FR2817039A1 - Dispositif de mesure optique utilisant un interferometre a division d'amplitude, et procede mettant en oeuvre ce dispositif - Google Patents

Dispositif de mesure optique utilisant un interferometre a division d'amplitude, et procede mettant en oeuvre ce dispositif Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour déterminer la différence de chemin optique dans un interféromètre à division d'amplitude de type Michelson. L'interféromètre comprend une source de lumière, une ligne de mesure comprenant un premier faisceau lumineux envoyé vers un objet à mesurer, une ligne à retard comprenant un second faisceau lumineux envoyé vers un miroir fixe, et un récepteur pour recueillir un mélange du premier et du second faisceaux lumineux. La ligne à retard comprend en outre un polygone rotatif disposé en amont du miroir de sorte que le second faisceau lumineux traverse ce polygone par réfractions successives. Aucune réflexion totale n'est réalisée à l'intérieur du polygone. Avec ce dispositif, la variation du chemin optique en fonction de l'angle de rotation du polygone est non-linéaire. On obtient ainsi un balayage périodique en fréquence des franges d'interférence au cours de la rotation du polygone, et donc un codage en fréquence de la position.

Description

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"Dispositif de mesure optique utilisant un interféromètre à division d'amplitude, et procédé mettant en oeuvre ce dispositif."
La présente invention concerne un dispositif pour déterminer la différence de chemin optique dans un interféromètre à division d'amplitude tel que par exemple l'interféromètre de Michelson. Elle concerne également un procédé de mesure de paramètres physiques d'un objet au moyen d'un tel dispositif.
D'une façon générale, dans les interféromètres à division d'amplitude, tel l'interféromètre de Michelson de la figure 1, on sépare un faisceau de lumière incident 1 en deux parties. Un premier faisceau 2 est envoyé vers un milieu Ml dans lequel on cherche à mesurer un paramètre physique (dimension, indice de réfraction, température, composition chimique...) alors que le deuxième faisceau 3 est introduit dans un dispositif appelé ligne à retard ou milieu M2. De manière générale les faisceaux sont réfléchis ou bien diffusés par les milieux Ml et M2 puis mélangés en retour à la surface d'un détecteur D. Dans de tels montages la source de lumière S est monochromatique, telle un laser, ou bien polychromatique telle une source de type DEL, SDEL etc... Le milieu M2 peut être un miroir en translation rectiligne uniforme.
Le rôle de la ligne à retard est de réaliser une opération de corrélation entre les signaux issus des milieux Ml et M2. Cette opération de corrélation est réalisée entre les ondes électromagnétiques el (t) et e2 (t) issues des milieux Ml et M2. L'opération de corrélation est donnée par la relation
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Figure img00020001
Figure img00020002

où i est le retard introduit par la ligne à retard et E le temps de réponse du photorécepteur D. i (l) est connu sous le terme de signal d'interférence occasionné par la superposition des deux faisceaux de lumière 2 et 3 issus des milieux Ml et M2.
Cependant, l'utilisation d'un miroir en translation rectiligne uniforme conformément à la figure 1, présente un problème du fait de la limitation de la vitesse de ce miroir pour un aller-retour. On appelle temps de cycle le temps mis par le miroir pour réaliser un aller-retour. Ce temps de cycle est
T=2L/V (2) où 2L est le déplacement aller-retour du miroir et V la vitesse du réflecteur.
Pour L= 5 mm et V = 10 mm/s, on constate que le temps de cycle est de l'ordre de 1 s. Beaucoup d'applications nécessitent des temps de cycle extrêmement rapides, de l'ordre de la milliseconde. C'est le cas par exemple du contrôle qualité en milieu industriel ou de la tomographie dans le domaine biomédical. L'approche du miroir en translation rectiligne uniforme n'est plus réaliste car cela signifierait un entraînement mécanique à plusieurs km/h avec des accélérations, au changement de direction, dépassant les capacités de charge des systèmes mécaniques usuels. Toute approche mécanique compromettrait la durée de vie d'un tel dispositif.
Pour pallier les limitations des systèmes utilisant le mouvement alternatif du miroir, divers auteurs ont imaginé des systèmes optiques basés sur la rotation de polygones. On connaît le document WO 96/35100 dans lequel
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on divulgue l'utilisation d'un cube ou bien un octogone tournant pour la réalisation d'une ligne à retard. Dans ce document, on optimise le fonctionnement du dispositif pour obtenir un fonctionnement linéaire, c'est à dire un retard T proportionnel à l'angle de rotation 0 du polygone. Une bonne linéarité est obtenue en utilisant plusieurs réflexions successives à l'intérieur du polygone. L'avantage d'avoir un système linéaire provient du fait que le contenu en fréquence du signal est centré sur une seule fréquence, fréquence Doppler liée à la vitesse de changement du chemin optique dans la ligne à retard. La sélectivité en fréquence permet en outre de limiter la bande passante du système de détection et donc d'obtenir un rapport signal sur bruit optimal lorsque le traitement du signal est opéré dans le domaine temporel tel que pratiqué dans la technique OTDR ("Optical Time Domain Reflectometry"). Or, un inconvénient majeur de la technique décrite dans le document WO 96/35100 provient du fait qu'il faut utiliser un codeur angulaire haute résolution afin de connaître la valeur du retard 1. Le codeur peut être directement couplé à l'arbre du moteur entraînant le polygone (un codeur du type incrémental par exemple). Le codeur peut être réalisé en injectant un faisceau laser dans la ligne à retard à une longueur d'onde différente de celle utilisée pour réaliser la mesure du paramètre physique recherché. Si le système utilise des fibres optiques comme dans le document WO 96/35100, la séparation des signaux optiques peut être réalisée en utilisant un démultiplexeur en longueur d'onde. Cette dernière approche conduit inéluctablement à un système complexe et onéreux.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif dans lequel la variation du chemin optique en fonction de l'angle de rotation du polygone est non-linéaire.
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Un but de l'invention est un interféromètre à division d'amplitude n'utilisant pas de codeur onéreux.
L'invention a aussi pour but un interféromètre à division d'amplitude dans lequel le traitement du signal est réalisé dans le domaine fréquentiel et non dans le domaine temporel.
On atteint les objectifs ci-dessus avec un dispositif pour déterminer la différence de chemin optique dans un interféromètre à division d'amplitude.
Cet interféromètre comprend une source de lumière, une ligne de mesure comprenant un premier faisceau lumineux envoyé vers un objet à mesurer, une ligne à retard comprenant un second faisceau lumineux envoyé vers un miroir fixe, et un récepteur pour recueillir un mélange du premier et du second faisceaux lumineux. Selon l'invention, la ligne à retard comprend en outre un polygone rotatif disposé en amont du miroir de sorte que le second faisceau lumineux traverse ce polygone par réfractions successives.
Le second faisceau lumineux traverse le polygone sans effectuer des réflexions internes sur les parois du polygone. Il en résulte une variation non-linéaire du chemin optique en fonction de l'angle de rotation du polygone. Cette caractéristique va directement à l'encontre de l'enseignement du document WO 96/35100.
La non-linéarité se traduit par un balayage en fréquence des franges d'interférence observées sur le récepteur au cours de la rotation du polygone. On obtient ainsi un codage en fréquence de la distance parcourue par le second faisceau lumineux.
Avec un tel dispositif, on évite l'utilisation d'un codeur optique puisque à une fréquence du signal donnée correspond un retard 1 donné.
Avantageusement, le polygone rotatif peut être agencé de sorte que le second faisceau lumineux subit
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deux réfractions sur deux faces parallèles du polygone. Ce polygone agit comme une lame à faces parallèles dont l'épaisseur varie en fonction de l'angle d'incidence du second faisceau lumineux. Une caractéristique remarquable de l'invention provient du fait que le second faisceau lumineux traversant le polygone sort parallèle à lui-même quelle que soit la valeur de l'angle d'incidence, ce qui permet par autocollimation de coupler aisément dans la même fibre optique le faisceau réfléchi par le miroir. Pour ce faire, on peut utiliser une lentille en terminaison d'une fibre optique de la ligne à retard, cette lentille étant capable de coupler donc à la fois les faisceaux incident et réfléchi du second faisceau lumineux.
Pour déterminer la fréquence du signal d'interférence résultant du mélange du premier et second faisceaux lumineux, le dispositif peut comprendre en outre des moyens fréquentiels reliés au récepteur. Ces moyens fréquentiels peuvent être un analyseur de fréquence.
Suivant une variante avantageuse de l'invention, les moyens fréquentiels peuvent comprendre un détecteur hétérodyne dans lequel on distingue : une ligne de synchronisation pour véhiculer un troisième faisceau lumineux traversant le polygone par réfractions sur deux faces parallèles, un détecteur de position pour capter ce troisième faisceau lumineux à la sortie du polygone et déterminer le déplacement latéral de ce troisième faisceau lumineux, un oscillateur local commandé en tension par le détecteur de position pour générer une
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fréquence proche de la fréquence d'un signal d'interférence issu dudit récepteur, et des moyens de détection des composantes en phase et en quadrature de phase du signal d'interférence afin de déterminer l'enveloppe de ce signal d'interférence.
Dans cette variante, le troisième faisceau lumineux peut provenir de la même source de lumière que le premier faisceau lumineux. La ligne à retard et la ligne de synchronisation peuvent être reliées entre elles au moyen d'un coupleur afin de n'utiliser qu'une seule source de lumière.
L'invention concerne également un procédé de mesure d'une différence de chemin optique dans lequel on utilise un interféromètre à division d'amplitude pour déterminer les paramètres physiques d'un objet. Pour ce faire, on dirige un premier faisceau lumineux vers l'objet à mesurer, on dirige un second faisceau lumineux vers un miroir fixe. Selon l'invention, le second faisceau lumineux traverse par réfractions un polygone rotatif disposé en amont du miroir, et on détermine la différence de chemin optique entre le premier et le second faisceaux lumineux en mesurant la fréquence d'un signal d'interférence, cette fréquence étant fonction de la distance parcourue par le second faisceau lumineux.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma simplifié d'un interféromètre de Michelson selon l'art antérieur, la figure 2 est un schéma simplifié du dispositif selon l'invention,
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la figure 3 est une courbe illustrant la variation du chemin optique du faisceau de la ligne à retard en fonction de l'angle de rotation du polygone, la figure 4 est une courbe illustrant fréquence
Doppler des franges présentes dans le signal d'interférence en fonction de l'angle de rotation du polygone, la figure 5 est une courbe illustrant la variation du chemin optique en fonction de la fréquence Doppler des franges présentes dans le signal d'interférence, la figure 6 est une courbe illustrant la fréquence Doppler en fonction du déplacement latéral du faisceau à la sortie du polygone, et la figure 7 est un schéma simplifié d'une détection hétérodyne.
Le dispositif illustré sur la figure 2 comprend un interféromètre à fibre optique selon l'invention dans lequel une source de lumière 4 alimente un coupleur 5. On peut utiliser de façon non limitative les sources de lumières suivantes : sources à spectre large telles que : LED (Light Emitting Diode), S-LED (Super Light Emitting Diode), E-LED (Edge Light Emitting Diode) ou encore des sources super-fluorescentes.
Le coupleur permet d'obtenir deux faisceaux lumineux, un premier faisceau lumineux 11 envoyé vers un objet 6 à mesurer, et un second faisceau lumineux 12 envoyé vers un miroir 10. Ces deux faisceaux lumineux sont réfléchis puis renvoyés dans le coupleur 5 qui transmet le mélange de ces deux faisceaux lumineux vers un récepteur 7.
Avantageusement, on introduit un polygone 9, doté par exemple de huit faces, en amont du miroir 10. Ce polygone est en rotation à une vitesse de 6.25 tours par seconde,
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ce qui correspond à une cadence d'acquisition de 50 mesures par seconde.
Le second faisceau lumineux provenant du coupleur 5, traverse le polygone 9 à la suite de deux réfractions sur deux faces parallèles avant d'atteindre le miroir 10. A chaque instant, ce faisceau pénètre dans le polygone 9 par une face dont la normale fait un angle 0 par rapport à la direction d'incidence du faisceau. Une spécificité du dispositif provient du fait que ce second faisceau lumineux traversant le polygone sort toujours parallèle à lui-même quelle que soit la valeur de l'angle e, ce qui permet de coupler aisément dans la même fibre optique le faisceau réfléchi par le miroir 10.
Le second faisceau lumineux de la ligne à retard ne subit pas de réflexion totale à l'intérieur du polygone qui constitue une lame à faces parallèles dont l'épaisseur varie en fonction de l'angle d'incidence e.
Entre la fibre et le miroir, le faisceau parcourt un chemin optique : L (6) - (6) +L2 (6) +L3 (6) (3) Pour un octogone dont la distance entre les faces est Dp et l'indice de réfraction n,
Figure img00080001

Le déplacement du faisceau à la sortie du polygone est
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Figure img00090001

En combinant les équations (1) à (5), on obtient la variation de chemin optique
Figure img00090002
La variation du chemin optique en fonction de l'angle d'incidence du faisceau sur la face du polygone est représentée sur la figure 3. On voit que cette variation n'est pas linéaire. AL est symétrique par rapport à 0 = 0. La variation maximale de chemin optique que l'on peut atteindre avec ce dispositif dépend de Dp et de l'angle d'incidence maximal du faisceau. Si ce faisceau est aligné sur l'axe du polygone pour 6= 0, les angles d'incidence possibles sont-22. 50 # 8 < 22. 5 . On peut augmenter cette gamme en décalant le faisceau par rapport à l'axe du polygone. On trouve un optimum pour un décalage du faisceau par rapport à l'axe de 0. 11 Dp, qui correspond à une gamme d'angles d'incidence,-100 9
Figure img00090003

340.
La fréquence des franges mesurées par le récepteur est la fréquence Doppler fd due à la variation temporelle du chemin optique. Pour une source de longueur d'onde moyenne #, on a :
Figure img00090004

où west la vitesse de rotation du polygone, en rad/s.
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Sur la figure 4, on voit que la fréquence Doppler varie de façon quasi linéaire en fonction de l'angle d'incidence.
Les courbes des figures 3 et 4 permettent de déterminer la variation du chemin optique en fonction de la fréquence Doppler des franges d'interférences comme illustrée sur la figure 5. On obtient une courbe non linéaire dont l'approximation polynomiale d'ordre 2 est la suivante : y = 5. 662. 10-15X2 + 8.51. 10-1X-4. 847. 10-5 On possède ainsi un codage en fréquence de la variation du chemin optique.
Comme on le voit sur la figure 2, le mélange des deux faisceaux lumineux est capté par le récepteur 7 qui délivre le signal d'interférence. La mesure directe de la fréquence de ce signal est réalisée par un analyseur de fréquence 8. On peut réaliser par exemple une Transformée de Fourier Rapide, ou utiliser une boucle à verrouillage de phase, ou encore un système de comptage par passage de zéro... etc.
On peut envisager de remplacer cette mesure directe des fréquences du signal d'interférence par une détection hétérodyne comportant un oscillateur local. Pour générer la fréquence de l'oscillateur local, on utilise une caractéristique mise en évidence par les équations 9 et 7, selon laquelle la fréquence Doppler varie quasiment linéairement avec le déplacement latéral du faisceau au cours de la rotation du polygone. Cette relation est illustrée à la Figure 6. Pour exploiter cette caractéristique, on rajoute une ligne de synchronisation conformément à la figure 7 pour synchroniser la détection hétérodyne avec la rotation du polygone. La source 4, une S-LED à 1300 nm, envoie un faisceau lumineux dans un
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coupleur 13 pour former un troisième faisceau lumineux 15 et pour alimenter le coupleur 5. Le coupleur 5 joue le même rôle que sur la figure 2 en envoyant le premier faisceau lumineux 11 vers l'objet à mesurer et le second faisceau lumineux 12 vers le miroir 10. Le troisième faisceau lumineux 15 est envoyé vers un détecteur de position de type PSD (Position Sensitive Device). Les deux faisceaux lumineux 12 et 15 traversent le polygone 9 par réfractions et sont dirigés de façon orthogonale l'un par rapport à l'autre. De ce fait, ils arrivent sur le polygone avec le même angle d'incidence. Le faisceau 15 subit une déviation latérale qui est fonction de l'angle 9. Cette déviation est mesurée par le détecteur de position qui génère une tension de contrôle d'un oscillateur local VCO (Voltage Controlled Oscillator). Cet oscillateur local VCO génère à son tour une fréquence très proche de la fréquence Doppler. Cette fréquence est introduite dans un dispositif 16 de détection des composantes en phase et en quadrature du signal d'interférence provenant du récepteur 7. Le module de ces composantes fournit l'enveloppe du signal d'interférence.
On peut envisager de remplacer le détecteur PSD 14 par un détecteur ponctuel qui n'est atteint par le faisceau lumineux 15 que pour un angle d'incidence donné. On synchronise ainsi un oscillateur numérique disposé dans le montage hétérodyne, ou plus généralement un dispositif d'acquisition de mesures, avec la rotation du polygone.
La présente invention est remarquable par le fait que la variation du chemin optique en fonction de l'angle de rotation du polygone est non-linéaire. On obtient ainsi un balayage périodique en fréquence des franges d'interférence au cours de la rotation du polygone, et donc un codage en fréquence de la position.
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La présente invention permet donc de déterminer des paramètres physiques d'un objet. Dans les nombreuses applications possibles de la présente invention, on peut citer par exemple et de façon non limitative, la mesure de la distance d'un objet ; la mesure de l'épaisseur d'un réflecteur translucide renvoyant deux faisceaux occasionnés par le passage de la lumière au travers des deux dioptres air/matériau et matériau/air, la mesure des deux fréquences issues du récepteur permettant de déterminer l'épaisseur optique du matériau ; l'échographie haute résolution d'objets pour lesquels la longueur d'onde d'éclairage est pénétrante dans le volume du matériau considéré, la fréquence des raies spectrales du signal reçu indiquant la profondeur à laquelle a lieu la réflexion et l'amplitude de ces raies spectrales du signal reçu indiquant l'amplitude du coefficient de réflexion correspondant.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déterminer la différence de chemin optique dans un interféromètre à division d'amplitude doté d'une source de lumière (4), d'une ligne de mesure comprenant un premier faisceau lumineux (11) envoyé vers un objet (6) à mesurer, d'une ligne à retard comprenant un second faisceau lumineux (12) envoyé vers un miroir fixe (10), et d'un récepteur (7) pour recueillir un mélange du premier et du second faisceaux lumineux, caractérisé en ce que la ligne à retard comprend en outre un polygone rotatif (9) disposé en amont du miroir de sorte que le second faisceau lumineux (12) traverse ce polygone par réfractions successives.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polygone rotatif est agencé de sorte que le second faisceau lumineux subit deux réfractions sur deux faces parallèles du polygone.
  3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens fréquentiels (8) reliés au récepteur pour déterminer la fréquence du signal d'interférence résultant du mélange du premier et second faisceaux lumineux.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens fréquentiels comprennent un analyseur de fréquence.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens fréquentiels comprennent un détecteur hétérodyne (16).
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  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur hétérodyne comprend : une ligne de synchronisation pour véhiculer un troisième faisceau lumineux (15) traversant le polygone par réfractions sur deux faces parallèles, un détecteur de position (14) pour capter ce troisième faisceau lumineux à la sortie du polygone et déterminer le déplacement (d (e)) latéral de ce troisième faisceau lumineux, un oscillateur local (VCO) commandé en tension par le détecteur de position pour générer une fréquence proche de la fréquence d'un signal d'interférence issu du récepteur, et des moyens de détection (16) des composantes en phase et en quadrature de phase du signal d'interférence afin de déterminer l'enveloppe de ce signal d'interférence.
  7. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le troisième faisceau lumineux provient de la source de lumière (4).
  8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la ligne à retard et la ligne de synchronisation sont reliées entre elles au moyen d'un coupleur (13).
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne à retard comprend une fibre optique terminée par une lentille capable de coupler à la fois les faisceaux incident et réfléchi du second faisceau lumineux (12).
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  10. 10. Procédé pour mesurer une différence de chemin optique, dans lequel on utilise un interféromètre à division d'amplitude pour déterminer les paramètres physiques d'un objet (6), on dirige un premier faisceau lumineux (11) vers l'objet à mesurer, on dirige un second faisceau lumineux (12) vers un miroir fixe (10), caractérisé en ce que le second faisceau lumineux traverse par réfractions un polygone rotatif (9) disposé en amont du miroir, et en ce qu'on détermine la différence de chemin optique entre le premier et le second faisceaux lumineux en mesurant la fréquence d'un signal d'interférence.
  11. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le second faisceau lumineux subit deux réfractions sur deux faces parallèles du polygone avant d'atteindre le miroir.
  12. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'on mesure directement la fréquence du signal d'interférence au moyen d'un analyseur de fréquence (8).
  13. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que pour obtenir la fréquence du signal d'interférence, on effectue une détection hétérodyne en introduisant une ligne de synchronisation dont le faisceau lumineux (15) traverse le polygone par réfractions, le déplacement latéral de ce troisième faisceau lumineux commandant en tension un oscillateur local (VCO) permettant de déterminer l'enveloppe du signal d'interférence.
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