FR2542084A1 - Spectrometre interferometrique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES SPECTROMETRES INTERFEROMETRIQUES. ELLE SE RAPPORTE A UN SPECTROMETRE INTERFEROMETRIQUE AYANT DES ELEMENTS OPTIQUES FORMANT UN INTERFEROMETRE DE MICHELSON COMPORTANT UN REPARTITEUR DE FAISCEAU 13 ET UN DISPOSITIF REFLECHISSANT MOBILE 17. SELON L'INVENTION, UN DISPOSITIF D'ETALONNAGE DE LA POSITION DU DISPOSITIF REFLECHISSANT MOBILE COMPORTE UN DISPOSITIF DE DISCRIMINATION EN QUADRATURE AYANT UN CHEMIN OPTIQUE QUI COMPREND LE REPARTITEUR DE FAISCEAU 13 ET L'ELEMENT REFLECHISSANT MOBILE 17 ET DESTINE A DONNER DES SIGNAUX REPRESENTATIFS DE LA POSITION ET DU SENS DE DEPLACEMENT DE LA PARTIE DU DISPOSITIF REFLECHISSANT MOBILE 17 QUI SE TROUVE DANS LE CHEMIN OPTIQUE. APPLICATION AUX SPECTROMETRES INTERFEROMETRIQUES.

Description

La présente invention concerne un spectromètre interférométrique.

On connaît déjà des spectromètres interféromé-

triques Dans ce domaine, les interféromètres de Michelson sont très largement acceptés, surtout sous la forme qui met en oeuvre un répartiteur de faisceau destiné à établir deux chemins optiques indépendants, l'un d'eux au moins ayant un élément réfléchissant mobile Les principaux problèmes posés par ces instruments sont le déplacement voulu de l'organe réfléchissant et sa mise en position

dans l'espace.

Les spectromètres interférométriques modernes

utilisent un rayonnement cohérent d'un laser dans l'inter-

féromètre, l'élément réfléchissant mobile produisant des "franges" qui sont comptées lors du déplacement de l'élément réfléchissant Cependant, ce procédé fondamental n'établit pas la position de l'élément réfléchissant mobile mais seulement son déplacement Dans certaines mesures, ceci

convient mais d'autres mesures nécessitent plus d'informa-

tions.

La sensibilité d'un instrument peut être améliorée par répétition d'une mesure Cependant, la répétition

d'une mesure nécessite un certain système de référence.

Dans la technique antérieure, l'opération a été réalisée par le procédé en "lumière blanche" qui repose sur le fait qu'il existe un signal maximal lorsque les branches de l'interféromètre sont égales Bien que ceci soit utile, le système n'est pas parfaitement satisfaisant pour plusieurs raisons Parmi celles-ci, il faut indiquer le fait qu'il faut des interféromètres physiquement séparés, l'un pour la création du signal en "lumière blanche" et un autre pour la création du spectre d'analyse Le couplage des deux interféromètres d'une manière qui élimine les erreurs de position entre eux est difficile Une autre raison est que le compteur de franges perd son comptage lorsque l'élément réfléchissant mobile change de sens Ainsi, la détermination d'une référence doit être assurée au début de chaque mesure, et un balayage bidirectionnel

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est rendu impossible en pratique En outre, le système

en "lumière blanche" nécessite une grande précision mécani-

que qui augmente les coûts et impose pratiquement la sélec-

tion d'un point unique au début d'un balayage de mesure.

Le point choisi est un compromis correspondant à une dégrada-

tion des caractéristiques.

L'invention concerne un procédé de détection d'une position absolue mettant en oeuvre un laser et ayant une application particulière à la détermination de la position et du sens de déplacement d'un organe réfléchissant

mobile dans l'interféromètre d'un spectromètre interféromé-

trique En conséquence, une position de référence est obtenue et peut être observée pendant de nombreux balayages

alors que le système de référence de position ou d'étalon-

nage peut être incorporé à l'interféromètre qui crée le spectre La formation d'une référence bidirectionnelle est assurée et permet ainsi un balayage bidirectionnel, alors qu'un marqueur de début de mesure peut être établi en un point quelconque de l'interférogramme, permettant

l'analyse de n'importe quelle partie de l'interférogramme.

En outre, le nombre de repères de référence utilisé selon l'invention est double de celui donné par les systèmes

en "lumière blanche", permettant un échantillonnage synchro-

nisé sur le double de la plage spectrale.

La présente invention s'applique en particulier à un spectromètre interférométrique du type qui met en oeuvre un interféromètre de Michelson Dans le présent

mémoire, un interféromètre de Michelson est un interféro-

mètre dans lequel un répartiteur de faisceau établit un premier et un second chemin interférométriques dont l'un au moins a un élément réfléchissant mobile destiné à modifier la longueur optique de ce chemin Par exemple, l'élément réfléchissant est un organe plat qui est alors appelé miroir Cependant, d'autres éléments réfléchissants, tels que des trièdres trirectangles ou d'autres types d'organes réfléchissants peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention Plus précisément, l'invention concerne un perfectionnement à l'étalonnage de la position du miroir mobile. Des exemples de spectromètres interférométriques connus comportent une source d'un rayonnement d'analyse,

un interféromètre de Michelson travaillant sur ce rayon-

nement et comprenant un répartiteur de faisceau et au moins un miroir mobile, et un ensemble d'étalonnage de la position du miroir mobile Le perfectionnement selon l'invention met en oeuvre un dispositif de discrimination en quadrature ayant un chemin optique qui comprend le répartiteur de faisceau et le miroir mobile et qui est destiné à donner des signaux représentatifs de la position et du sens de déplacement de la partie du miroir optique

qui se trouve sur le chemin du rayonnement d'analyse.

Le trajet optique du dispositif de discrimination en quadra-

ture peut être rendu coaxial au chemin du rayonnement d'analyse associé au miroir mobile De cette manière,

la position du miroir, étalonnée par le système en quadra-

ture, est une position moyenne de la partie du miroir sur laquelle le rayonnement d'analyse parvient Dans une variante, la position de trois parties du miroir peut

être déterminée afin que le plan du miroir soit établi.

En conséquence, la position moyennne de la partie du miroir se trouvant dans le faisceau du rayonnement d'analyse

peut être déterminée Dans ce dernier cas, l'une des posi-

tions déterminées peut être une position coaxiale au fais-

ceau du rayonnement d'analyse.

Dans de nombreux spectromètres interférométri-

ques du commerce, la sélection du répartiteur de faisceau dépend du rayonnement d'analyse voulu Comme le système

en quadrature décrit précédemment met en oeuvre un réparti-

teur de faisceau commun au rayonnement d'analyse, le changement du répartiteur de faisceau pour un rayonnement d'analyse différent provoque une perte de référence par le système en quadrature Dans ce cas, l'invention constitue une référence initiale représentative de la position du miroir mobile, indépendamment du répartiteur de faisceau et permettant l'établissement des conditions initiales de l'ensemble en quadrature Dans un mode de réalisation avantageux, la référence initiale peut être établie par

un ensemble supplémentaire de discrimination en quadrature.

En fait, ce système supplémentaire de discrimination peut être utilisé d'une manière redondante avec le premier ensemble en quadrature, avec utilisation d'un répartiteur commun de faisceau avec le rayonnement d'analyse, avec

en outre un ensemble convenable destiné à assurer un arbi-

trage entre les indications de position données lorsqu'elles

sont différentes.

On connaît des ensembles en quadrture destinés à la mesure de distance Un exemple est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 409 375, délivré

le 5 novembre 1968 à Hubbard.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion seront mieux compris à la lecture de la description

qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lesquel la figure 1 représente la partie constituant l'interféromètre d'un spectromètre interférométrique ayant

un interféromètre de Michelson avec des surfaces réflé-

chissantes planes; la figure 2 représente l'incorporation d'un ensemble de discrimination en quadrature dans le système optique du spectromètre connu représenté sur la figure 1; les figures 3 à 5 représentent des modes de réalisation avantageux de certains des éléments optiques du spectromètre connu représenté sur la figure 1, adaptés spécifiquement à des modes de réalisation de l'invention; et les figures 6 et 7 représentent des variantes

d'une partie du mode de réalisation de la figure 2.

La figure 1 représente schématiquement un inter-

féromètre du type de Michelson utilisé dans un spectromètre

interférométrique connu Une source d'un rayonnement d'ana-

lyse, comprenant des éléments optiques associés destinés

à collimater et diriger le rayonnement d'analyse vers l'inter-

féromètre, est représentée par la référence 10 Le chemin

du rayonnement d'analyse dans l'interféromètre est repré-

senté par le trait unique 11, avec un cercle 12 formé autour du trait 11 afin qu'il représente le fait que le 5.

faisceau collimaté du rayonnement a une dimension notable.

Dans de nombreux instruments du commerce du type décrit, le faisceau collimaté peut avoir un diamètre de l'ordre de 5 cm ou plus Le rayonnement d'analyse suit la direction de la flèche de la ligne jusqu'à un répartiteur 13 de faisceau qui divise celui-ci afin qu'il suive un premier chemin 14 vers un miroir fixe 15 et à partir de celui-ci, et un second chemin 16, vers un miroir mobile 17 et à partir de celui-ci La direction de déplacement du miroir mobile 17 est indiquée par les flèches 18, et le mécanisme de support et de déplacement du miroir 17 porte la référence générale 19 Le rayonnement d'analyse réfléchi par les miroirs 15 et 17 est recombiné par le répartiteur 13 de faisceau afin qu'il sorte de l'interféromètre suivant la droite 20, l'étendue du faisceau le long de la droite étant à nouveau indiquée par le cercle 12 Le rayonnement

d'analyse suivant la droite 20 est dirigé vers un comparti-

ment d'échantillonnage, d'une manière connue et dans des

buts bien connus.

La figure 2 représente les éléments optiques 13, 15 et 17 de la figure 1, ainsi que leur adaptation selon l'invention Le faisceau de sortie d'un laser 25 est dirigé vers le répartiteur 13 de faisceau par un élément réfléchissant 26 Le répartiteur 13 divise le faisceau

de sortie du laser vers les deux branches de l'interfé-

romètre (suivant deux chemins optiques dont l'un comprend le miroir mobile 17 et l'autre le miroir fixe 15) Le rayonnement du laser, réfléchi par les miroirs 15 et 17, est recombiné par le répartiteur de faisceau afin qu'il suive un trajet indiqué par la référence 27 jusqu'à un détecteur 28 Un cercle 29 est représenté sur la figure 2 afin qu'il indique la dimension du faisceau laser par rapport au faisceau du rayonnement d'analyse indiqué par

le cercle 12.

Les répartiteurs de faisceau sont en général linéairement dichroiques Les effets du dichroîsme d'un

répartiteur de faisceau peuvent être "annulés" par orienta-

tion et sélection convenables du laser d'une manière connue dans la technique Cependant, un retard est introduit dans une constante de polarisation du signal de sortie du laser par une lame de retard placée dans une branche de l'interféromètre Dans le mode de réalisation de la figure 2, cette lame est représentée par la référence 27, son épaisseur étant choisie afin qu'elle donne le retard voulu Le détecteur 28 comporte un répartiteur de faisceau polarisant qui sépare les polarisations des

faisceaux combinés et un détecteur pour chaque polarisation.

L'ensemble représenté sur la figure 2 est un ensemble en quadrature qui permet une discrimination de la phase pour l'établissement de la position et du sens de déplacement du miroir 17 par rapport au miroir 17,

par utilisation de compteurs convenables associés au détec-

teur 28 Par exemple, lorsque la plaque 27 de retardement est une plaque huitième d'onde, le signal de sortie des deux détecteurs incorporés au détecteur 28 est une onde sinusoïdale, les deux ondes étant décalées de 900 environ l'une par rapport à l'autre Pour un sens de déplacement du miroir, le signal de sortie d'un détecteur est en retard par rapport à l'autre mais en avance lorsque le miroir se déplace dans l'autre sens Les spécialistes peuvent utiliser ces signaux et les déphasages relatifs pour la

détermination des sens de déplacement et pour l'utilisa-

tion d'un compteur bidirectionnel destiné à conserver

un nombre représentatif de la position du miroir mobile 17.

L'ensemble de référence ou d'étalonnage de la fi-

gure 2, lorsqu'il est superposé à l'ensemble de la figure 1 traitant le rayonnement d'analyse, est tel que le faisceau laser de la figure 2 et le faisceau d'analyse

de la figure 1 sont coaxiaux l'un à l'autre de façon géné-

rale De cette manière, les signaux de sortie du détecteur

28 sont représentatifs de la position et du sens de dépla-

cement de la partie du miroir 17 placée dans le faisceau du rayonnement d'analyse Ainsi, si l'on suppose que le miroir 17 est plan, le centre géométrique du faisceau d'analyse se trouve dans la position "moyenne" de la partie du miroir sur laquelle tombe le faisceau d'analyse Ainsi, tout "pivotement" du miroir 17 peut être compensé par étalonnage de la position du centre géométrique du faisceau d'analyse sur le miroir Ceci est réalisé avec un ensemble coaxial. On a constaté que la petite dimension du faisceau laser par rapport au faisceau de rayonnement d'analyse n'avait pas un effet trop important sur la sensibilité de l'instrument d'analyse Le détecteur 28 et l'élément réfléchissant 26 peuvent avoir une configuration réduisant en grande partie le rayonnement du laser transmis à la partie interféromérique de l'instrument, alors que le

rayonnement d'analyse "passe autour" La lame 27 introdui-

sant un retard peut être disposée dans chaque branche

de l'interféromètre et supportée de toute manière voulue.

Dans le mode de réalisation représenté, la lame 17 est directement fixée au miroir 15, par exemple par collage, si bien que toute rupture de support et l'obstacle constitué

pour le faisceau d'analyse sont supprimés.

Un rayonnement d'analyse voulu peut nécessiter un changement du répartiteur de faisceau Comme l'ensemble de discrimination en quadrature de la figure 2 met en oeuvre un répartiteur commun de faisceau avec le rayonnement d'analyse de l'instrument, un changement du répartiteur

provoque une perte de référence dans l'ensemble de discrimi-

nation en quadrature représenté sur la figure 2 Une confi-

guration de répartiteur de faisceau, résolvant ce problème, et une variante de l'ensemble en quadrature de la figure

2, sont représentées sur la figure 3 sur laquelle le réparti-

teur de faisceau est formé par deux répartiteurs portant les références 30 et 31 Le répartiteur 30 correspond au répartiteur 13 des figures 1 et 2 et il s'agit d'un

répartiteur commun au rayonnement d'analyse et au rayon-

nement laser représentés sur ces figures Le répartiteur 31 est fixé dans l'instrument afin qu'il reste en place

lors de l'enlèvement du répartiteur 30 et de son rempla-

cement par un autre Ainsi, le répartiteur 31 peut être utilisé afin qu'il donne référence stable avec un ensemble double ou redondant de discrimination en quadrature Ceci peut être réalisé comme représenté sur la figure 6, le faisceau du laser 25 étant séparé en deux par un répartiteur de faisceau 32, une partie étant transmise directement à un élément réfléchissant 33 et l'autre étant transmise à un élément réfléchissant 34 par l'intermédiaire d'un élément réfléchissant 35 Le rayonnement laser réfléchi

par l'élément 33 dans le sens de la flèche 36 peut corres-

pondre directement au rayonnement lazer représenté sur la figure 2, alors que le rayonnement laser réfléchi par l'élément 34 dans le sens de la flèche 37 peut être dirigé

vers le répartiteur 31, dans les deux branches de l'interfé-

romètre de la figure 2 Dans ce cas, le miroir 17 peut avoir une configuration telle qu'indiquée par la référence 40 sur la figure 4, la partie du miroir 40 se trouvant sur le chemin d'analyse étant représentée par le trait interrompu 41 et la région d'interaction du rayonnement 36 du laser et du miroir 40 étant indiquée comme coaxiale à la région 41 comme indiqué par la référence 42 Ainsi, le rayonnement laser dirigé dans le sens de la flèche 36 (voir figure 6) parvient sur le miroir en 42 après avoir été séparé et dirigé dans la branche de l'interféromètre contenant le miroir 40 Une partie du rayonnement laser indiquée par la flèche 37 est dirigée par le répartiteur

31 sur le miroir 40 comme indiqué par la référence 43.

Un arrangement de miroir destiné à la branche "fixe" de l'interféromètre est représenté sur la figure 5 avec un premier miroir 45 supporté en commun avec un second miroir 46 Le miroir 45 porte la lame 27 de retardement sur le trajet du rayonnement d'analyse qui est indiqué par le trait interrompu 47 Le point d'incidence du rayonnement

laser sur le miroir 45 est indiqué par la référence 48.

La partie du rayonnement laser 37 dirigée par le répartiteur 31 dans la branche fixe de l'interféromètre

parvient en 49 sur le miroir 46 La configuration repré-

sentée sur la figure 5 permet la fixation de la lame 27

de retardement sur le miroir 45, avec alignement ou orien-

tation par rapport au rayonnement du laser par rotation du miroir 45 sans déplacement d'une surface réfléchissante de la région du miroir 46 La construction à un seul miroir de la figure 4 améliore les erreurs de position qui peuvent être dues à deux miroirs mobiles Dans certains cas, la nature du rayonnement d'analyse ou la nature du répartiteur

de faisceau qu'il nécessite, limitent l'utilité d'un en-

semble de discrimination en quadrature du rayonnement

laser commun à celui du répartiteur Dans ce cas, le réparti-

teur peut avoir une région spécialement adaptée afin qu'elle joue le rôle du répartiteur de faisceau du laser, la zone environnante jouant le rôle du répartiteur de faisceau pour le rayonnement d'analyse Une région est représentée

sur la figure 3 comme indiqué par la référence 50 Evidem-

ment, un détecteur séparé tel que celui qui est représenté en 28 sur la figure 2, est nécessaire pour le rayonnement du laser formant l'ensemble séparé en quadrature associé au répartiteur 31 de faisceau, avec un circuit convenable

de traitement.

De nombreuses variantes peuvent être apportées à l'invention Par exemple, les deux ensembles en quadrature représentés dans le mode de réalisation de la figure 6 peuvent être utilisés afin qu'ils donnent une référence initiale par l'intermédiaire de l'ensemble en quadrature associé au rayonnement 37 du laser, l'ensemble en quadrature

associé au rayonnement laser 36 assurant la fonction prin-

cipale d'étalonnage Dans une variante, les deux ensembles peuvent être utilisés d'une manière redondante, des procédés convenables d'arbitrage étant utilisés dans le cas d'écart entre eux Evidemment, une référence initiale peut être établie autrement que-par utilisation d'un second ensemble en quadrature Dans une autre variante, la position moyenne de la partie du miroir mobile se trouvant sur le trajet optique du rayonnement d'analyse peut être établie par détermination de la position de trois points sur ce miroir et établissement d'une position moyenne par rapport au chemin du rayonnement d'analyse Un ou plusieurs chemin du rayonnement du laser peuvent se trouver dans le chemin du rayonnement d'analyse ou ils peuvent tous se trouver

à l'extérieur de celui-ci L'un des trois chemins du rayon-

nement du laser peut être coaxial au chemin du rayonnement d'analyse Un quatrième chemin du rayonnement de laser peut être disposé afin qu'il coopère avec un répartiteur distinct de faisceau tel que celui qui est représenté par la référence 31 sur la figure 3, les trois autres chemins du rayonnement laser formant chacun un chemin

distinct d'ensemble en quadrature et partageant un réparti-

teur commun de faisceau La réalisation d'un tel ensemble

est indiquée sur la figure 7 qui représente un des réparti-

teurs de faisceau 51 à 53 et des éléments réfléchissants 54 à 57 Le rayonnement laser provenant des éléments 53

à 55 peut être utilisé avec des ensembles séparés en quadra-

ture ayant un répartiteur commun de faisceau avec le rayon-

nement d'analyse, alors qu'un ensemble en quadrature mettant en oeuvre le rayonnement laser provenant de l'élément

optique 56 peut utiliser un répartiteur séparé de faisceau.

Lorsque plusieurs ensembles en quadrature sont utilisés, plusieurs lasers peuvent aussi être utilisés Cependant, pour des raisons bien connues, un seul laser et plusieurs

répartiteurs de faisceau sont préférables.

Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples

non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1.Spectromètre interférométrique du type qui comporte une source d'un rayonnement d'analyse ayant des éléments optiques formant un interféromètre de Michelson, travaillant sur ce rayonnement, les éléments optiques comprenant un répartiteur de faisceau ( 13) destiné à diriger le rayonnement d'analyse suivant un premier et un second chemin de l'interféromètre et un dispositif réfléchissant mobile ( 17) placé dans l'un des deux chemins afin qu'il modifie la longueur optique de ce chemin, et comprenant un dispositif d'étalonnage de la position du dispositif

réfléchissant mobile ( 17), ledit spectromètre interféro-

métrique étant caractérisé en ce que le dispositif d'étalon-

nage comporte un dispositif de discrimination en quadrature ayant un chemin optique qui comprend ledit répartiteur de faisceau ( 13) et le dispositif réfléchissant mobile ( 17) et destiné à transmettre des signaux représentatifs de la position et du sens de déplacement de la partie du dispositif réfléchissant mobile qui se trouve dans

ledit chemin.

2 Spectromètre selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que le dispositif de discrimination en quadra-

ture comporte un dispositif destiné à transmettre des

signaux représentatifs de la position et du sens de dépla-

cement de parties du dispositif réfléchissant mobile'( 17)

qui se trouvent en-dehors de la partie du dispositif réflé-

chissant mobile ( 17) qui se trouve elle-même dans ledit chemin.

3 Spectromètre selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que le dispositif destiné à transmettre des signaux comporte un dispositif destiné à transmettre des

signaux représentatifs de la position et du sens de dépla-

cement de trois parties du dispositif réfléchissant mobile

( 17).

4 Spectromètre selon la revendication 3, caracté-

risé en ce que les trois parties du dispositif réfléchis-

sant mobile 117) se trouvent en dehors dudit chemin.

Spectromètre selon l'une des revendications

1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de discrimination en quadrature comporte un dispositif ayant un chemin optique dont une partie au moins est coaxiale de façon générale

audit chemin optique.

6 Spectromètre selon l'une des revendications

3 et 5, caractérisé en ce que le dispositif d'étalonnage comporte un dispositif supplémentaire destiné à transmettre des signaux représentatifs de la position et du sens de

déplacement du dispositif réfléchissant mobile ( 17) indépen-

damment du répartiteur de faisceau ( 13).

7 Spectromètre selon l'une quelconque des revendi-

cations 2 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d'étalon-

nage comporte un dispositif supplémentaire destiné à donner une référence initiale représentative de la position du dispositif réfléchissant mobile ( 17) indépendamment du

répartiteur de faisceau ( 13).

8 Spectromètre selon l'une des revendications

6 et 7, caractérisé en ce que le dispositif supplémentaire

est un dispositif de discrimination en quadrature.