Les deux voies classiques de la métrologie, la règle et l'interféromètre ont chacun des défauts bien connus qui en rendent l'utilisation parfois aléatoire, parfois impossible.
En bref, un interféromètre (Michelson, Posters, etc.), subdivise un déplacement en fraction de longueurs d'ondes. Mais ces fractions de longueurs d'ondes (les franges ) ne sont jamais des multiples exacts du système de mesure employé. Il faut transformer les écarts de franges (en ,um par exemple). C'est une complication ennuyeuse. Il y a pire. Les variations de longueurs d'ondes provenant d'une source (en général un laser He Ne) sont provoquées non seulement par l'instabilité de la fréquence du laser qui doit alors être stabilisé, ce qui est coûteux, mais encore et surtout
par les changements perpétuels de l'indice de réfraction de l'air.
On a proposé un grand nombre de solutions pour pallier ces inconvénients. Mais l'expérience prouve que l'utilisation d'interféromètres pour mesurer un déplacement reste peu praticable dans la technique industrielle.
La règle classique, c'est-à-dire comportant une division à traits fins, situés à des intervalles réguliers, a une lacune. Les positions intermédiaires entre deux traits doivent être interpolées.
Pour résoudre ce problème, on a proposé des solutions nombreuses qui sont souvent soit lentes, soit compliquées, soit imprécises.
Or, un problème qui se pose pour les fabricants de machines de haute précision est de pouvoir déterminer la position d'un organe mobile avec une précision au moins égale à +1 um pour les machines à usiner et de +0,1 llm pour les machines à mesurer.
Les solutions proposées ou réalisées peuvent se classer dans les catégories principales suivantes:
a) Les interférences lumineuses. Leur sensibilité à l'ambiance les rend inutilisables hors des laboratoires.
b) Les règles divisées (par exemple traits de 10 llm tous les mm) exigent un interpolateur très fin dont l'action est précise mais lente si la lecture est laite par une exploration optique ou si la règle est électrique (par exemple inductosyr Farrand) I'interpolation très fine devient aléatoire.
c) Les règles divisées finement que nous appellerons reseaux.
L'avantage des réseaux est qu'ils exigent une interpolation moins fine pour déterminer une position précise. Idéalement, il faudrait qu'il n'y ait pas d'interpolation du tout, ce qui voudrait dire que le pas du réseau devrait être de 2 ,um pour les machines à usiner et de 0,2 llm pour les machines à mesurer.
Ces finesses de division sont irréalisables par les procédés usuels.
Le but de la présente invention est de proposer un système qui soit en même temps suffisamment fin pour que les besoins des fabricants de machines soient satisfaits et suffisamment simple pour être praticable.
La présente invention a pour objet un procédé de mesure des déplacements d'une règle de précision graduée, caractérisé par le fait qu'on crée un champ d'ondes stationnaires à trois dimensions par le croisement de deux faisceaux de lumière monochromatique issus de la même source, l'interfrange des ondes stationnaires étant égal à l'intervalle séparant deux graduations successives de la règle, qu'on dispose dans ce champ d'ondes stationnaires la règle de précision de manière que la face graduée de celle-ci soit perpendiculaire au plan bissecteur des faisceaux se croisant, et par le fait qu'on recueille la lumière, réfléchie ou transmise, modulée par le déplacement de la règle par rapport au champ d'ondes stationnaires sur une cellule photo-électrique.
Cette invention a également pour objet un dispositifpour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte un prisme de Posters dont l'interface semi-transparent est disposé perpendiculairement à la face graduée de la règle de précision, une source de lumière monochromatique éclairant une des faces latérales du prisme, et au moins une cellule photo-électrique recevant les rayons réfléchis par la règle.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple une mise en oeuvre particulière du procédé objet de l'invention et un moyen pour sa mise en oeuvre.
La fig. 1 illustre le principe du procédé de mesure.
La fig. 2 illustre un dispositif pour la réalisation du procédé de mesure.
La fig. 3 est un détail d'une variante du dispositif illustré à la fig. 2.
Pour expliquer clairement le principe du procédé décrit, il faut se représenter une règle en verre métallisé divisée par exemple en mm ou en fraction de mm, de manière à obtenir des zones étroites transparentes, ce qui est parfaitement classique et s'obtient sur une machine à diviser habituelle.
L'interpolateur est constitué par un petit interféromètre placé perpendieulairement au plan de la règle et réglé de manière à créer dans l'espace un champ d'ondes stationnaires à 3 dimensions dont l'interfrange (ajustable) est égal à l'intervalle séparant deux graduations consécutives de la règle.
En observant le champ des ondes stationnaires à travers les divisions de la règle, on verra, en déplaçant la règle longitudinalement, une série de coïncidences entre les traits transparents et les régions alternativement lumineuses et sombres des ondes stationnaires.
Une cellule photo-électrique, en recueillant la lumière ainsi modulée dans l'espace et qui traverse la règle, donne un courant modulé dans le temps lorsqu'on déplace la règle.
Il est clair que si l'on a par exemple 100 ondes stationnaires entre deux traits de la règle, il y a 100 éclairages et extinctions lorsque la règle se déplace de la longueur d'une de ses divisions.
Les conditions de fonctionnement sont les suivantes:
11 faut que le plan divisé de la règle se déplace dans l'espace où les ondes stationnaires existent.
Il faut que les traits de la règle soient de largeur égale ou inférieure au demi-interfrange des ondes stationnaires.
Par exemple, 100 ondes stationnaires entre deux traits millimétriques impliquent que les traits soient de 5 um de large au plus.
Il faut relever les caractéristiques suivantes de cette disposi tion:
1. Pour créer le champ d'ondes stationnaires à 3 dimensions, il suffit de croiser deux faisceaux issus de la même source sous un angle qui dépend du pas choisi. La bissectrice de cet angle sera sensiblement perpendiculaire au plan de la règle.
2. Les ondes staionnaires existent dans toute la région où les faisceaux se croisent. Elles sont des plans parallèles entre eux et à la bissectrice des faisceaux si les faisceaux sont cylindriques.
Dans ce cas, la position le long de la bissectrice est sans influence. II n'y a donc pas de mise au point optique à faire comme dans le cas d'un objectif formant une image.
Si les faisceaux sont deux cônes identiques, les ondes stationnaires seront des surfaces non parallèles, ce qui change l'interfrange des ondes selon la position du plan intercepteur. On peut donc, dans ce cas, modifier finement le pas ou infrange d'interpolation en déplaçant l'interféromètre par rapport à la règle. Ceci sans préjudice du réglage des angles des faisceaux. Le pas est réglable (théoriquement) entre l'infini (teinte plate, faisceaux parallèles) et la longueur d'onde de la lumière utilisée (faisceau antiparallèle), soit une variation d'angle de 0 à 180'.
Mais il est évident que pratiquement il n'y a, dans ce cas, aucun intérêt à avoir des ondes stationnaires larges et aucune possibilité d'examiner des ondes stationnaires issues de deux faisceaux opposés et qui deviennent parallèles à la règle.
Avec un angle proche de 18 entre les deux faisceaux (pour k=0,628 ,um) on obtient une zone profonde où les ondes stationnaires sont espacées de 2 llm, ce qui permet de compter des pas de
I um avec un compteur alimenté par la cellule couplée à un amplificateur symétrique (les traits de la règle doivent avoir une largeur de 1 um au plus).
Les traits de la règle peuvent être espacés, soit au minimum d'un intervalle égal à l'interfrange des ondes stationnaires, soit au maximum d'un multiple exact de l'interfrange des ondes stationnaires, mais qui ne soient pas plus longs que le diamètre de la zone où les deux faisceaux se croisent, ceci pour assurer la continuité du comptage.
Si le comptage doit être fait dans les deux sens, il faut avoir deux modulations décalées d'un quart de pas, ce qui peut se faire.
par exemple, en utilisant deux groupes décalés.
La modulation produite par le déplacement est sinusoïdale, ce qui permet par voie électronique d'obtenir une interpolation supplémentaire à l'intérieur d'une onde stationnaire.
On peut aussi, en inclinant les ondes stationnaires par rapport à la règle, créer des franges de moirure qui, coïncidant ellesmêmes avec un réticule, permettent d'obtenir une interpolation plus fine que l'interfrange des ondes stationnaires.
La coïncidence entre une règle à réseau aussi serré que les ondes stationnaires et celle-ci permettrait d'avoir une meilleure valeur moyenne des positions et un meilleur rendement lumineux que si la règle est classiquement divisée par intervalles beaucoup plus larges que les traits fins, cela aussi bien pour une coïncidence parallèle que pour des franges de moirure.
Pour obtenir des ondes stationnaires dans l'espace il suffit, par exemple, d'utiliser un prisme de Posters en inclinant le rayon entrant de manière que les deux rayons sortants se croisent sous l'angle voulu. C'est donc simple et cela n'exige pas d'optique complexe.
La création locale des ondes stationnaires donne un réseau sinusoïdal, net et contrasté. Toute la lumière est utilisée et la profondeur de champ est considérable par rapport à, par exemple. un réticule divisé qui, projeté par une optique réductrice. donnerait alors une image non plane, déformée et peu contrastée.
De même, amener un réticule divisé de 2 um en 2 m suffisamment près d'une règle pour que la lumière ne diffuse pas. sans toucher la règle, est pratiquement impossible.
Les ondes stationnaires ne sont relativement droites, équidistantes et parallèles que si le front d'onde est plan et les éléments de l'interféromètre plats.
Si l'on pose la condition que les intervalles soient assez bien définis pour que l'on puisse encore les interpoler à 1/10 prés, cela signifie que la planéité des fronts d'onde doit être meilleure que 1/10 de frange, ce qui correspond à une bonne optique courante.
Par conséquent, une interpolation par interférence d'une règle divisée par exemple tous les 100 llm ayant des traits de 1 llm, avec un champ d'ondes stationnaires espacées de 2 um, donne une interpolation numérique de 1 zm en I llm avec une optique plane à 1/2 frange, tandis que, si l'on veut encore interpoler soit par franges de moirure avec un réticule secondaire, soit électroniquement en 1/10 llm, il faut que la planéité de l'optique sur la surface utilisée soit assurée à 1/20 frange, ce qui est tout à fait raisonnable.
Les franges de moirure, elles, étant distantes de par exemple 200 um, il est facile de les superposer à un réticule qui ne soit pas trop prés de la règle ou même d'en faire une image avec un objectif courant.
L'interfrange d'ondes stationnaires est conditionné par l'angle des faisceaux qui interfèrent et par la longueur d'onde qui change spontanément, soit par écarts de fréquences dans le laser, soit par changement de l'indice de l'air.
Il est clair que tout ce qui a été proposé pour la stabilisation des interféromètres longitudinaux peut être appliqué à cet interféromètre transversal . Mais, par le fait que les erreurs ne sont cumulées que sur l'intervalle d'une division de la règle, il en résulte, et c'est là un avantage de cette disposition, que les erreurs provenant des causes mentionnées plus haut sont pratiquement négligeables.
En effet, si l'on ne prend aucune précaution pour stabiliser le laser et l'indice de l'air, la longueur d'onde pourrait avoir une variation relative de l'ordre de 10 4.
Dans le cas d'un interféromètre classique mesurant un mètre, cela correspond à une erreur de la mesure de longueur de 10 4 mètre soit de 100 ,um. Dans le cas d'une règle interpolée de mm en mm, cela correspond à une erreur de 10 4 mm, soit 1/10 de ,um ou, si la règle est subdivisée en 1/10 mm, à une erreur de 0,1.104 mm, soit 1/100 llm (pour n'importe quelle longueur totale de règle) et si la règle est un réseau du même pas que les ondes stationnaires, L'erreur est nulle. Les erreurs de division de la règle peuvent être déterminées par un étalonnage, et peuvent être corrigées à partir d'une mémoire quelconque, par exemple une came de correction.
En résumé, la règle peut être interpolée d'une manière simple et précise et sans que cette interpolation fluctue d'une manière imprévisible.
La fig. 1 illustre le principe de ce procédé: la et lb sont deux faisceaux monochromatiques convergents qui créent dans la région où les faisceaux se croisent un champ d'ondes stationnaires à 3 dimensions 2. La règle 3 est transparente dans cet exemple et elle comporte une couche opaque 4 dans laquelle sont tracées des fentes transparentes 5. Une ou plusieurs de ces fentes se trouvent dans le champ où il y a des ondes stationnaires. Si la ou les fentes sont centrées sur une frange claire, il passera plus de lumière que si la ou les fentes sont centrées sur une frange obscure.
La distance entre deux fentes doit être inférieure à la longueur couverte par le champ total des ondes stationnaires pour qu'il n'y ait pas de lacune pendant le déplacement.
Dans une application particulière du procédé on utilise un réseau qui a, par exemple. un pas de 2 llm, divisé sur une règle métallique réfléchissante. La possibilité d'obtenir un tel réseau par marquage de la surface au moyen d'interférence à très haute puissance est décrite dans un autre brevet. La règle doit être en général métallique pour que sa dilatation thermique soit proche de celle de la machine et des pièces à usiner ou à mesurer. Le pas de 2 m n'est qu'un exemple. mais il est un exemple typique, car en comptant les noirs et les blancs de la division on obtient une finesse de pas de 1 llm et parce qu'une interpolation facile à 1/10 permet de déterminer une position 0,1 llm près.
Un pas plus fin que 2 llm serait plus délicat à obtenir et un pas plus large exigerait une interpolation plus poussée donc moins sûre.
Le réseau est introduit dans la région où se croisent deux faisceaux monochromatiques et cohérents d'une lumière continue.
Les faisceaux se croisent sous un angle tel que les ondes stationnaires parallèles dans l'espace ont un pas identique au réseau (par exemple 2 clam). Il est clair que si les franges éclairées tombent sur les zones réfléchissantes du réseau, toute la lumière est renvoyée.
Si les franges éclairées du réseau tombent sur les zones non réfléchissantes, la lumière sera diffusée. On peut obtenir ainsi une modulation de la lumière réfléchie (ou transmise aussi, dans le cas d'une règle ayant des zones réfléchissantes et des zones transparentes) qui est très intense. Lorsqu'il existe un mouvement relatif de la règle par rapport à la région où sont produites les franges ou ondes stationnaires, la lumière fluctue selon une fonction sinusoïdale à laquelle se superpose un certain niveau de la lumière continu.
Une ou plusieurs cellules photo-électriques rapides permettent de transformer les signaux lumineux en signaux électriques et. par conséquent, de compter le nombre de fluctuations pendant un déplacement et de compenser la composante continue (voir fig. 2).
Le fait que les signaux lumineux (et électriques) sont sinusoïdaux facilite énormément les éventuelles interpolations qui s'obtiennent classiquement en combinant deux signaux décalés d'un quart de pas et issus par exemple de deux lecteurs décalés d'un quart de pas. L'interpolation est alors une mesure de la phase du signal combiné par rapport à un des signaux originels. De même, classiquement, I'existence de deux trains de signaux décalés d'un quart de phase permet de compter le passage des signaux en tenant compte du sens de déplacement.
Se référant à la fig. 2, le dispositif comporte un prisme de Posters 6, c'est-à-dire deux prismes à 30 au sommet avec couche semi-réfléchissante 7.
Le faisceau de lumière a + b est parallèle, cohérent et monochromatique. II est typiquement issu d'un laser HeNe. Il se sépare en deux faisceaux a et b qui en se croisant forment un champ d'ondes stationnaires planes fp dont on règle le pas en modifiant l'angle a.
La règle 8 qui est un réseau de même fréquence spatiale que fp réfléchit ou ne réfléchit pas les faisceaux a' et b' suivant son décalage.
Les faisceaux a' et b' se rejoignent sur la cellule 10 après avoir été condensés par la lentille 9.
Les interférences qui se produisent entre les faisceaux a' et b' sont fixes et ne sont pas modulées par le déplacement de la règle/réseau 8. Elles n'ont aucune influence sur le fonctionnement, la règle 8 n'étant jamais assez plate pour pouvoir créer une teinte plate et éteindre l'éclairage par annulation réciproque des faisceaux a' et b'. On peut toujours créer une légère asymétrie pour éviter ce cas extrême. Les avantages de cette disposition sont:
a) Les ondes stationnaires ou franges produites sont aussi fines qu'on le désire tout en conservant un grand contraste. Ce qui est impossible en formant une image d'un réseau existant par une optique sphérique formant une image.
b) La zone où les franges existent est tellement étendue ou profonde que la position du niveau de la règle n'est absolument pas critique.
c) La récupération des faisceaux modulés se fait du même côté de la règle que l'éclairage. Cette commodité est telle qu'il est possible de négliger les faisceaux traversant dans le cas d'une règle réfléchissante/transparente. Rappelons qu'en pratique ce sont surtout les règles métalliques opaques et réfléchissantes qui sont utili sées.
d) Le dispositif est d'une extrême simplicité et comporte moins d'éléments que d'autres solutions proposées.
e) Il est facile en glissant un verre plan parallèle 1 1 dans la moitié de l'épaisseur d'un faisceau ou des deux faisceaux de créer une zone déphasée de la quantité voulue. Dans ce cas le faisceau de retour a' + b' sera aussi dédoublé et par un procédé classique de séparation par deux miroirs déviateurs (non représentés) et deux cellules de réception, on obtient les deux signaux désirés pour un comptage réversible ou une interpolation (fig. 3).