considérations sont bien connues des interférométristes et des métrologues et c'est la raison pour laquelle on utilise les interférences soit pour des courtes longueurs (moins d'un mm), pour lesquelles les variations de n sont sans importance pratique, soit pour de grandes longueurs (plus de 10 m) pour lesquelles la précision relative est souvent suffisante même lorsque n varie de 10-4.
La présente invention se propose de réaliser un interféromètre destiné à la mesure de courses de l'ordre de 100 mm à 0,1 im près, et pouvant donc être utilisé dans les machines notamment destinées à l'industrie des circuits intégrés.
L'invention a pour objet un interféromètre comportant une partie émettrice d'un rayonnement électromagnétique, une partie réceptrice et une partie optique présentant un prisme d'interférence, caractérisé par le fait que le chemin optique du faisceau de longueur variable en fonction du déplacement à mesurer est contenu dans un élément de liaison solide.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple trois formes d'exécution de l'interféromètre selon l'invention.
La fig. 1 est une vue de côté de la partie optique de l'interféromètre, selon une première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue en plan de l'interféromètre illustré à la fig. 1, le bloc de liaison et l'enceinte étanche n'étant pas illustrés.
Les fig. 3 et 4 illustrent le détail du montage de la partie optique de l'interféromètre.
Les fig. 5 et 6 illustrent deux éléments constitutifs de la partie optique de la seconde forme d'exécution de l'interféromètre.
La fig. 7 illustre une vue en bout de la seconde forme d'exécution de l'interféromètre.
La fig. 8 illustre vue de côté la troisième forme d'exécution de la partie optique de l'interféromètre.
La fig. 9 est une vue en bout de la partie optique de l'interféromètre illustrée à la fig. 6.
Toutes les formes d'exécution du présent interféromètre comportent une partie émettrice et une partie réceptrice qui toutes deux peuvent être d'un type bien connu et ne seront donc pas décrites en détail ici.
La partie émettrice 1 peut par exemple comporter un laser à gaz, un polarisateur et une lame 1/4 d'onde de manière à produire un faisceau de rayons monochromatiques polarisé circulairement pouvant être utilisé pour la création d'interférence.
La partie réceptrice 2 peut comporter un cube semi-transparent, deux polarisateurs et deux cellules photo-électriques alimentant toute la partie électronique de l'interféromètre qui, elle, est également bien connue et ne sera pas décrite ici.
La partie optique de l'interféromètre se distingue des parties optiques des interféromètres existants par le fait que pratiquement la totalité du chemin parcouru par les rayons incidents et réfléchis se situe en milieu solide et non dans l'air, c'est-à-dire dans un milieu dont l'indice de réfraction est pratiquement indépendant des variations de pression atmosphérique, de température et bien entendu du degré hygrométrique. Cette particularité permet ainsi de réaliser un interféromètre simple mais de haute précision puisque la mesure obtenue est indépendante de facteurs extérieurs à cette mesure.
Dans la forme d'exécution illustrée aux fig. 1 et 2 cette partie optique est logée dans une enceinte étanche 3 dont l'utilité deviendra apparente dans ce qui suit
Cette partie optique comporte un prisme d'interférence comprenant un prisme d'entrée 4 et un prisme de sortie 5, permettant aux rayons d'entrer et de sortir d'un prisme de Koesters 6. Un prisme de transition 7 permettant aux rayons à chemin variable i d'entrer dans un élément de liaison solide et transparent 8 s'étendant jusqu'à un trièdre réflecteur 9.
L'élément de liaison 8 est monté à l'intérieur de l'enceinte étanche de manière à pouvoir coulisser longitudinalement et parallèlement à la face de sortie 10 du prisme de transition 7. Cet élément de liaison 8 est solidaire d'un axe 11 traversant de façon étanche la paroi de l'enceinte 3 et qui est destiné à être relié à l'organe mobile d'une machine dont on veut mesurer les déplace ments. Il est à noter que la direction du chemin optique des rayons dans l'élément de liaison 8 forme un angle a avec l'axe de déplacement de cet élément 8 qui coïncide lui avec l'axe de mesure. Cette particularité est intéressante car en réglant cet angle a correctement il est possible de faire correspondre une longueur d'onde ou une fraction de longueur d'onde donnée à une fraction décimale d'un millimètre.
Cette partie optique de l'interféromètre comporte enfin un dispositif de guidage du trièdre réflecteur 9 tel qu'il permette l'entraînement de ce trièdre 9, dans les déplacements linéaires de l'élément de liaison et simultanément un déplacement de ce trièdre suivant une direction perpendiculaire pour assurer que celui-ci se trouve toujours dans le prolongement du rayon i quelle que soit la position longitudinale de l'élément de liaison 8.
Le trièdre réflecteur 9 est porté dans une monture 12 appliquée par une action élastique 13 contre la face terminale de la monture 14 de l'élément de liaison 8 par l'intermédiaire de roulements 15. En outre la monture 12 comporte un bras 16 sur lequel sont pivotés deux galets 17, 18 roulant sans jeu de part et d'autre d'une tige de guidage 19 s'étendant parallèlement au chemin optique du rayon i.
De cette façon, grâce à l'action élastique 13, le trièdre 9 reste toujours appliqué contre la face arrière de l'élément de liaison 8 et se déplace avec celui-ci et simultanément suivant une direction perpendiculaire afin de garder, quelle que soit la position de l'élément de liaison, la même position par rapport au rayon i.
Enfin l'enceinte étanche 3 est remplie d'un liquide, tel que du dibutylphthalate, pour permettre le passage aller et retour du rayon i du prisme de transition 7 à l'élément de liaison 8 et de cet élément 8 au trièdre 9 sans être dévié.
Les rapports des distances parcourues dans les deux milieux, solide et liquide, sont de,
1'? au maximum, pour 1 distance D dans le liquide on aura 840 distances D dans le solide.
2e) au minimum, pour 1 distance D dans le liquide on aura 420 distances D dans le solide.
Cette différence s'expliquant par la capacité mesurante de l'appareil.
On constate déjà, que les influences de la pression atmosphérique et du degré hygrométrique sont éliminées et que seule la température peut être prise en considération.
Les effets de la température sont de 2 ordres agissant dans le même sens.
1. La dilatation de la masse en allongeant les distances optique s augmentera le nombre de franges comptées.
2. L'élévation de la température modifiera l'indice de réfraction et diminuera la longueur d'onde L Donc, augmentera également le nombre de franges comptées.
Afin de réduire ces influences, il faut trouver un milieu solide dont les variations physiques seront minimes.
- Le verre K5; d'indice n= 1.52249, tout en étant très classique
possède des caractéristiques intéressantes à ce sujet.
1. Le coefficient de dilatation est de crx 10-7 /"C entre -30Cet +70"C
2. La variation de l'indice de réfraction est de
0,3 x 104 ÉC entre +20"C et +400C (s'entend pour: & absolu et pour B=6438 ) - Le liquide d'immersion sera du dibutylphthalate dont les
caractéristiques sont les suivantes.
n20 = 1,492 (t +0,2)
pureté > 99,5%
point d'ébullition 154%155
densité - 1,05
viscosfté4- 20 '-0,20 poises - l0ÉC
La source lumineuse sera évidemment fournie par un laser. La valeur de l'interféromètre dépendra de la stabilité longitudinale de celui-ci.
A titre d'exemple, le tube laser spectra-physique N" 060 de 268 mm de cavité résonnante a un mode longitudinal de 550 - lorsqu'il a atteint la température d'équilibre, la stabilité de la longueur d'onde est à 1.10-5 soit pour une capacité mesurante de 100 mm une tolérance de + 1 pm. Ceci est évidemment inacceptable sur le plan métrologique.
Il reste donc deux possibilités: utiliser un laser stabilisé garantissant que T sera de 10-7, mais très onéreux - ou trouver un tube à plasma, non stabilisé, mais encore satisfaisant.
En résumé, nous avons les données suivantes: - la pression atmosphérique et le degré hygrométrique sont annulés.
- les effets de la température minimisés.
- la stabilité de la longueur d'onde assurée.
La longueur d'onde dans l'air du laser He Ne est de X=6328 .
Les chemins optiques étant entièrement dans le verre K 5, la longueur d'onde devient
X 6328 Â =4l56Â
n 1,52249
A cause de la petitesse des chemins dans le liquide, leur influence est négligée.
Donc en comptant 1 frange, nous aurons parcouru 0,4156 pm.
Cette valeur à plusieurs décimales n'est pas pratique pour les mesures, mais on projette cette valeur suivant un angle a de telle manière que cette projection égale seulement 0,4 pm soit cos
a=w5w, donc, sous l'angle a, chaque frange comptée égalera égalera 0,4 pm sur le vecteur de projection.
Comme il est facilement réalisable de compter en 1/4 de frange, on pourra donc apprécier le ·o de pm.
Le prisme d'interférence est fixe. Il reçoit la lumière du laser, qui se sépare en deux faisceaux dont l'un r sera figé dimensionnellement dans le prisme et l'autre en sortira, grâce au liquide d'immersion. II rentrera dans le bloc de liaison 8, puis dans le trièdre 9 et venant se réfléchir sur la face miroitée 20 fera le même chemin en sens inverse.
Donc pour un déplacement D suivant l'axe mesurant m, nous compterons 4 code suivant l'axe des interférences f donc coD 1=n fois '
,,-n fois X'
Les défauts relatifs des guidages mécaniques du groupe mobile: bloc de liaison plus trièdre, sont annulés du fait des qualités optiques de ce dernier.
Il est par contre, très important de garantir la parfaite équidistance entre le bloc de liaison et le trièdre durant le trajet G de ce dernier.
Ce mouvement sera réalisé à partir de plans rodés à 1/2 frange et de billes calibrées (tolérance totale de sphéricité à 0,05 pmt En supposant aucune intégration des tolérances des billes nécessaires et en prenant cette tolérance comme variation maximum, on obtient une erreur de 1/2 frange.
On constate également que la variation de l'angle a modifié la valeur de la projection, donc de la mesure.
Pour garantir +0,1 im sur les 100 mm de déplacement, il faut que l'angle a soit maintenu dans une tolérance totale de 1" 1/2.
Rappelons que seule la température peut avoir des effets perturbateurs, mais de même sens, et donc fausser les mesures.
On pourra alors envisager d'asservir thermiquement l'angle a de telle manière qu'une variation de température agisse sur sa valeur et de ce fait, rétablisse la vraie mesure.
Dans la seconde forme d'exécution illustrée aux fig. 5 à 7, la partie optique de l'interféromètre comporte deux unités illustrées respectivement aux fig. 5 et 6.
Chacune de ces unités comporte un groupe de prismes d'entrée 21 et un parallélipipède en verre, formé de deux coins 22, 23, déplaçables conjointement à l'organe dont on veut mesurer les déplacements.
La lumière en faisceau étroit (laser) entre dans le groupe des petits prismes 21 qui sont fixes, traverse 4 fois l'épaisseur de verre en coin 22 en se réfléchissant sur la rampe 24 qui est un miroir opaque et sur la base 25 qui est partiellement aussi un miroir opaque. Le faisceau revient alors sur lui-même, il y a eu alors 8 parcours dans le verre.
La variation de longueur du chemin parcouru aller et retour dans le verre est proportionnelle au déplacement longitudinal du bloc de verre par rapport au groupe de prismes fixes 21.
Si on colle les deux unités précitées flanc contre flanc et que l'on coiffe les groupes de prismes 21, 22' par un prisme de Koesters 26 (fig. 7) on obtient un interféromètre puisque le faisceau qui revient d'une rampe 24 interfère avec le faisceau qui revient d'une rampe symétrique 24'.
Par conséquent, lorsque les rampes se déplacent suivant la direction de la flèche g, un des faisceaux augmente pendant que l'autre diminue.
Tous les trajets qui sont hors des coins 22, 22' sont fixes dans le verre et dans l'air. Le passage dans l'air est très court et représente au total 16 fois la distance entre les prismes fixes et le bloc des deux coins. Si la distance est de 100 pm, le chemin parcouru au total est de 1,6 mm et il est symétrique et pratiquement invariable, donc les changements d'indice de l'air sont sans effet.
Comme les angles de traversées sont tous proches de la normale, il n'est pas nécessaire d'immerger la transition.
La longueur d'onde dans le verre est de = 4156 .
Il est très compliqué de calculer la longueur totale des 4 trajets réfléchis entre la surface 3 et 4 en fonction de l'angle a que forme la rampe 24 avec la direction g de déplacement du parallélipipède en verre. Mais en première approximation, la mesure graphique indique pour un angle de fj = 20 , que la différence totale des chemins parcourus par les deux rayons des deux groupes dans leurs courses aller et retour est d'environ 4,2 pour un déplacement unitaire dans le sens de la flèche g.
Par conséquent, si l'on déplace le parallélipipède de verre de 0,1 pm, on change la différence de marche dans rinterféromètre de 0,42 pm, soit B' dans le verre et, par conséquent, on comptera une frange dans le compteur. Le compteur compte donc directement en 1/10 pm (électroniquement, on compte en général 2 impulsions par frange, soit 1/20 pm).
La rectitude du plan 24 n'est pas parfaite et, par conséquent,
I'équidistance des franges n'est pas garantie. Mais, si le défaut est certain, il est aussi parfaitement répétable et, par conséquent on peut le corriger par une rampe de correction qui agit sur un verre plan parallèle 27 (fig. 7). Ce verre décale en long les deux faisceaux en même temps et les déplace le long de la rampe.
La troisième forme d'exécution illustrée aux fig. 8 et 9 permet d'obtenir une correction automatique des erreurs de rectitude de la rampe 24 du bloc parallélipipédique de liaisons 22, 23, 22', 23'.
Il suffit en effet de disposer vers la face opposée de l'élément de liaison un groupe de prismes 21", 21"' et un prisme de Koesters 26' formant un second interféromètre travaillant avec la même rampe 24, 24' mais sur son côté opposé. En formant la moyenne arithmétique des faisceaux sortant de ces deux interféromètres on obtient un résultat équivalent à celui obtenu par un seul interféromètre disposant d'une rampe parfaitement rectiligne.
Il faut encore noter que la disposition symétrique des organes optiques élimine l'effet du roulis et du tangage qui sont inévitables dans un déplacement mécanique le long d'une glissière.