FR2513375A1 - Interferometre a basculement invariable et a miroirs plans - Google Patents

Abstract

LES SURFACES ACTIVES DES RECEPTEURS PHOTO-ELECTRIQUES 11, 12 SONT DISPOSEES L'UNE PAR RAPPORT A L'AUTRE PAR RAPPORT AUX ELEMENTS DIVISEURS DE RAYONS 5, 8 ET AUX ELEMENTS 6, 7 REFLECHISSANT LES RAYONS DE FACON QU'ELLES NE RECOIVENT QUE LES PAIRES DE FAISCEAUX HOMOLOGUES 15, 15 ET 16, 16. UNE PREMIERE PLAQUE 2 L4 REALISEE EN UNE MATIERE A DOUBLE REFRACTION EST PREVUE EN AMONT D'UN PREMIER ELEMENT DIVISEUR DE RAYONS 5, ET EN CE QU'UNE DEUXIEME PLAQUE 3 L4 EST DISPOSEE DANS UN FAISCEAU PARTIEL EN AVAL DU PREMIER ELEMENT DIVISEUR DE RAYONS 5. UN ANALYSEUR OPTIQUE DE POLARISATION 9, 10 EST PREVU DANS CHACUN DES TRAJETS DES FAISCEAUX PARTIELS 15, 16 ET 15, 16 ET EN AVAL D'UN DEUXIEME ELEMENT DIVISEUR DE RAYONS 8. UN RECEPTEUR PHOTO-ELECTRIQUE 11, 12 EST MONTE A LA SUITE DE CHAQUE ANALYSEUR OPTIQUE DE POLARISATION 9, 10 DONT LES DIRECTIONS DE PASSAGE FORMENT UN ANGLE L'UNE PAR RAPPORT A L'AUTRE.

Description

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La présente invention se rapporte à un interféro-

mètre à basculement invariable et à miroirs plans qui est constitué par une source lumineuse monochromatique des éléments divisant et réfléchissant le faisceau lumineux, des éléments optiques de polarisation et à double réfraction ainsi que

par des récepteurs photo-électriques.

La présente invention peut être utilisée partout o la grandeur technique et physique à mesurer produit une modification de la différence du trajet optique Ceci est par exemple le cas dans toutes les mesures de la grandeur de la longueur mais également lorsqu'il s'agit de mesurer l'indice de réfraction, la pression, la composition de gaz ou la force dans la mesure o l'effet produit par cette dernière provoque

la modification d'une dimension géométrique d'un corps.

L'invention offre notamment la possibilité d'explorer optiquement et directement sans contact et de façon ponctuelle au moyen du faisceau de mesure de l'interféromètre, des doigts à surface d'un bon pouvoir de réflexion, par exemple tous les éléments de construction optiques tels que des lentilles, des prismes et des miroirs dont la planéité des surfaces doit être contrôlée,

ainsi que tout autre objet à mesurer.

On connaît déjà des interféromètres de conceptions différentes, notamment depuis le développement de la technique du laser Tous ces interféromètres comportent des récepteurs photo-électriques et des groupes de construction montés à la suite de ces derniers et qui permettent un enregistrement automatique et avec le signe correct des modifications de la

différence du trajet optique Cette caractéristique des inter-

féromètres peut être obtenue de deux manières.

1 L'interféromètre o à l'emplacement du récepteur photo-électrique une image d'interférence à petite distance ordinale et les récepteurs photoélectriques sont disposés géométriquement à l'intérieur de cette image d'interférence de façon que les signaux électriques délivrés par eux soient déphasés de 900 les uns par rapport aux autres lors d'une

modification de la grandeur mesurée Ce déphasage est néces-

saire à l'enregistrement automatique et avec le signe correct

de la modification de la différence du trajet.

2 L'interféromètre crée au niveau des récepteurs photo-électriques une image d'interférence a grande distance ordinale et les signaux déphasés de 90 sont crées par des éléments de construction optiques à polarisation et à double réfraction. Les deux types d'interféromètre présentent la caractéristique commune consistant dans le fait que l'image d'interférence choisie doit être conservée de façon inchangée

pendant toute la mesure afin d'éviter des perturbations pen-

dant le processus de comptage en avant et en arrière.

Dans le type d'interféromètre cité en premier on crée le plus souvent des interférencesde "Fiseau" entre les miroirs plans et dans un coin réel ou virtuel La distance

ordinale est fonction de l'angle formé par les miroirs.

Lorsque cet angle se modifie pendant la mesure, la distance

ordinale et de ce fait également le déphasage entre les si-

gnaux de sortie électriques des récepteurs changent aussi.

Afin d'éviter que ce cas se produise, les miroirs sont dis-

posés fixement dans l'espace et on utilise -des prismes triples en tant qu'éléments réfléchissants mobiles Si on utilise par contre des miroirs plans comme éléments réfléchissants mobiles il est nécessaire de prévoir pour leur déplacement des guides de précision étant donné que des basculement des miroirs d'un angle de seulement quelques secondes provoque déjà des erreurs de phase importantes dans le processus de

comptage en avant et arrière.

Dans le deuxième cas cité les miroirs entre les-

quels est crééel'image d'interférence sont montés parallèle-

ment l'un à l'autre On se trouve alors confronté à des me-

sures erronées lorsque les miroirs occupent-une position non parallèle de sorte qu'on peut également, dans ce cas) tirer profit de la caractéristique invariable en basculement des prismes triples en utilisant ces derniers en tant qu'éléments

réfléchissants mobiles.

Ce procédé présente l'inconvénient(qu'il est N 4 ces-

saire, d'une part, d'ajuster deux surfaces pour qu'elles occu-

pent une position bien définie l'une par rapport à l'autre (angle et parallélité) et,d'autre part, d'utiliser des primes triples dont la fabrication exige des soins particuliers Les tolérances admissibles des angles entre les trois surfaces

réfléchissantes d'un prisme triple utilisé à des fins inter-

féromètriques, sont de quelques secondes Lorsque ces tolé-

rances ne sont pas respectées le prisme triple situé sur le trajet optique du faisceau agit comme un coin de verre et

modifie la distance ordinale à l'intérieur de l'image d'inter-

férence. Dans ce procédé de mesure l'objet à mesurer ne peut

en outre être exploré que mécaniquement en raison de l'utili-

sation de prismes triples De ce fait, le résultat de mesure

renferme dans tous les cas les incertitudes du contact mécani-

que résultant par exemple de déformations sur l'objet à mesurer et créées par la force de mesure du palpeur, ainsi que des modifications de la force de mesure par suite de friction et d'hystérisis.

On connait également un troisième groupe d'inter-

féromètres qui permet le contrôle de la planéité de surfaces de grande qualité optique Dans ces interféromètres, les surfaces à contrôler sont également explorées optiquement et

sans contact et le plus souvent on crée une image d'interfé-

rence étendue au-dessus de toute la surface à vérifier L'in-

convénient de ces interféromètres réside dans le fait

qu'on doit interpréter l'image d'interférence de façon visuel-

le et qu'il n'est pas possible d'utiliser le procédé automa-

tique du comptage en avant et en arrière.

La présente invention a pour objet de créer un interféromètre qui permet de mesurer de petites longueurs ne dépassant pas 100 mm et dans lequel on peut utiliser, tout en renonçant à des prismes triples, des miroirs plans en tant qu'éléments réfléchissants mobiles et qui permet néanmoins

d'obtenir un déplacement angulaire de ces miroirs à l'inté-

rieur de limites assez larges et suffisantes pour la mise en oeuvre de la plupart des procédés techniques Il est ainsi

possible de renoncer à des technologies optiques et mécani-

ques de précision ce qui réduit considérablement le prix de

revient de l'interféromètre On peut, en outre, explorer direc-

tement et de façon ponctuelle des objets à surface d'un bon pouvoir réfléchissant au moyen du faisceau de mesure sans

qu'il soit nécessaire d'ajuster avec précision l'objet à mesu-

rer par rapport à une surface de référence.

L'invention a également pour objet de créer un interféromètre dans lequel la position de phase des signaux électriques délivrés par les récepteurs photo-électriques est constante et ne dépend pas de la position angulaire des surfaces réfléchissantes créant l'interférence, interféromètre qui permet d'utiliser, de préférence des miroirs plans en tant que miroirs de référence et de mesure lorsque les centres de gravité optiques des récepteurs ne sont atteints que par des

paires de-faiseaux homologues.

L'interféromètre est constitué par un premier divi-

seur de rayons pour séparer le faisceau provenant d'une source lumineuse en un faisceau de mesure et un faisceau de référence des éléments optiques à double réfraction et à polarisation et par un deuxième diviseur de rayons pour la répartition sur les récepteurs photo- électriques des faisceaux partiels déjà amenés à interférer Les faisceaux partiels créés lors de l'incidence d'un faisceau sur une couche diviseuse de rayon sont désignés par paire de faisceaux homologues Au niveau

de la première couche diviseuse de rayons, le faisceau prove-

nant de la source lumineuse, par exemple, le faisceau de mesure

et de référence est créé en tant que paire de faisceaux homo-

logues et au niveau de la deuxième couche diviseuse de rayons sont créées deux paires de faisceaux homologues dont l'une résulte de la division du faisceau de référence tandis que

l'autre provient de la division du faisceau de mesure.

Les problèmes exposés ci-dessus sont résolus conformément à l'invention par un interféromètre qui est caractérisé en ce que les surfaces actives des récepteurs photo-électriques sont disposées l'une par rapport à l'autre par rapport aux éléments diviseurs de rayons et aux éléments réfléchissant les rayons de façon qu'elles ne reçoivent que les paires de faisceaux homologues Lorsque les miroirs de

mesure et de référence se trouvent dans une position perpen-

diculaire l'un par rapport à l'autre les paires de faisceaux homologues créées à partir des faisceaux de mesure et de référence se recouvrent Dès que le miroir de mesure occupe une autre position angulaire, les faisceaux de mesure et de référence créent au niveau de la deuxième couche diviseuse de rayons des paires de faisceaux délimitant un angle entre elles Lors d'un déplacement du miroir de mesure en direction du faisceau de mesure, la position de phase> entre les signaux électriques des récepteurs photo-électriques, est constante pour toute la zone de déplacement du miroir de mesure et indépendamment de la position angulaire délimitée par les deux

miroirs plans et la différence de phase est zéro.

Afin de permettre le comptage en avant et en arrière il est nécessaire de créer une différence de phase constante de 90 entre les deux signaux des récepteurs ce est obtenu

à l'aide d'éléments optiques à double réfraction et à polari-

sation Le faisceau polarisé de façon linéaire et provenant de la source lumineuse monochromatique arrive sur une plaque x en une matière optique à double réfraction Par rapport aux deux sens d'oscillations possibles à l'intérieur de la plaque X le sens d'oscillations du faisceau lumineux est inférieur à 45 A partir de la lumière polarisée linéairement, la plaque k crée une lumière à polarisation circulaire Cette lumière est 4 séparée par le premier diviseur de rayons en un faisceau de référence et un faisceau de mesure et dans l'un, des deux faisceaux est placée une deuxième plaque X qui inverse le sens de rotation de la polarisation circulaire dudit faisceau

par suite du deuxième passage L'interférence entre les lumiè-

res polarisées vers la droite et vers la gauche après le pas-

sage dans le premier diviseur de rayons permet d'obtenir une lumière à polarisation linéaire dont le plan d'oscillations est fonction de la différence de trajet existant entre les deux

faisceaux partiels interférents Le faisceau créé par l'inter-

férence est divisé avec le même rapport d'amplitudes par le deuxième diviseur de rayons Chacun de ces faisceaux partiels est envoyé sur un polariseur Les directions de passage des deux polariseurs forment un angle de 45 l'un par rapport à l'autre Lors d'un déplacement du miroir de mesure dans le sens de la mesurejles signaux délivrés par les récepteurs

photo-électriques présentent un déphasage constant de 90 .

Jusqu'à ce jour, on supposait que les surfaces actives des récepteurs photo-électriques étaient concentrées en un point, le point de gravité Vu sous cet aspect théorique l'angle de basculement entre le miroir de référence et le miroir de mesure peut présenter une grandeur quelconque et le processus de comptage ne subit aucun déréglage lorsque les points de gravité optiques des récepteurs explorent des paires de faisceaux homologues Bien qu'il soit pratiquement possible de réaliser un récepteur photo-électrique ponctuel

basé sur cette théorie grâce à la technique récente des cir-

cuits intégrés permettant d'obtenir des surfaces photo-élec-

triquement actives inférieures à quelque >i 2 il est utile d'étudier l'influence exercée par une surface réceptrice qui est, en effet, petite mais tout de même limitée Le terme limité indique dans ce cas que la surface réceptrice photo-électriquement active est inférieure à 1 mm 2 et présente une forme carrée ou circulaire, c'est-à-dire qu'elle n'est pas linéaire Lorsque les miroirs de référence et de mesure se trouvent dans une position perpendiculaire l'un par rapport

à l'autre, la répartition de l'intensité au niveau des récep-

teurs photo-électriques est constante Dans le cas d'un bascu-

lement du miroir de mesure pendant son mouvement de mesure par exemple en raison d'un guidage imprécis, il se produit

une répartition sinusoïdale de l'intensité qui est enregis-

trée par les récepteurs Lors d'un faible angle de pivotement de quelques secondes) la distance ordinale va être importante par rapport à la surface photo-électriquement active et la

répartition sinusoïdale de l'intensité est explorée sensible-

ment de façon ponctuelle par le récepteur La distance ordi-

nale diminue simultanément à l'augmentation de l'angle de basculement et le récepteur commence à intégrer au-delà de la répartition sinusoïdale de l'intensité L'amplitude du signal électrique délivré par le récepteur diminue alors Cette amplitude est de zéro lorsque la distance ordinale est égale à la surface photo-électriquement active du récepteur Cette situation correspond à une position angulaire déterminée du miroir de mesure par rapport au miroir de référence et cet angle ne doit pas être dépassé La zone d'angle maximale à l'intérieur de laquelle le basculement du miroir de mesure est admissible est déterminée par les dimensions géométriques

de la surface photo-électriquement active du récepteur.

Le tableau ci-dessus indique, à titre d'exemples,

les angles de basculement admissibleso par rapport aux lon-

gueurs de bord a des surfaces photo-électriquement actives

de récepteurs de x = 633 mm.

e< + 1 '5 '" + 2 '11 '' + 10 '52 '' + 21 '45 ''+ 1 48 '' a/mm 1 0,5 0,1 0,05 0,01 Le déphasage de 900 ne dépend que de l'ajustement des surfaces photo-électriquement actives du récepteur par

rapport au faisceau incident.

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 un interféromètre

à deux faisceaux.

La fig 2 représente un interféromètre à plusieurs

faisceaux et à éclairage incident.

L'interféromètre représenté à la fig 1 comporte

un laser 1 qui émet un faisceau lumineux monochromatique 13.

Après avoir traversé une plaque 2 de x réalisée en une matière

optique à double réfraction, le faisceau 13 arrive sur un divi-

seur 4 de forme cubique et présentant une couche diviseuse de rayons 5 Le faisceau incident est divisé par la couche 5 et dans un rapport de 1:1 en un faisceau de référence 15 et en

un faisceau de mesure 16 Par la couche diviseuse 5 le fais-

ceau de référence 15 est réfléchi en direction d'un miroir de référence 6 plan et fixe et qui renvoie le faisceau sur la couche diviseuse Le faisceau de mesure 16 traverse la couche diviseuse 5 et une plaque 3 de X est traversée une deuxième fois par le faisceau après sa réflexion par un miroir de mesure plan 7 Les faisceaux 15 et 16 interfèrent au niveau de la couche diviseuse 5 Ces faisceaux sont ensuite divisés dans un rapport de 1:1 par une couche diviseuse 8 de façon à créer des paires de faisceaux homologues 15 ', 15 '' et 16 ', 16 '' Après avoir traversé un filtre de polarisation 10, les faisceaux partiels 15 ', 16 ' arrivent sur un récepteur photo-électrique 11 et les faisceaux partiels 15 '', 16 '' arrivent sur un autre récepteur photo-électrique 12 après avoir

traversé un autre filtre de polarisation 9.

Le faisceau 13 est polarisé linéairement et le plan d'oscillations de sa polarisation est orienté par rapport aux deux plans d'oscillations possibles à l'intérieur de la plaque 2 de x de façon que le faisceau et le plan d'oscillations

forment un angle de 450 l'un par rapport à l'autre Le fais-

ceau 14 est ensuite polarisé de façon circulaire en présentant par exemple un sens de rotation à droite Le faisceau de mesure 16 dirigé sur le miroir de mesure 7 traverse, lors de son trajet d'aller et de retour, deux fois la plaque 3 de t dont l'orientation par rapport au faisceau incident est la 4

même que celle de la plaque 2 de x par rapport au faisceau 13.

De ce fait, il se produit un changement du sens de rotation de la polarisation circulaire du faisceau 16 retournant vers la couche diviseuse 5 Les faisceaux 15, 16 qui, à partir de la couche diviseuse 5 empruntent la même direction créent une interférence d'une lumière polarisée de façon circulaire dans le sens à droite et dans le sens à gauche Le résultat de cette interférence est un faisceau dont la polarisation est linéaire mais le plan d'oscillations de cette dernière n'est pas constant et est fonction de la différence de trajet

entre le faisceau de référence 15 et le faisceau de mesure 16.

Les polariseurs 10 et 9 sont orientés l'un par rapport à l'autre de façon que les plans d'oscillations des faisceaux partiels 15 ', 16 ', 15 '', 16 '' forment un angle de 450, les

uns par rapport aux autres après leur passage dans les pola-

riseurs De ce fait, les signaux délivrés par les récepteurs photoélectriques 11, 12 présentent un déphasage de 90 . Afin de permettre un ajustage précis des surfaces photo-électriquement actives des récepteurs 11, 12 par rapport aux paires de faisceaux homologues,on peut prévoir dans le

trajet du faisceau lumineux provenant du laser 1 un diaphrag-

me 17 à faible ouverture qui laisse passer le faisceau 13 et qui est retiré après l'ajustage A la fig 1, le miroir de mesure 7 et le miroir de référence 6 occupent une position perpendiculaire l'un par rapport à l'autre ce qui a pour effet que les faisceaux partiels 15, 16 obtenus à partir du faisceau 14 sont également perpendiculaires l'un à l'autre Pour cette raison, ces faisceaux partiels se recouvrent dans la forme de réalisation suivant la fig 1 après avoir traversé la deuxième fois la couche diviseuse 5 La couche diviseuse 8 crée, à partir du faisceau 15,la paire de faisceaux homologues 151, 15 '' et à partir du faisceau 16 la paire de faisceaux homologues 16 ', 16 '" L'ajustage des récepteurs s'effectue de façon que les faisceaux 15 ', 16 ' arrivent sur la surface photo-électriquement active du récepteur 11 et les faisceaux

'', 16 '' de façon correspondante sur la surface photo-

électriquement active du récepteur 12 Cet ajustage peut s'ef-

fectuer tout d'abord visuellement à l'aide du diaphragme 17 et le réglage précis en corrigeant la superposition des signaux

électriques de sortie des deux récepteurs visualisée sur l'é-

cran d'un oscilloscope ou enregistrée par un oscillographe.

Un coin, par exemple 20, d'une paire de coins, est

monté fixe tandis que l'autre coin 19 est disposé pour coulis-

ser perpendiculairement par rapport à la direction du faisceau

de mesure 16 de façon à obtenir une modification de la diffé-

rence du trajet optique entre le faisceau de référence 15 et le faisceau de mesure 16 lors d'un déplacement du coin 19 Il est également possible de déplacer les deux coins 19, 20 l'un par rapport à l'autre et en sens opposé Grâce au déplacement du coin, il est possible d'obtenir une modification définie

de la différence du trajet en vue, par exemple, d'une inter-

polation ou d'une modulation.

La fig 2 montre une autre forme de réalisation d'un interféromètre suivant l'invention et dans laquelle des inter- férences Fizeau à faisceaux multiples sont créées au niveau d'un coin réel Les éléments identiques à ceux de la fig 1 sont désignés par les mêmes références Le faisceau 13 polarisé linéairement et provenant du laser arrive en étant orienté, de 450 sur la plaque 2 de X qui crée le faisceau 14 polarisé de façon circulaire à sens de rotation vers la droite Ce faisceau traverse la couche diviseuse 5 et est divisé par la couche 18 partiellement réfléchissante du miroir de référence 6 en un faisceau passant et en un faisceau réfléchi Le faisceau partiel et réfléchi 15 représente le faisceau de référence et est polarisé de façon circulaire vers la droite Le faisceau partiel passant 16 forme le faisceau de mesure dont le sens de rotation de la polarisation circulaire est inversé par suite de son double passage dans la plaque 3 de À Les faisceaux partiels 16 parcourant, grâce à leur réflexion, plusieurs fois le trajet entre le miroir de référence 6 et le miroir de mesure 7 conservent leur polarisation circulaire vers la gauche du fait que le nombre des passages du faisceau partiel 16 à partir de la couche partiellement réfléchissante et

retour est toujours pair.

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Claims (4)

REVEND ICAT IONS

1 Interféromètre à basculement invariable et à

miroirs plans qui est constitué par une source lumineuse mono-

chromatique, des éléments divisant et réfléchissant le fais-

ceau lumineux, des éléments optiques de polarisation et à double réfraction ainsi que par des récepteurs photo-électriques caractérisé en ce que les surfaces actives des récepteurs photo-électriques ( 11, 12) sont disposées l'une par rapport à l'autre par rapport aux éléments diviseurs de rayons ( 5, 8) et aux éléments ( 6, 7) réfléchissant les rayons de façon qu'elles ne reçoivent que les paires de faisceaux homologues

( 15 ', 15 '' et 16 ', 16 '').

2 Interféromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une première plaque 2 réalisée en une matière à double réfraction est prévue en amont d'un premier

élément diviseur de rayons ( 5), et en ce qu'une deuxième pla-

que ( 3) de est disposée dans un faisceau partiel en aval

du premier élément diviseur de rayons ( 5), en ce qu'un analy-

seur optique de polarisation ( 9, 10) est prévu dans chacun des trajets des faisceaux partiels ( 15 ', 16 ') et ( 15 '', 16 '') et en aval d'un deuxième élément diviseur de rayors ( 8), en ce qu'un récepteur photoélectrique ( 11, 12) est monté à la suite de chaque analyseur optique de polarisation ( 9, 10) et en ce

que les directions de passage des analyseurs optiques de po-

larisation ( 9, 10) forment un angle l'un par rapport à l'autre.

3 Interféromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments diviseurs de rayons ( 5, 8) et l'élément ( 6) réfléchissant les rayons sont assemblés

pour former une seule unité de construction.

4 Interféromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément réfléchissant les rayons est réalisé sous forme d'un miroir partiellement transparent ( 18), en ce qu'un élément ( 7) réfléchissant les rayons est disposé parallèlement au miroir partiellement transparent ( 18) et en ce que la plaque ( 3) a est disposée entre les deux

éléments ( 7, 18) réfléchissant les rayons.

Interféromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une paire de coins ( 19, 20) est prévue

dans l'un des trajets des faisceaux partiels.