FR2500151A1 - Dispositif opticoelectrique pour realiser un alignement precis et pour mesurer la linearite - Google Patents

Abstract

LE DISPOSITIF COMPORTE UN ELEMENT OPTIQUE 10 DONT LES ARETES DIVISENT GEOMETRIQUEMENT DES RAYONS PARALLELES QUI DEFINISSENT LA NORMALE DE REFERENCE. UN COMPOSANT DE RAYONNEMENT CREE POUR CHAQUE FAISCEAU EST DECALE PARALLELEMENT ET APPROCHE DU COMPOSANT CORRESPONDANT DE L'AUTRE FAISCEAU POUR ADDITIONNER PAR VOIE OPTIQUE LES DEUX COMPOSANTS DE PUISSANCE. LES COMPOSANTS DE RAYONNEMENT ASSOCIES SONT CONDUITS PARALLELEMENT VERS LA FIN DE LA ZONE D'EXECUTION DU PROCEDE OU ILS SONT FOCALISES SUR DES ELEMENTS PHOTOSENSIBLES 3 AU MOYEN DE LENTILLES 2 POUR ETRE TRAITES PAR VOIE ELECTRONIQUE.

Description

La présente invention concerne le domaine de la précision de l'alignement optique ainsi que celui de la mesure de la linéarité et de la planéité.

Parmi des solutions techniques connues pour la mesure d'une linéarité par voie optique dans laquelle un faisceau lumineux, notamment un faisceau laser, constitue la normale de linéarité, des récepteurs photosensibles à quadrants, des diodes de grande surface ainsi que des prisnes en "toit" associés à des éléments photosensibles discrets jouent un rôle dominant en tant que détecteurs. Dans de nombreux cas l'utilisation de ces éléments répond bien aux exigences demandées à des mesures techniques et permet une réalisation complèrement automatique des mesures.

Le principe de fonctionnement de ces dispositifs repose sur l'évaluation optico-électrique des différentes puissances partielles dans lesquelles le faisceau laser est décomposé, en fonction de leur position relative, par le récepteur de mesure.

Toutes ces réalisations techniques connues présentent l'inconvenient que les dispositifs pour la division géométrique du faisceau et les détecteurs opticoélectriques forment une unitd compacte(notamment dans le cas de récepteurs photosensibles à quadrants et de diodes de grande surface). I1 est alors nécessaire de relier ces dispositifs à l'unité d'évaluation au moyen de cables électriques ce qui est généralement indésirable. Dans la pratique la tendance va surtout vers la création d'un élément ne nécessitant pas de liaisons électriques mais qui permet quand même et de la même manière une mesure de la linéarité et de la planéité.

Une solution technique connue de ce type utilise un miroir à 900 ou un prisme à 900 qui, à la place du récepteur, provoque un double départ de tout le faisceau réfléchi lors d'un décalage orthogonal, départ qui est mesuré dans la zone de ddbut du procédé par l'unité réceptrice optico-électrique connue . Un dispositif de ce type pré sente l'inconvénient que le trajet parcouru par le faisceau lumineux est d'une longueur double ce qui, lors de la présence d'une divergence des rayons, provoque des erreurs importantes, fonction de la distance. Des erreurs importantes peuvent également apparaître lors du trajet d'une longueur double en raison de turbulences au niveau du milieu optique traversé par les rayons.

La demande de brevet DE 2208004 décrit un dispositif de mesure de la linéarité utilisant un diaphragme d'ombre qui,en tant qu'élément sans liaison électrique et en fonction de sa position relative par rapport au faisceau de référence, élimine une partie de la pUi5- sance de rayonnement . La puissance mesurée à la fin de la. zone du procédé est alors proportionnelle au décalage par rapport à la normale rectiligne. Ce dispositif présente l'inconvénient d'utiliser pour l'évaluation toute la puissance de rayonnement ce qui réduit la sensibilité de la mesure. Ce dispositif ne permet pas en outre de mesurer simultanément des déplacements ou des décalages horizontaux et verticaux.

Par la demande de brevet DE 1.673346 on cnat également un dispositif dont le principe de fonction nement repose sur le fait que l'on imprime à un rayon laser, au moyen d'un convertisseur de phase,un minimum d'intensité qui constitue la référence de linéarité.

La mesure de la distance relative par rapport d la ncr- male de référence s' effectue au moyen d'un diaphragm.G simple et en évaluant l'image de diffraction créée par ce dernier et fonction de la position à l'aide de capteurs optico-électriques. Dans ce dispositif la mesure des décalages orthogonaux s'effectue par un élémént optique simple,à savoir le diaphragme. Le principe technique qui est à la base de se procédé connu, repose cependant et à la différence de la méthode faisant l'objet de la re- sente invention, sur l'exploration d'un minimum dtin- tensité centrale.L'inconvénient de ce procédé réside dans le fait que seule une faible partie de la puissance de rayonnement peut être utilisée pour le traitement électronique des signaux ce qui nécessite soit une puissance élevée de tout le rayonnement soit l'utilisation d'éléments photosensibles et d'un dispositif d'évaluation électronique d'un rendement élevé.

La présente invention a pour objet de créer un dispositif pour l'alignement précis et pour la mesure de la linéarité qui, tout en tenant compte des exigences de la pratique, utilise pour la mesure des décalages orthogonaux par rapport à un faisceau de référence un élément qui ne présente aucune liaison électrique avec l'unité d'évaluation et qui, de plus, utilise toute la puissance de rayonnement pour le traitement des signaux tout en réduisant à un minimum le trajet parcouru dans l'air par le faisceau de réfdrence.L' invention a notamment pour objet de réaliser ce dispositif de façon qu'il puisse être utilisé en tant qu'appareil additionnel pour des systèmes de mesure de trajet par rayon nement laser et dont les faisceaux de mesure et de ré fdrence sont parallèles.

Le dispositif suivant l'invention est constitué par une source lumineuse à rayonnement laser à laquelle est associé un élément optique déterminant la référence normale de linéarité, un élément optique déplaçable librement et présentant pour la dévision géométrique,et en fonction de la position des rayons, un nombre d'arêtes optiques correspondant à celui des rayons laser et des directions de coordonnées, et qui crée, en fonction de sa conception,une séparation spatiale ou physique des différents composants de rayonnement pour conduire en suite ces composants parallèlement vers la fin de la zone d'éxecution du procédé ou, par un renvoi approprié des rayons, vers le début de cette zone, le dispositif comportant également des moyens optiques à poste fixe qui dirigent et focalisent la lumière incidente sur des éléments photosensibles, une unitd d'évaluation électronique connue étant prévue en aval du dispositif.

Les rayons laser arrivant sur les différentes arêtes optiques de l'élément sont divisés géométriquement en fonction de la position relative de l'élément par rapport à la normale de linéarité. Selon la concep
tion de l'élément optique les différents rayons partiels contenant déjà , sous une forme codée selon la puissance des informations sur le décalageorthogonal par rapport à la normale de référence, sont séparés dans 11 espace par réflexion optique ou par diffraction ou il sont séparés de façon physique en utilisant des moyens de pola
risation.

L'élément optique est également réalisé pour que les rayons partiels séparés soient dirigés parallèlement vers la fin ou vers le début de la zone de mise en oeuvre du procédé. Ce résultat est obtenu par une diffraction optique en associant aux prismes en "toit" particulièrement appropriés à la division géométrique et à la séparation spatiale, des prismes analogues présentant une orientation opposée à la direction du rayon ment de sorte qu'une surface de sortie parallèle soit associée à chacune des surfaces d'entrée des prismes et que chaque rayon partiel soit, de ce fait déplacé paral
lèlement.

Lorsqu'il s'agit d'une normale de linéarité définie par plusieurs rayons laser ce qui est par exemple le cas pour des rayons de mesure et de référence d'un système de mesure de trajet par rayonnement laser, des dimensions particulières permettent, en outre, de réunir spatialement de tels rayons partiels qui doivent alors être additionnés conformément à l'algorithme de base de la combinaison logique des signaux ce qui sup-.

prime la présence d'éléments optico-électriques et électroniques supplémentaires.

Les rayons partiels ainsi conduits parallèle- ment vers la fin de la zone d'exécution du procédé sont alors focalisés et dirigés sur des éléments photosensibles par des moyens optiques fixes, notamment par des lentilles.

Lorsque l'élément optique provoque une séparation par polarisation des différents rayons partiels ceux-ci se chevauchent et ils doivent tout d'abord être séparés spatialement à la fin de la zone d'éxecution du procédé en utilisant un diviseur par polarisation. Les circuits électroniques d'amplification et de combinaison logique connus délivrent finalement un signal de mesure proportionnel à la position.

Le dispositif suivant l'invention se distingue par le fait que la mesure de la linéarité le long de la zone d'exécution du procédé peut être réalisée à l'aide d'un élément optique qui ne présente aucune liaison électrique directe avec l'unité d'évaluation électronique. Le dispositif présente de plus l'avantage d'un traitement électronique complet de la puissance de rayonnement et il satisfait à l'exigence d'une distance minimale entre la source de rayonnement et le récepteur de mesure.

Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui, suit.

Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés.

La fig. 1 montre schématiquement l'élément optique et les lentilles de focalisation.

La fig. 2 représente un élément optique constitué par un prisme en "toit" ainsi que les lentilles de focalisation associées.

La fig. 3 montre un prisme en "toit" bi- dimensionnel auquel est associé un autre prisme bi-dimensionnel.

La fig. 4 représente un élément optique permettant de faire pivoter de 90" le plan de polarisation de la lumière
La fig. 5 montre un élément optique permettant la division géométrique de deux rayonnements laser dé finis- sant la normale de référence.

Dans la forme de réalisation suivant la fig. 1 l'élément optique présente la forme d'un prisme 1 qui crée la séparation spatiale sur la base d'une réflexion totale, des rayons partiels obtenus par une division géométrique au niveau de l'arête optique.

Les rayons partiels conduits parallèlement vers la fin de la zone d'exécution du procédé sont focalisés à cet endroit sur des éléments photosensibles 3 par l'intermédiaire de lentilles 2 montées à poste fixe. En aval du dispositif se trouve 1' unité connue pour le traitement électronique des signaux.

A la fig 2 l'élément optique est formé par un prisme en "toit" 4 qui présente des prolongements symétriques 5 et crée la division géométrique ainsi que la séparation par décalage parallèle de chaque rayonnement partiel sur la base de la diffraction optique. Une mesure simultanée dans les deux directions de coordonne peut être réalisée en utilisant à la place du prisme unidimensionnel 4 un prisme en "toit" bi-dimensionnel 6 qui est complété sy- métriquement par un autre prisme bi-dimensionnel 7 à -orientation opposée (fig 3) .Le faisceau lumineux rivant sur l'arête du "toit" est décomposé en quatre faisceaux partiels dont chacun est décalé parallèlement et qui sont focalisés en étant séparés spatialement sur différents éléments photosensibles à la fin de la zone d'exécution du procédé.

Dans l'exemple représenté à la fig 4 l'élèvent opti- que est constitué en une matière 8 qui présente lm parti
cularité de faire tourner de 90 le plan de polarisation de la lumière( par exemple du verre quartzeux). Lors de l'utilisation d'une source lumineuse à rayonnement laser, une partie du faisceau lumineux qui traverse la matière optiquement active, est séparée physiquement de l'autre partie du faisceau. Les composants de la puissance de rayonnement codés en fonction de la position sont sépares spatialement à la fin de la zone d'executìon du procédé au moyen d'un diviseur de polarisation 9 et ils sont fo calisés séparément sur des éléments photosensibles.

La fig. 5 montre un élément optique 10 qui, dans le cas d'une normale de référence définie par deux faisceaux laser, provoque une division géométrique des deux faisceaux, sépare spatialement les différents composants de rayonnement grâce à une réfraction optique et décale parallèlement une partie de ces derniers. Etant donné que l'indication de la position est dans ce cas proportionnelle à la somme des deux indications partielles, les composants de rayonnement correspondants sont réunis d'une façon suffisamment proche les uns des autres pour permettre leur focalisation sur un élément photosensible au moyen d'une lentille ce qui correspond à une sommation des composants de puissance de rayonnement. Le dispositif électronique connu pour le traitement des signaux fournit ensuite un signal de mesure qui est proportionnel à la position.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 - Dispositif optico-électrique pour la réa

lisation d'un alignement précis et la mesure de la linéarité dans lequel un ou plusieurs faisceaux lumineux, notamment des faisceaux laser, définissant une droite de référence, sont soumis à une division géométrique qui est fonction de la position et dans lequel chacun des faisceaux partiels est focalisé sur un élément photosensible, caractérisé en ce que le dispositif coir.- norteun élément optique librement mobile et présentant pour la division géométrique des rayons un nombre d'arêtes optiques qui correspond à celui des faisceaux laser et des directions de coordonnées, en ce qu'une séparation spatiale ou physique des différents compo- sants de rayonnement est provoquée en fonction de la conception de l'élément optique et en ce qu'une réalisation appropriée de l'élément optique permet de diriger parallèlement ces composants de rayonnement vers la fin de la zone d'exécution du procédé ou les diff6-

rents composants de rayonnement sont dirigds sur des éléments photosensibles en étant focalisés par des moyens optiques à poste fixe, le traitement électronique des signaux s'effectuant ensuite.

2 - Dispositif suivant la revendication 1, ca racterisé en ce que l'élément optique destiné à créer la séparation spatiale et l'alignement parallèle des composants de rayonnement provenant de la division géomé- trique est réalisé sur la base de la réflexion optique en utilisant des surfaces réfléchissantes mais de préférence sur la base de la réflexion totale grâce à l'utilisation de prismes (1)

3 - Dispositif suivant la revendication 1ca- ractérisé en ce que l'élément optique pour la séparation spatiale des composants de rayonnement est réalisé sur

la base de la réfraction optique en utilisant des d ments de forme prismatique (4,6), l'alignement parallèle des composants de rayonnement s'effectuant alors, de préférence, à l'aide de prismes analogues présentant

une orientation (5,7) opposée par rapport à la direc

tion des rayons de façon qu'une surface de sortie parallèle soit associée à chacune des surfaces d'entrée du

prisme et que chaque rayon partiel soit décalé parallè-

lement.

4 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation des différents compo

sants de rayonnement créés par la division géométrique

s'effectue par voie physique en utilisant un élément constitué par une matière optiquement active(8) et en ce

que la séparation spatiale des différents composants de

rayonnement et leur acheminemant vers la fin de la zone

d'exécution du procédé s'effectuent à l'aide d'un di

viseur de polarisation (9)

5 - Dispositif suivant l'une des revendications 1

à 4, caractérisé en ce que dans le cas d'une normale de

référence définie par un ou par plusieur5 rayons laser

et d'une production de plusieurs composants de rayonne- ment résultant alors de la division géométrique, l'élé ment mentoptique (10) crée grâce à des dimensions appropriées

une réunion dans l'espace des composants de rayonnement

correspondants de façon à permettre les sommations

nécessaires des différents composants de puissance de

rayonnement avant le traitement des signaux qui suit.

directement à la suite.

de rayons, de préférence un prisme à 900, qui est disposé

début de la zone d'exécution du procédé en utilisant un élément de renvoi

trique et l'évaluation électronique peuvent s'effectuer également au

1 à 5 , caractérisé en ce que la détection optico-élec

6 6 - Dispositif suivant l'une des revendications