FR2778458A1 - Dispositif optique de mesure interferometrique d'un deplacement relatif entre deux elements dont l'un au moins est mobile relativement a l'autre - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de mesure d'un déplacement relatif entre un premier élément (2) et un deuxième élément (6) comprenant :une source de lumière (10, 14) sensiblement monochromatique, de longueur d'onde lambda agencée pour fournir un premier faisceau (22) de lumière sensiblement parallèle se propageant en direction dudit premier élément, lesdits premier et deuxième éléments (2, 6) étant transparents pour ladite longueur d'onde lambda, un premier réseau de diffraction (4) et un deuxième réseau de diffraction (8) associés respectivement audits premier et deuxième éléments (2, 6), ces premier et deuxième réseaux de diffraction (4, 8) étant disposés sensiblement parallèlement l'un à l'autre caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (4, 8) sont orientés de manière que le faisceau (22) fourni par ladite source (10, 14) arrive sur le premier réseau (4) avec une incidence de Littrow, ce premier réseau (4) ayant une période spatiale A comprise entre lambda/ 2 et 1. 5lambda, les réseaux de diffraction (4, 8) présentant un profil symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à leur plan moyen au moins un premier capteur (16) photoélectrique, permettant de mesurer une intensité lumineuse incidente pour la détection des interférences.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE DE MESURE

INTERFEROMETRIQUE D'UN DEPLACEMENT RELATIF ENTRE

DEUX ELEMENTS DONT L'UN AU MOINS EST MOBILE

RELATIVEMENT A L'AUTRE.

La présente invention concerne un dispositif optique de mesure interférométrique d'un déplacement relatif entre deux éléments dont l'un au moins est mobile relativement à l'autre; ce dispositif peut par conséquent mesurer en outre la vitesse du déplacement On connaît dans l'état de la technique de nombreuses solutions de capteurs de position mettant en oeuvre la détection des interférences entre les faisceaux lumineux issus de réseaux diffractant en

déplacement relatif.

Il est en particulier connu de réaliser des dispositifs optiques de mesure comprenant au moins un réseau de diffraction servant à diffracter un faisceau incident, provenant d'une source de lumière sensiblement monochromatique, et à former ainsi des faisceaux diffractés dont au moins deux sont sélectionnés pour interférer ensemble. Pour ce faire, le dispositif optique est agencé de manière que ces deux faisceaux diffractés initialement dans des directions différentes sont ensuite au moins partiellement recombinés pour permettre une interférence entre eux, l'intensité de cette interférence étant mesurée par au moins un capteur. Pour permettre une mesure interférométrique du déplacement relatif d'un des deux éléments parallèlement à l'autre, la source de lumière et le capteur sont solidaires d'un de ces deux éléments et le réseau de diffraction est solidaire de l'autre de ces deux éléments. A titre d'exemple, le brevet allemand DE24325(51) divulgue un dispositif de mesure interférométrique utilisant trois réseaux de diffraction en transmission pour engendrer deux faisceaux diffractés d'ordre +1 et -1 et les coupler entre eux pour permettre une interférence dont la mesure permet de déduire à l'aide d'un algorithme de calcul la valeur du déplacement relatif entre deux de ces trois réseaux. Le dispositif décrit dans ce document DE24315(51) nécessite trois réseaux de diffraction et un ajustement précis de la distance entre ces trois réseaux. De plus, une partie relativement grande de l'intensité du faisceau initial est inévitablement perdue au passage de chaque réseau et

particulièrement au passage du réseau intermédiaire.

Dans ce document, seuls les faisceaux utiles ont été représentés. Cependant, sans indication particulière sur les trois réseaux de diffraction, plusieurs ordres diffractés sont inopérants, ce qui diminue l'efficacité du dispositif. De plus, au moins une partie des faisceaux diffractés non-utiles à la mesure sont reçus par les capteurs, ce qui diminue le contraste des

franges d'interférence reçues par ces capteurs.

Le brevet européen EP741282 décrit un dispositif optique de mesure interférométrique d'un déplacement relatif entre deux éléments utilisant deux réseaux de diffraction. Le dispositif, qui travaille en incidence normale, nécessite un premier réseau ayant un période double de celui du deuxième réseau. La présente invention requiert seulement la fabrication de réseaux de même période et étend la polarisation de la lumière incidente aux deux cas fondamentaux (TE ou TM) de polarisation. On mentionnera également le brevet européen EP276395 qui décrit un dispositif de mesure photoélectrique pour la mesure de la position d'un réseau de diffraction par rapport à un substrat, comportant un dispositif d'éclairage et au moins un réseau de phase pouvant se déplacer perpendiculairement à la direction du faisceau dudit dispositif d'éclairage pour produire au moins deux faisceaux partiels de rayons diffractés. Ces faisceaux sont envoyés dans deux guides d'ondes lumineuses au moyen de deux éléments de couplage, sont amenés à deux entrées d'un coupleur, puis sont amenés en interférence à l'intérieur du coupleur et sont transformés en au moins un signal électrique par au moins un détecteur, dans lequel les éléments de couplage, les guides d'ondes lumineuses, le coupleur et le détecteur, au nombre d'au moins un, sont regroupés sur un substrat sous la forme d'un circuit optique intégré, et dans lequel le circuit optique intégré

contient également le dispositif d'éclairage.

Un autre document, le brevet européen EP333929, divulgue un dispositif de mesure de position pour la mesure de longueurs et d'angles mettant en oeuvre plusieurs réseaux qui peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres et diffractent la lumière émise par une source lumineuse pour former une interférence entre les faisceaux partiels diffractés. L'angle d'incidence i de la lumière par rapport à la normale au réseau (O) et les propriétés physiques du premier réseau sont choisis tels, que seul le faisceau partiel d'ordre de diffraction zéro et le faisceau partiel du premier ordre de diffraction le plus proche de la normale au réseau (O) participent à la formation du signal par diffraction sur le deuxième réseau. Les propriétés physiques du deuxième réseau sont choisies telles que les faisceaux partiels incidents soient divisés uniquement en faisceaux partiels de leurs premiers ordres de diffraction. Les faisceaux partiels les plus proches de la normale au réseau sont amenés en interférence par diffraction sur le troisième réseau qui

est semblable au premier réseau.

Un tel dispositif met en oeuvre trois réseaux au moins. Il nécessite une grande précision dans l'assemblage des constituants du dispositif. Tout

dérèglement provoque une perte de précision.

Un autre brevet de l'art antérieur, le brevet européen EP(42) (57)26 décrit un dispositif de mesure de la position relative de deux objets, comportant au moins un dispositif d'éclairage et un dispositif de détection associés à l'un des objets et au moins une graduation de mesure agencée sous forme de réseau de diffraction, associée à l'autre objet. Le dispositif dans lequel un faisceau de rayons est diffracté par la graduation de mesure est divisé en faisceaux partiels (+1, -1) pouvant être amenés en interférence. Les faisceaux partiels diffractés sont déviés vers la graduation de mesure par des éléments optiques, de nouveau diffractés et amenés en interférence par paires. Les modulations d'intensité de ces interférences à deux rayons sont transformées en signaux électriques par le dispositif de détection. Les propriétés physiques de la graduation de mesure réalisée sous forme de réseau de phase sont choisies telles qu'au moins un faisceau partiel, d'ordre de diffraction 0, participe au moins à la formation de l'une des interférences à deux rayons. Lors d'un déplacement de la graduation de mesure dans la direction de mesure, les modulations d'intensité des interférences à deux rayons

sont mutuellement déphasées.

Un autre brevet, le brevet européen EP(51)(58)86, divulgue un dispositif de mesure de position pour la mesure de la position relative de deux objets mobiles l'un par rapport à l'autre, dans lequel - un faisceau de rayons lumineux provenant d'une source de lumière traverse une surface de référence active optiquement de l'un des objets et arrive sur une autre surface de mesure active optiquement, - la surface de référence et la surface de mesure forment un angle alpha non nul tel que la lumière provenant des surfaces de référence et de mesure soit amenée en interférence et forme un motif de franges dans lequel la position des franges dépend de la longueur du chemin parcouru par la lumière entre la surface de référence et la surface de mesure, - la longueur du chemin étant déterminée par la position de l'autre objet et - le motif de franges parvenant à un dispositif de détection, - une graduation en réseau étant prévue entre la surface de référence ou la surface de mesure et le dispositif de détection aux fins de lire le motif de

franges.

De façon générale, les dispositifs de l'art antérieur nécessitent l'utilisation de moyens techniques de grande précision, pour fournir une mesure fiable en toutes conditions d'utilisation. La géométrie et les assemblages doivent être définis avec une très grande précision, et les réseaux doivent présenter une grande qualité optique pour fournir des franges d'interférence exploitables facilement. Par ailleurs, la source lumineuse ou les sources lumineuses sont souvent des sources laser de haute qualité, fournissant un faisceau cohérent et parallèle, et les détecteurs sont souvent formés par des barrettes CCD à transfert de charge. Il en résulte deux inconvénients majeurs: tout d'abord, le prix de revient des dispositifs de l'art antérieur est élevé, ce qui les exclus d'utilisation o les contraintes de coût doivent être prises en compte; ensuite, ces dispositifs sont fragiles, et ne peuvent pas être mis en oeuvre dans des

environnements perturbés optiquement ou mécaniquement.

L'objectif de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de faible prix de revient, acceptant de grande tolérance d'assemblage, et autorisant l'utilisant de composants de précision moyenne. Son but est de fournir un dispositif de mesure d'un déplacement relatif entre deux objets ou éléments qui soit efficace, de réalisation peu onéreuse

et permettant un agencement compact.

La présente invention vise également à éviter au constructeur d'avoir à fabriquer deux types de réseaux de période double l'une de l'autre. Elle couvre une champ différent de celui du brevet EP0741282, qui ne concernait qu'un éclairage en polarisation TE, en incidence normale, et nécessitant deux réseaux de

profils différents et strictement contrôlés.

Pour atteindre ce but, le dispositif optique de mesure d'un déplacement relatif entre un premier élément et un deuxième élément selon l'invention comprend: (i) une source de lumière sensiblement monochromatique, de longueur d'onde X, agencée pour fournir un premier faisceau de lumière sensiblement parallèle se propageant en direction dudit premier élément, lesdits premier et deuxième éléments étant transparents pour ladite longueur d'onde X, (ii) un premier réseau de diffraction et un deuxième réseau de diffraction associés respectivement audits premier et deuxième éléments. Ces premier et deuxième réseaux sont disposés de façon sensiblement parallèlement l'un à l'autre et orientés de manière que le premier faisceau fourni par la source arrive sur le premier réseau avec une incidence égale à ou proche de l'incidence de Littrow ou de Bragg, ce premier réseau ayant une première période spatiale A supérieure à ladite longueur d'onde k divisée par 2 et servant à diffracter ledit faisceau de lumière incident selon l'ordre -1, de manière à former un deuxième faisceau diffracté en transmission d'ordre -1, en plus du troisième faisceau diffracté en transmission d'ordre zero, (iii) au moins un premier capteur permettant de mesurer une intensité lumineuse incident

sur celui-ci.

L'incidence théorique (i) du faisceau incident est l'angle de Littrow. Toutefois, une

tolérance de 10 est admissible.

Ce dispositif optique est caractérisé en ce que la distance séparant le premier réseau du deuxième réseau est inférieure à la distance de séparation spatiale des deuxième et troisième faisceaux, et en ce que le deuxième réseau a une deuxième période spatiale dont la valeur est sensiblement égale à la première période spatiale. Le deuxième réseau est agencé pour diffracter en transmission le deuxième faisceau de manière à former un quatrième faisceau diffracté d'ordre 0 et un cinquième faisceau d'ordre +1, ce deuxième réseau étant également agencé pour diffracter en transmission le troisième faisceau de manière à former un sixième faisceau diffracté d'ordre -l et un septième faisceau d'ordre 0. Le premier capteur est disposé de manière à capter au moins partiellement l'intensité des parties respectives des quatrième et sixième faisceaux superposées l'une à l'autre et interférant l'une avec l'autre. Il résulte des caractéristiques de l'invention susmentionnée que seuls deux réseaux de diffraction de même période égales ou sensiblement égales et un capteur sont nécessaires et suffisants pour mesurer un déplacement en valeur absolue entre deux éléments. Ensuite, la distance entre les deux réseaux étant faible et l'efficacité du dispositif de mesure optique étant par construction d'autant meilleure que cette distance est faible, une augmentation de l'efficacité et une diminution du volume nécessaire pour le dispositif selon l'invention sont conjointement

réalisées, ce qui est particulièrement avantageux.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, la période spatiale A, l'angle d'incidence i et la longueur d'onde X sont reliés par la formule: 2 sin i = / A (1), dont il découle que < 2 A. Par ailleurs, les ordres O et -l seront les seuls à se propager si sin i > 1/3 (2) soit i > 19 28'. Si nous remplaçons sin i dans l'équation (2) par sa valeur donnée par l'éq. (1), on peut voir qu'il est aussi nécessaire d'avoir > 2 A / 3. Finalement, la longueur d'onde de la source doit vérifier 2 A/3 k 2 A. (3) Il résulte de cette caractéristique particulière que les deux réseaux ne fournissent que les faisceaux diffractés d'ordre 0, et d'ordre -1. De ce fait, le nombre de faisceaux diffractés est limité et le contraste des franges d'interférence, tout comme

l'efficacité du dispositif sont meilleurs.

Par efficacité du dispositif, on comprend la puissance lumineuse moyenne reçue par un capteur divisée par la puissance lumineuse moyenne du faisceau initial fourni par la source. Il est néanmoins possible d'outrepasser sensiblement les limites données par

l'équation (3) sans trop perdre en efficacité.

L'onde incidente doit être polarisée rectilignement et les réseaux utilisés doivent présenter un profil symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à leur plan moyen et contenant la direction des sillons. La section des réseaux peut prendre différentes formes sans préjudice pour la

qualité du dispositif: profil rectangulaire, semi-

cylindrique, sinusoïdal, trapézoïdal,... Ils peuvent être formées par des alternances de sillons et de pleins, ou des alternances de tiges métalliques formant une grille, et des pleins, ou encore une alternance de tiges

métalliques et des vides.

On peut utiliser polarisation TE ou TM, pour laquelle le vecteur de champ électrique est respectivement parallèle ou perpendiculaire à la direction commune des génératrices des deux réseaux, choisir pour ces derniers des réseaux de tiges métalliques de section rectangulaire que l'on sait

produire par photolithogravure.

On peut aussi choisir deux réseaux diélectriques, ainsi que chacune des deux combinaisons entre réseau de tiges métalliques et réseau diélectrique. Diverses caractéristiques des premier et deuxième réseaux seront décrites ultérieurement à l'aide des figures. Ces caractéristiques garantissent une grande efficacité du dispositif et un excellent contraste des franges d'interférence reçues par le ou

les capteur(s) prévu(s).

Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la distance séparant le premier réseau du premier capteur est supérieure à la distance de séparation spatiale des deuxième et troisième faisceaux. Il découle de cette caractéristique particulière une séparation totale entre les deux faisceaux interférant selon la direction de diffraction d'ordre -1 du premier réseau et les deux faisceaux interférant selon la direction de diffraction d'ordre zéro de ce réseau. De ce fait, on assure un contraste optimal pour la mesure par le capteur d'un nombre de franges d'interférence correspondant à un déplacement mesuré. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront également décrits ciaprès à l'aide

de la description suivante faite en référence aux

dessins annexés, donnés à titre nullement limitatif, sur lesquels: - la figure 1 présente schématiquement en coupe un dispositif optique de mesure selon l'invention - la figure 2 est une deuxième représentation schématique du dispositif optique de mesure représenté à la figure 1; - la figure 3 représente schématiquement un premier réseau de diffraction du dispositif représenté à la figure 1; - la figure 4 représente schématiquement un deuxième réseau de diffraction du dispositif représenté à la figure 1; - la figure 5 représente schématiquement une plage de valeurs optimales pour deux paramètres du deuxième réseau représenté à la figure 4; En raison du fait que les 2 profils sont identiques, elle s'applique donc au premier réseau représenté à la figure 4 en remplaçant X par W et Y par H. - la figure 6 est une vue de dessus de l'élément 6 du dispositif représenté à la figure 1 auquel est associé le deuxième réseau représenté à la figure 4 et schématisé sur la moitié supérieure de la figure; cet élément 6 pourra comporter en outre un troisième réseau (60) représenté sur la moitié

inférieure de la figure 6.

A l'aide des figures 1 à 6 on décrira ci-après un mode de réalisation d'un dispositif optique

de mesure selon l'invention.

Ce dispositif comprend un premier élément mobile (2) auquel est associé un premier réseau de diffraction (4) de période A. Ce dispositif comprend en outre un deuxième élément (6)associé à un deuxième réseau de diffraction (8) de même période A. Ensuite, il comprend une source de lumière 10 agencée pour fournir une lumière sensiblement monochromatique. A titre d'exemple, la source (10) est formée par une diode

électroluminescente (LED) ou un micro-laser.

Le faisceau de lumière initiale 12 fourni par la source (10) est collimaté par un dispositif de collimation (14) représenté schématiquement sur la figure 1 par une lentille convergente,mais dispositif de

collimation peut comprendre plusieurs éléments optiques.

Cependant, la collimation n'est pas indispensable et il est apparu qu'une divergence de l'ordre de 5 permet néanmoins de conserver un fonctionnement satisfaisant du dispositif.. Le dispositif optique de mesure comporte au moins un capteur (16) ou une paire de capteurs (16 et 18) permettant de mesurer une intensité lumineuse incidente et sa variation dans le temps. Le capteur (16) ou les capteurs (16 et 18) sont associés à un substrat (20) solidaire de l'élément (6). On notera que la source (10) et les capteurs (16 et 18) sont positionnés fixement l'un par rapport à l'autre lorsqu'une mesure d'un déplacement de l'élément (2) relativement à

l'élément (6) est effectuée.

Le capteur (16) est utilisé pour la détection des interférences entre les faisceaux diffractés d'ordre (-1, 0) et (0, -1). Il est disposé de façon à ce que son centre soit décalé par rapport à la projection de la perpendiculaire passant par le centre du dispositif en position médiane, du coté opposé à l'intersection entre le plan du capteur et l'axe médian du faisceau incident (22). Le décalage est d'environ S.tgO, o S est la distance entre l'élément (2) et le substrat (20) contenant les capteurs (cf. figure 2) et 0l'angle de diffraction. Le capteur (18) est utilisé pour la détection des interférences entre les faisceaux diffractés d'ordre (-1, +1) et (0, 0). Il est disposé de façon à ce que son centre soit décalé par rapport à la projection de la perpendiculaire passant par le centre du dispositif en position médiane, sensiblement dans le

prolongement de l'axe médian du faisceau incident (22).

Un capteur additionnel peut être utilisé pour la détermination du sens du déplacement. Ce capteur est disposé pour détecter les interférences formés par

un réseau décalé d'un quart de pas.

L'utilisation de deux capteurs (16) et (18) ou de deux paires de capteurs (16, 16') et (18, 18') permet de procéder à des traitements pour l'élimination des bruits, car les signaux fournis par les deux capteurs ou les deux paires de capteurs sont en opposition. La source de lumière (10) et le dispositif de collimation (14) forment ensemble une source de lumière fournissant un faisceau (22) de lumière se propageant en direction du premier élément (2). Ce faisceau peut être approximativement parallèle, mais la sensibilité sur l'incidence n'est pas critique et un écart de plusieurs degrés est tolérable. Le faisceau de lumière (22) a une longueur d'onde x et les deux éléments (2) et (6) sont transparents pour cette

longueur d'onde k.

Le faisceau (22) arrive avec une incidence étale à ou voisine de celle de Littrow sur le premier réseau (4). Ce réseau (4) est agencé de manière que le faisceau (22) incident est diffracté seulement selon les ordres de diffraction 0 et -1, transmis dans le fluide ambiant et réfléchis dans le fluide ambiant (non représenté). On notera que les ordres transmis +1 et -2 peuvent se propager dans le matériau transparent constituant l'élément (2), mais qu'ils sont évanescents dans le fluide ambiant et que l'ordre -1 réfléchi dans le fluide se propage dans la même direction que l'onde incidente, mais en sens inverse, en raison du choix de

l'incidence de Littrow (ou de Bragg).

Le profil du réseau (4) est formé de merlons (24) et de tiges (26). Ces tiges sont représentées avec des sections rectangulaires de hauteur H; le merlons ont une largeur W. Les tiges peuvent être remplies d'un métal, ou d'un diélectrique, y compris le même que celui constituant le milieu ambiant entre les réseaux (4) et (8). Les faisceaux diffractés en transmission par ce réseau (4), d'ordre -l et 0, sont

respectivement désignés par les références (30) et (32).

Le réseau (8) est agencé de telle manière que les faisceaux (30) et (32) arrivent au moins partiellement sur celui-ci. Le profil de ce réseau (8) est sensiblement identique à celui de la figure 4. Il est formé également de merlons (34) et d'embrasures (35). Les merlons (34) ont une hauteur Y et une largeur X à mi-hauteur et l'on a X _ W, Y - H. Selon l'invention, la période spatiale du deuxième réseau (8) est égale à A. Grâce à cette caractéristique, une partie du faisceau (30) est diffractée dans la direction du faisceau (32). De même une partie du faisceau (32) est diffractée par ce

deuxième réseau (8) dans la direction du faiseau (30).

Le réseau (8) est agencé de manière que, dans le fluide ambiant, le faisceau (30) soit diffracté essentiellement selon les ordres 0 et +1, alors que le faisceau (32) est diffracté essentiellement selon les ordres 0 et -1. On désigne par (36) et (38) les faisceaux correspondant respectivement aux ordres de diffraction 0 et +1 du faisceau (30) diffracté par le réseau (8) et par (40) et (42) les faisceaux correspondant respectivement aux ordres de diffraction -1 et 0 du faisceau (32) diffracté par ce réseau (8). Il est encore prévu des moyens de polarisation (44) servant à polariser la lumière du faisceau (22). On notera que ces moyens de polarisation (44) peuvent être agencés n'importe o entre le dispositif de collimation (14) et les capteurs (16 et/ou 18). Ces moyens de polarisation (44) servent à polariser la lumière sensiblement parallèle du faisceau (22) de telle manière que le champ électrique soit sensiblement parallèle (ou perpendiculaire) aux rainures du premier réseau (4) qui sont définies par les tiges (26) selon la direction perpendiculaire au plan de coupe de la figure 1. De même, le champ électrique des faisceaux (30) et (32) arrivant sur le de deuxième réseau (8) présente alors un champ électrique parallèle (ou perpendiculaire) aux rainures 46 (figure 6) définies par les embrasures (35) selon la direction perpendiculaire au plan de coupe

de la figure 1.

Le principe de fonctionnement du dispositif optique de mesure selon l'invention repose en premier lieu sur le fait que le premier réseau (4) diffracte essentiellement le faisceau incident (22) selon les ordres de diffraction -1 et 0 et que le deuxième réseau (8) diffracte essentiellement chacun des deux faisceaux (30) et (32) selon la direction respective de ces deux faisceaux et également selon la direction de l'autre de ces deux faisceaux. De ce fait, les faisceaux (36) et (40) se propagent parallèlement l'un à l'autre selon la direction du faisceau (30) alors que les faisceaux (38) et (42) se propagent parallèlement l'un à l'autre selon

la direction du faisceau (32).

Ensuite, de manière à assurer une interférence entre les faisceaux (36) et (40) et entre les faisceaux (38) et (42), il est prévu selon l'invention que la distance E entre le premier réseau (4) et le deuxième réseau (8) est inférieure à la distance de séparation spatiale Mx des faisceaux (30) et (32) se propageant dans le fluide (non représenté) situé

entre ces premier et deuxième réseaux (4) et (8).

La distance de séparation spatiale Mx est donc une valeur calculée dépendant de l'angle de diffraction - des faisceaux (30) et (32) ainsi que du diamètre D du faisceau incident (22) dans le plan de coupe de figures 1 et 2. La relation mathématique reliant la distance Mx au diamètre D et à l'angle de diffraction O est donnée par: Mx = D/(2sinO) On notera que l'angle de diffraction Oest le même que l'angle d'incidence i si le fluide entre les éléments (2) et (6) est le même que le fluide situé

au-dessus de l'élément (2).

La distance E étant inférieure à la distance Mx, les faisceaux (36) et (40), respectivement (38) et (42) interfèrent partiellement entre eux comme cela est représenté à la figure 2. Sur cette figure 2 ont été représentées les directions de propagation des faisceaux utiles à la mesure interférométrique et les largeurs de ces faisceaux ont également été représentées à l'aide de lignes définissant sensiblement l'espace occupé par chacun des faisceaux (36), (38), (40) et (42) dans le plan de coupe la figure 2. Ainsi, le faisceau (36) occupe l'espace situé entre les lignes (50) et (51), le faisceau (40) occupe l'espace situé entre les lignes (52) et (53), le faisceau (38) occupe l'espace situé entre les lignes (54) et (55), et le faisceau (42)

occupe l'espace situé entre les lignes (56) et (57).

On remarquera que la réfraction survenant à la surface (7) de l'élément (6) n'a pas été représentée

graphiquement pour des raisons de clarté de dessin.

Les parties respectives des faisceaux (36) et (40) situés entre les lignes (51) et (52) interfèrent entre elles. De même, les parties respectives des faisceaux (38) et (42) situées entre les lignes (55) et

(56) interfèrent entre elles.

L'intensité de la lumière dans les zones d'interférence susmentionnées dépend du déphasage entre les faisceaux interférant entre eux, ce déphasage dépendant notamment de la position relative de l'élément (2) par rapport à l'élément (6) et de la période

spatiale Adu réseau (4).

Lorsque l'élément (2) est déplacé relativement à l'élément (6), le déphasage entre les faisceaux interférant varie et l'intensité lumineuse reçue par le capteur (16) et éventuellement le capteur (18), disposés de manière à recevoir l'intensité lumineuse des parties respectives des faisceaux

interférant entre eux, varie de manière sinusoïdale.

Pour la configuration optique du dispositif représenté aux figures 1 et 2 qui est symétrique et compte tenu de la conservation de l'énergie, si le capteur (16) reçoit une intensité lumineuse variant selon 1 sino, 4 étant le déphasage, le capteur (18) reçoit une intensité

lumineuse variant selon 1 -sino.

En utilisant la mesure effectuée par les deux capteurs (16 et 18), il est possible à l'aide d'un circuit électronique (non représenté) d'éliminer lebruit de fond et d'obtenir un meilleur contraste des

franges d'interférence.

De plus, pour pouvoir déterminer le sens du déplacement de l'élément (2) relativement à l'élément (6), il est prévu un troisième réseau (60) (figure 6) situé à la surface de l'élément (6) et présentant un profil sensiblement identique à celui du deuxième réseau. Cependant, ce troisième réseau est décalé selon la direction de la ligne de coupe I-I du quart de la période spatiale A des réseaux (8) et (60). La dimension du faisceau initial (22) selon la direction perpendiculaire au plan de coupe des figures 1 et 2 est prévue suffisamment grande pour que les faisceaux diffractés (30) et (32) arrivent partiellement sur le deuxième réseau (8) et sur le troisième réseau (60). Il résulte de cet agencement que si l'intensité lumineuse reçue par les capteurs (16 et 18) varie selon 1 sin, l'intensité reçue par deux autres capteurs (non représentés), agencés à la surface du substrat (20) pour recevoir les parties superposées des faisceaux (36) et (40), respectivement (38) et (42) diffractés par le réseau (60), varient selon 1 coso. De ce fait, il est possible de déterminer de manière univoque le sens du déplacement de l'élément (2) relativement à l'élément (6). Afin d'augmenter au maximum le contraste des franges d'interférence reçues par les capteurs, il est avantageusement prévu que la distance S de séparation entre le réseau (4) et les capteurs (16 et

18) soit supérieure à la distance Mx.

Un des intérêts majeurs du dispositif est de limiter au maximum les ordres de diffraction parasites, c'est-à-dire non-utiles à la mesure interférométrique effectuée par le dispositif optique selon l'invention. Pour ce faire, l'invention propose une condition (équation 3) sur la longueur d'onde et la période spatiale A telle que seuls des ordres O et -l soient diffractés en transmission (et en réflexion) par le réseau (4). De plus, des simulations à l'aide d'outil informatiques conçus à cet égard, et fondés sur l'analyse électromagnétique (vectorielle) des phénomènes de diffraction, ont montré que grâce au choix de l'incidence de Littrow (équation 1), d'une polarisation adéquate, de merlons symétriques et de tiges métalliques, il est possible d'obtenir des ordres -1 et

0 transmis (faisceaux (30) et (32)) égaux en amplitude.

Le choix du métal constituant les tiges n'est pas strict. Tout matériau de réflectivité suffisante (c'est-à-dire de l'ordre de ou supérieur à 10%) peut convenir. C'est le cas de métaux peu réflecteurs comme le chrome. Des matériaux moins réflecteurs peuvent toujours convenir pourvu que la hauteur H des tiges soit suffisamment grande. La polarisation est dictée par la largeur W des merlons de diélectrique d'indice N. Si X/2N < W < k/N,

(4)

la polarisation sera TE, si O < W < k/2N, elle sera TM. Si l'on désigne par x le rapport A/W, W = A/x et l'équation.(4) entraîne: A/x < JN d'o A < xXJN. L'équation (3) A < 3X/2 sera automatiquement vérifiée si x < 3N/2, ce qui est le cas pour un réseau dit "symétrique" (W = A/2) gravé dans un verre d'indice N = 1.5. On notera que si les réseaux choisis sont des réseaux diélectriques, une égalité satisfaisante des ordres O et -1 transmis peut aussi être obtenue en choisissant pour W et H les valeurs de X et Y (respectivement) décrites dans les quatres

paragraphes suivants.

Concernant le réseau (8), ainsi que le réseau (60) dans le cas o ce dernier est prévu, diverses mesures et simulations ont permis d'établir une plage bidimentionelle (66) valable pour la polarisation TE, représentée schématiquement à la figure 5, pour Y/X et X/k dans laquelle les faisceaux (36) et (38), respectivement (40) et (42) ont une intensité sensiblement semblable. Pour que l'intensité totale des faisceaux (36) et (38), respectivement (40) et (42) soit supérieure à 80% de l'intensité du faisceau (30), respectivement (32) et que la différence d'intensité entre le faisceaux (36) et (38), respectivement (40) et (42) soit inférieure à 20% de l'intensité du faisceau (36), respectivement (40), il a été déterminé que la valeur de Y/X et la valeur de X/X sont reliées entre elles de telle manière que le couple formé par ces deux valeurs est compris dans une plage bidimensionnelle (66) définie par les six relations mathématiques suivantes: Y/X = 8.679(X/k) 2 -6.851(X/k)+2.113; Y/k = 0.974(X/k)+0.514; Y/k = 8. 120(X/k) 2 -6. 381(X/k)+1.905; Y/1 = 1.039(X/x)+0.383;

X/X = 0.40;

Y/k = 1l30.

Sur la figure 5 a été représentée la courbe donnant les valeurs optimales pour le couple Y/k et X/k. Cette courbe (70) est formée de deux segments reliés entre eux au point (X1, Y1). Sur la base des mesures effectuées, il a été déterminé que la valeur de X1 = 0.593 et la valeur de Y1 = 1.039. Le segment (72) est défini pour des valeurs de X/k comprises entre 0.40 et X1, alors que le segment (74) est défini pour des

valeurs de Y/k comprises entre Y1 et 1.30.

La relation mathématique définissant le segment (72) est donnée par: Y/X = 8.399(X/k) 2 -6.616(X/k)+2.009 La relation mathématique définissant le segment (74) est donnée par: Y/k = 1.039(X/k)+0.423 On notera encore qu'il a été constaté lors des diverses mesures que les merlons (24) du réseau (4) peuvent avoir un flanc non-vertical sans nuire de manière sensible à l'efficacité du dispositif optique selon l'invention. Comme représenté à la figure 3, les flancs des merlons (24) peuvent présenter un décalage angulaire arelativement à un flanc vertical optimal. Des mesures ont démontré qu'une variation de l'angle a entre 0 et environ 20 n'influence pas sensiblement l'efficacité du dispositif optique. De même, il a été constaté que les merlons (34) du réseau (8) peuvent également avoir un flanc présentant un décalage angulaire de l'angle P entre 0 et 20 n'a pas d'influence sensible sur l'efficacité du dispositif optique. Cette constatation est particulièrement avantageuse pour la réalisation expérimentale de réseaux (4) et (8) de courte période. On notera que dans le cas o le réseau (8) est identique au réseau (4), les conditions précédemment décrites pour le réseau (4) constituée de tiges métalliques à savoir X/2N<W<k/N et

polarisation TE ou O<W<X/2N et polarisation TM -

peuvent être substituées aux doncitions illustrées dans

la figure 5.

La condition A<3X/2 est non seulement avantageuse pour limiter le nombre de faisceaux diffractés par le réseau (4), mais également pour le nombre de faisceaux diffractés par le réseau (8) et, le cas échéant, le réseau (60). De plus, cette condition assure que les faisceaux parasites (ordres de diffraction -2 et +1, respectivement -1 et +2) représentés sur la figure 1 de part et d'autre des faisceaux (36) et (38), respectivement (40) et (42) sont totalement réfléchis à la surface 7 de l'élément (6) et ne sont ainsi nullement reçus par les capteurs (16 et 18). On mentionnera encore que les diverses mesures ont été effectuées avec une lumière de longueur d'onde X égale à 0.8 pm et des réseaux (4) et (8) de période spatiale A = 1 pm. Ainsi, la plage bidimensionnelle (66) représentée sur la figure 5 est valable pour tout X de l'ordre de 1 tm et une période spatiale A sensiblement égale a 1.25 k. Cependant, on notera que bien que la plage bidimensionnelle (66) puisse varier pour un autre facteur de proportionnalité entre A et X, la forme générale et le comportement

optique restent semblables.

Un autre intérêt important de l'invention est que le dispositif n'exige pas que les intensités diffractées dans les ordres 0 et -1 soient égales, pas plus pour le premier réseau (4) que pour les second et troisième réseaux (8, 60). En effet, si on désigne par TO et T-1 les intensités des ordres 0 et -1 transmis en dessous du premier réseau (4), il ressort du fait que, l'incidence Osur le réseau (8) étant sensiblement égale à i, et le réseau (8) étant sensiblement semblable au premier réseau (4), l'intensité du faisceau (36) sera égale à T_-TO, et celle du faisceau (40) égale à ToT-1 Ainsi, les faisceaux qui interfèrent sur le capteur (16) sont des faisceaux d'égale intensité, conduisant à des minima nuls et une visibilité optimale, même si TO et T-1 présentent des intensités très différentes. Cette particularité permet d'utiliser des réseaux en plastique peu coûteux pour lesquels aucune profondeur particulière, ni aucune forme spécifique de

sillons n'est exigée.

Dans une variante de réalisation non-représentée, le dispositif optique de mesure selon l'invention est agencé pour la mesure d'un déplacement angulaire entre deux éléments. Cette variante de construction est semblable au mode de réalisation décrit ci-avant à la différence que le premier réseau (4) a des rainures disposées radialement relativement à l'axe de rotation de l'élément tournant associé à ce réseau. Dans cette variante, les réseaux (8) et (60) sont agencés de préférence de telle manière que les rainures formant ces réseaux soient également disposées radialement relativement à l'axe de rotation de l'élément tournant susmentionné.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 - Dispositif de mesure d'un déplacement relatif entre un premier élément (2) et un deuxième élément (6) comprenant: une source de lumière (10, 14) sensiblement monochromatique, de longueur d'onde k agencée pour fournir un premier faisceau (22) de lumière sensiblement parallèle se propageant en direction dudit premier élément, lesdits premier et deuxième éléments (2, 6) étant transparents pour ladite longueur d'onde X, un premier réseau de diffraction (4) et un deuxième réseau de diffraction (8) associés respectivement audits premier et deuxième éléments (2, 6), ces premier et deuxième réseaux de diffraction (4, 8) étant disposés sensiblement parallèlement l'un à l'autre caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (4, 8) sont orientés de manière que le faisceau (22) fourni par ladite source (10, 14) arrive sur le premier réseau (4) avec une incidence voisine de l'incidence de Littrow, ce premier réseau (4) ayant une période spatiale A comprise entre X/2 et 1.5k, et au moins un capteur (16) pour la

détection des interférences.

2 - Dispositif de mesure d'un déplacement relatif entre un premier élément (2) et un deuxième élément caractérisé en ce que les réseaux présentent un profil symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à leur plan moyen. 3 - Dispositif de mesure d'un déplacement relatif entre un premier élément (2) et un deuxième élément (6) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la distance (E) séparant ledit premier réseau dudit deuxième réseau est inférieure à la distance Mx de séparation spatiale desdits deuxième et troisième faisceaux, en ce que ledit deuxième réseau a une période spatiale dont la valeur est sensiblement égale à la valeur de ladite première période spatiale (A), ledit deuxième réseau (8) étant agencé pour diffracter en transmission ledit deuxième faisceau (30) de manière à former au moins partiellement un quatrième faisceau (36) d'ordre O et un cinquième faisceau (38) d'ordre +1, ce deuxième réseau étant également agencé pour diffracter en transmission ledit troisième faisceau (32) de manière à former au moins partiellement un sixième faisceau (40) d'ordre -1 et un septième faisceau (42) d'ordre 0, et en ce que ledit premier capteur (16) est disposé de manière à capter au moins partiellement lesdits quatrième et sixième faisceaux (36), (40)

superposées l'une à l'autre.

4 - Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la période spatiale A est inférieure à 1,5 k o x désigne la

longueur d'onde de la source lumineuse.

5 - Dispositif optique selon l'une au moins

des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le

premier réseau (4) et le second réseau (8) sont identiques. 6 Dispositif optique selon l'une au moins

des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il

comporte un capteur photoélectrique (16) disposé pour détecter les interférences entre les faisceaux

diffractés d'ordre (-1, 0) et (0, -1).

7 - Dispositif optique selon l'une au moi,s

des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il

comporte un capteur photoélectrique (18) disposé pour détecter les interférences entre les faisceaux

diffractés d'ordre (0, 0) et (-1, +1).

8 - Dispositif optique selon l'une au moins

des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il

comporte une paire de capteurs photoélectriques (16, 16') disposé pour détecter les interférences entre les faisceaux d'ordre (-1, 0) et (0, -1) diffractés par le second réseau (8) d'une part, et les faisceaux d'ordre (-1, 0) et (0, -1) diffractés par un troisième réseau (60) décalé par rapport au second réseau (8) de A/4 long d'un axe appartenant à son plan moyen et perpendiculaire

aux sillons.

9 - Dispositif optique selon l'une au moins

des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il

comporte une paire de capteurs photoélectriques (18, 18') disposé pour détecter les interférences entre les faisceaux d'ordre (-1, +1) et (0, 0) diffractés par le second réseau (8) d'une part, et les faisceaux d'ordre (-1, +1) et (0, 0) diffractés par un troisième réseau (60) décalé par rapport au second réseau (8) de A/4 long d'un axe appartenant à son plan moyen et perpendiculaire

aux sillons.

- Dispositif optique selon l'une au

moins des revendications précédentes, caractérisé en ce

que le profil desdits premier réseau (4) et deuxième réseau (8) sont formés de premiers merlons ayant une largeur W à mi-hauteur, inférieure à X/N, o X est ladite longueur d'onde et N est l'indice de réfraction

de la matière formant lesdits premiers merlons (24).

11 - Dispositif optique selon l'une au mois

des revendications précédentes, caractérisé en ce que

ledit premier réseau (4) est agencé de manière que l'intensité totale desdits deuxième et troisième faisceaux (30, 32) est supérieure à 80 % de l'intensité dudit premier faiseau (22) et que la différence d'intensité entre ces deuxième et troisième faisceaux est inférieure à 20 % de l'intensité du deuxième faisceau (30) et caractérisé en ce que ledit deuxième réseau (8) est agencé de manière que l'intensité totale desdits sixième et septième faisceaux (40), (42) est supérieure a 80% de l'intensité dudit troisième faisceau (32) et que la différence d'intensité entre ces sixième et septième faisceaux est inférieure à 20% de l'intensité du sixième faisceau (42), ledit deuxième réseau étant également agencé de manière que l'intensité totale desdits quatrième et cinquième faisceaux (36), (38) est supérieure à 80% de l'intensité du deuxième faisceau (30) et que la différence d'intensité entre ces quatrième et cinquième faisceaux est inférieure a 20% de

l'intensité du quatrième faisceau (36).

12 - Dispositif optique selon la revendication 6 dans lequel le profil desdits premier réseau (4) et deuxième réseau (8) sont formés de deuxième merlons (34) et de deuxièmes embrasures (35), les deuxièmes merlons ayant une hauteur Y et une largeur X à mi-hauteur, caractérisé en ce que la valeur de Y/k et la valeur de X/X sont reliées entre elles de telle manière que le couple formé par ces deux valeurs est compris dans une plage bidimensionnelle définie par les six relations mathématiques suivantes: Y/k=8.679 (X/k) 2-6.851 (X/k) +2. 113; Y/k=0. 974(X/k)+0.514

Y/X=8.120 (X/X)2-6.381 (X/X) +1.905;

Y/X = 1.039(X/k)+0.383; X/k=0.40; Y/k = 1.30 13 - Dispositif optique selon l'une des

revendications précédentes, caractérisé en ce que la

distance (S) séparant ledit premier réseau (4) dudit premier capteur (16) est supérieure à ladite distance (Mx) de séparation spatiale desdits deuxième et

troisième faisceaux (30), (32).

14 - Dispositif optique selon l'une des

revendications précédentes, caractérisé en ce que la

lumière provenant de ladite source (10, 14) et entrant dans ledit premier capteur (16) est polarisée de telle manière que le vecteur champ électrique de cette lumière soit parallèle aux sillons des premier et deuxième réseaux (4, 8) si la largeur à mi-hauteur W des merlons est comprise entre k/2N et X/N, o k est ladite longueur d'onde et N est l'indice de réfraction de la matière formant lesdits premiers merlons, et est polarisée de telle manière que le vecteur du champ électrique de cette lumière est perpendiculaire aux sillons des premier et deuxième réseaux (4, 8) si la largeur à

mi-hauteur W des merlons est inférieure à X/2N.

15 - Dispositif optique selon l'une des

revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il

comprend en outre un troisième réseau (60) ayant sensiblement une même période spatiale A que les premier et deuxième réseaux (4) et (8) et étant sensiblement situé à la même distance (E) dudit premier réseau (4) que le deuxième réseau, lesdits deuxième et troisième réseaux (8, 60) étant décalés spatialement l'un relativement à l'autre d'un quart de ladite période spatiale (A), ledit dispositif optique étant agencé de manière que les dimensions du premier faisceau (22) sont suffisantes pour que chacun desdits deuxième et troisième faisceaux (30), (32) soit partiellement diffracté par ledit deuxième réseau (8) et par ledit troisième réseau (60), ledit dispositif optique comprenant en outre un deuxième capteur situé sensiblement à une même distance (S) dudit premier réseau que ledit premier capteur (16) et disposé de manière à capter au moins partiellement l'intensité des parties respectives des quatrième et sixième faisceaux (36), (40) superposée l'une à l'autre et diffractées par ledit troisième réseau (60), ledit premier capteur (16) étant disposé de manière à capter au moins partiellement l'intensité desdites parties respectives de ces quatrième et sixième faisceaux superposées l'une à

l'autre et diffractées par ledit deuxième réseau (8).

- Dispositif optique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième capteur (18) et un quatrième capteur disposés sensiblement à une même distance (S) dudit premier réseau (4) que lesdits premier et deuxième capteurs (16), ledit troisième capteur (18) étant disposé de manière à capter au moins partiellement l'intensité des parties respectives des cinquième et septième faisceaux (38), (42) superposées l'une à l'autre et diffractées par ledit deuxième réseau (8), ledit quatrième capteur étant également disposé de manière à capter au moins partiellement l'intensité des parties respectives des cinquième et septième faisceaux (38), (42) superposées l'une à l'autre et diffractées par ledit troisième

réseau (60).