FR2872899A1 - Capteur optique de deplacement de resolution nanometrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif (100) de mesure d'un déplacement d'un objet par rapport à un support, qui comporte deux réseaux (2R , 3R) s'étendant selon deux plans sensiblement parallèles, dont les motifs sont sensiblement parallèles ; les réseaux sont respectivement solidaires de deux éléments ou substrats (2,3), l'un des éléments ou substrats étant relié ou intégré audit objet, l'autre élément ou substrat étant relié ou intégré audit support ; le dispositif comporte au moins un capteur (13) permettant de mesurer la variation dans le temps d'une intensité d'un champ lumineux résultant d'ordres diffractés en partie au moins transmis et/ou réfléchis par les réseaux.

Description

Capteur optique de déplacement de résolution nanomètrique ----------------

-

La présente invention est relative à un capteur optique de déplacement dont la résolution peut être de l'ordre d'un nanomètre.

Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication des capteurs optiques de déplacement.

L'invention s'applique plus particulièrement aux capteurs ou dispositifs de mesure interférentielle comportant deux réseaux de diffraction plans parallèles se faisant face, et respectivement solidaires de deux pièces ou éléments dont le déplacement relatif est à mesurer.

De tels dispositifs sont décrits dans les brevets EP741282 et FR2778458 et dans le document High accuracy translation-rotation encoder with two gratings in a Littrow mount , Michel Nevière et al, Applied Optics, vol. 38 n 1, 1 janvier 1999, pages 67-76; un tel dispositif comprend une source de lumière monochromatique (LED ou micro-laser), un dispositif de collimation et des moyens de polarisation du faisceau incident, ainsi que deux ou quatre capteurs permettant de mesurer la variation dans le temps d'une intensité lumineuse des faisceaux diffractés transmis par les réseaux; ces capteurs sont solidaires d'un substrat monté fixe par rapport à la source. Les deux éléments dans lesquels sont formés les réseaux sont transparents pour la longueur d'onde du faisceau émis par la source, et s'étendent entre la source et les capteurs de mesure d'intensité lumineuse.

Le faisceau arrive avec une incidence normale sur le premier réseau du brevet EP741282, tandis qu'il arrive sur ce réseau avec une incidence de Littrow ou Bragg (plus ou moins dix degrés) selon le brevet FR2778458.

Les réseaux du premier brevet sont prévus pour favoriser essentiellement les ordres de diffraction transmis (+1, -1) et (-1, 0) d'une part, ainsi que les ordres de diffraction transmis (+1, 0) et (-1, +1) d'autre part; les réseaux du second brevet sont prévus pour transmettre seulement les ordres de diffraction transmis (0, -1) et (-1, 0) d'une part, ainsi que les ordres (0, 0) et (-1, +1) d'autre part; les périodes spatiales des réseaux sont égales dans le brevet FR2778458; dans le brevet EP741282, la période spatiale du second réseau traversé par le faisceau lumineux est égale à la moitié de la période spatiale du réseau traversé en premier par le faisceau.

Pour obtenir l'interférence des faisceaux transmis, la distance séparant les deux réseaux est inférieure à la distance de séparation spatiale; lorsque les deux réseaux sont mutuellement déplacés parallèlement à leur plan, l'intensité lumineuse mesurée par les capteurs - qui sont sensibles aux faisceaux transmis interférents présente des maximums et des minimums et varie sinusoïdalement si la vitesse de déplacement est constante; chacun de ces brevets propose des plages de valeurs des dimensions des motifs et des périodes - des réseaux (rapportées à la longueur d'onde transmise), pour optimiser l'intensité des ordres diffractés voulus.

Pour diminuer le bruit de mesure, les capteurs délivrent des signaux en opposition et sont utilisés par paire; pour déterminer un sens de déplacement, un troisième réseau et une seconde paire de capteurs sont prévus.

Ces dispositifs comportent des inconvénients et limitations: la difficulté de réalisation et le coût des réseaux augmentant avec leur dimension, la plage de mesure de ces dispositifs est en pratique limitée à quelques centimètres; ces dispositifs sont également limités en termes d'angle d'incidence et de longueur d'onde utilisée; leur résolution reste relativement élevée, et leur mise en oeuvre pratique est très délicate.

Un autre inconvénient réside dans la difficulté de disposer deux réseaux parfaitement parallèles et décalés d'un quart de longueur d'onde pour la détermination du sens de déplacement.

Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif interférométrique de mesure de déplacement qui soit amélioré.

Un objectif de l'invention est de remédier, en partie au moins, aux inconvénients des systèmes connus de mesure de déplacement par mesure de l'intensité lumineuse d'un champ lumineux quasiment plat résultant de faisceaux parallèles diffractés par deux réseaux et d'ordres appropriés.

Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de mesure d'un déplacement relatif d'un objet mobile par rapport à un support - servant de référentiel fixe par mesure d'interférences entre des ordres diffractés par deux réseaux plans sensiblement parallèles et présentant des motifs ou sillons sensiblement parallèles, qui sont respectivement formés dans - ou solidaires de - deux éléments respectivement relié ou intégré audit objet pour l'un des éléments, et relié ou intégré audit support pour l'autre élément; les deux réseaux sont séparés par une lame d'air ou d'un autre fluide; le dispositif comprend une source de rayonnement électromagnétique sensiblement monochromatique de préférence une source de lumière sensiblement monochromatique, un dispositif de collimation et des moyens de polarisation du faisceau incident; le dispositif selon l'invention comporte en outre au moins un capteur permettant de mesurer la variation dans le temps d'une intensité lumineuse d'un champ lumineux résultant de la superposition partielle d'ordres ou faisceaux diffractés parallèles en partie au moins transmis et/ou réfléchis par les deux réseaux: les ordres ou parties de faisceau diffracté(e)s interférents sont soit transmis par les deux réseaux, soit transmis par un réseau et réfléchis par l'autre réseau, soit réfléchis par les deux réseaux.

A cet effet, ce capteur ainsi que les dispositifs de délivrance et/ou de collimation du faisceau incident peuvent être disposés d'un même coté des deux éléments supports de réseaux.

De préférence, ce capteur ainsi que ces dispositifs de délivrance et/ou de collimation sont disposés du coté opposé à celui où s'étend le réseau mobile supporté par l'élément mobile relié à l'objet mobile, par référence au deuxième réseau principal qui est fixe; l'élément supportant le réseau mobile est réfléchissant pour la longueur d'onde considérée tandis que l'élément supportant le réseau fixe est transparent pour cette longueur d'onde.

Selon un premier mode préféré de réalisation, le dispositif selon l'invention favorise l'interférence des faisceaux d'ordre (-1, +1, 0) avec des faisceaux d'ordre (0, -1, +1) ; selon un second mode préféré de réalisation, le dispositif selon l'invention favorise l'interférence des faisceaux d'ordre (-1, +1, -1) avec des faisceaux d'ordre (0, -1, 0).

D'autres modes préférés de réalisation sont possibles et sont inventoriés de la façon qui suit. Dans la direction symétrique de la direction incidente, se propagent les ordres (-1,+1,0) et (0,-1,+1) déjà cités, mais aussi les ordres (-1,0,+1) et (0,0,0) ; il existe donc six façons de les combiner deux à deux pour obtenir un champ d'interférence. Outre la combinaison déjà citée au précédent paragraphe, on pourra faire interférer les faisceaux (-1,+1,0) et (-1,0,+1), les faisceaux (-1,+1,0) et (0,0,0), les faisceaux (-1,0,+1) et (0,-1,+1), les faisceaux (-1,0,+1) et (0,0,0), et les faisceaux (0,-1,+1) et (0,0,0).

De façon similaire, dans la direction incidente, mais en sens inverse, se propagent les ordres (-1,+1,-1) et (0,-1,0) déjà cités, mais aussi les ordres (-1,0,0) et (0,0,-1). Outre la combinaison entre les faisceaux d'ordre (- 1,+1,-1) et (0,-1,0) déjà citée, on pourra faire interférer les faisceaux (-1,+1,-1) et (-1,0,0), les faisceaux (-1,+1,-1) et (0,0,-1), les faisceaux (-1,0,0) et (0,-1,0), les faisceaux (-1,0,0) et (0,0,-1), et les faisceaux (0,-1,0) et (0,0,-1).

En plus des modes préférés de réalisation déjà décrits, il est possible d'obtenir un champ d'interférence entre l'un des 4 ordres (-1,+1,0), (0,1,+1), (-1,0,+1), (0,0,0) et le faisceau réfléchi dans l'ordre zéro par le réseau 2R; de même, il est possible d'obtenir un champ d'interférence entre l'un des 4 ordres (-1,+1,-1), (0,-1,0), (-1,0,0), (0,0,-1) et le faisceau diffracté en réflexion dans l'ordre -1 par le réseau 2R.

L'utilisation de faisceaux réfléchis permet d'obtenir un dispositif compact et facile à mettre en oeuvre.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de mesure d'un déplacement d'un objet mobile par rapport à un support par mesure d'interférences entre des ordres diffractés par deux réseaux plans parallèles; le dispositif comporte une fibre optique à maintien de polarisation pour guider le faisceau incident, depuis la source lumineuse jusqu'au dispositif de collimation, ce qui permet de disposer la source lumineuse à distance des éléments supports de réseaux parallèles, tout en évitant les variations de polarisation susceptibles de résulter de la propagation dans la fibre.

Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de mesure comporte une source laser stabilisée en longueur d'onde, ce qui permet d'éviter des sauts de mode qui seraient susceptibles de produire des erreurs de mesure; la source est de préférence en outre stabilisée en puissance pour permettre d'obtenir un faisceau lumineux incident dont l'intensité varie peu avec le temps.

Selon un autre aspect de l'invention, les deux réseaux parallèles du dispositif et/ou les éléments les recevant sont réalisés dans ou sur un matériau présentant un coefficient de dilatation linéique inférieur ou égal à 10-6 K-1, de préférence inférieur ou égal à 10-8 K-1, ce qui permet de produire une mesure de déplacement sensiblement insensible à une variation de la température ambiante. Selon des modes préférés de réalisation on utilise un substrat transparent en Zerodur pour un réseau fonctionnant en transmission, et on utilise un substrat métallique réfléchissant en Invar pour un réseau fonctionnant en réflexion.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de mesure d'un déplacement d'un objet mobile par rapport à un support par mesure d'interférences entre des ordres diffractés par deux réseaux plans parallèles; le dispositif comporte des moyens de guidage relatif selon un axe de guidage, tels qu'une glissière ou un palier, pour guider le mouvement relatif des deux éléments supportant les réseaux parallèles, afin de permettre une mesure précise du déplacement relatif selon cet axe de guidage; ces moyens de guidage sont de préférence mécaniques mais peuvent également être pneumatiques ou magnétiques; pour un capteur de mesure en translation, l'axe de guidage est de préférence sensiblement orthogonal à l'orientation commune des lignes ou sillons des deux réseaux et situé dans un plan parallèle à ces réseaux; en outre, ces moyens de guidage peuvent agir selon une direction distincte de la direction de mesure; en particulier, ces moyens peuvent être prévus pour guider mutuellement les deux réseaux (et/ou les substrats les supportant) dans un mouvement de rotation selon un axe perpendiculaire aux plans des réseaux, pour faciliter l'ajustement du parallélisme des motifs du premier réseau avec ceux du second réseau.

Selon un mode préféré de réalisation, l'incidence du faisceau dirigé vers les réseaux parallèles est normale aux plans de ces réseaux et le rapport de la période spatiale du réseau diffractant le premier le faisceau de mesure à celle du réseau diffractant en second, est égal à 2; selon un autre mode préféré de réalisation, cette incidence s'effectue selon un angle de Littrow ou de Bragg, à plus ou moins dix degrés prés; dans ce cas, le rapport de la période spatiale du réseau diffractant le premier le faisceau de mesure à celle du réseau diffractant en second, est égal à 1.

Pour pouvoir détecter le sens de déplacement de l'objet et du réseau mobiles, chaque ligne ou sillon d'un des deux réseaux peut présenter deux portions décalées d'une fraction de période spatiale, de préférence d'environ un quart de période spatiale, selon un axe de décalage contenu dans le plan du réseau et orthogonal à l'axe longitudinal d'alignement des motifs; de préférence, ces deux portions sont réalisées simultanément (par holographie notamment) et se rejoignent, de sorte que leurs périodes sont égales.

Selon un autre aspect de l'invention, l'un au moins des éléments fixe et mobile (et de préférence chacun de ces éléments) comporte plusieurs réseaux de diffraction de période spatiale identique, qui s'étendent sensiblement le long d'un axe de mesure commun, deux réseaux consécutifs étant décalés et/ou disposés de part et d'autre de cet axe de mesure, ces deux réseaux consécutifs se chevauchant par ailleurs par une de leur région d'extrémité respective.

Cette configuration particulière permet d'augmenter la plage de mesure du dispositif selon l'axe de mesure, pour un coût réduit.

De préférence, dans cette configuration, le dispositif comporte deux capteurs sensibles aux interférences des ordres diffractés respectivement par deux réseaux consécutifs décalés, et des moyens pour caler les signaux correspondant aux différents réseaux.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mesure de distance dans lequel on utilise un dispositif de mesure selon la présente invention, et dans lequel on dirige vers les réseaux parallèles un faisceau de longueur d'onde inférieure à 800 nanométres, en particulier un faisceau de longueur d'onde inférieure ou égale à 600 ou 400 nanométres, par exemple située dans une plage allant de 100 nm à 400 nm.

L'invention permet de réaliser des capteurs de déplacement présentant une résolution inférieure â 10 nanométres, en particulier une résolution voisine de 1 â 5 nanomètres.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent 5 dans la description détaillée suivante, qui se réfère aux dessins annexés et illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention.

La figure 1 illustre schématiquement, en vue en coupe dans un plan transversal perpendiculaire aux deux réseaux parallèles, une partie d'un dispositif selon l'invention dans lequel un élément support de réseau fixe est transparent et utilisé en transmission, tandis que l'élément support de réseau mobile correspondant est réflecteur et utilisé pour réfléchir des ordres privilégiés.

La figure 2 illustre schématiquement, de façon similaire â la figure 1, 15 une variante préférée de réalisation de l'invention dans laquelle on utilise les ordres diffractés contra-propagatifs au faisceau incident.

La figure 3 est une vue en perspective schématique illustrant un mode d'éclairage incliné pour obtenir une diffraction conique, qui est particulièrement destiné â être utilisé avec le mode de réalisation correspondant â la figure 2, afin de séparer les faisceaux d'entrée et de sortie du dispositif de mesure â réseaux parallèles.

La figure 4 illustre schématiquement en vue en plan, un élément supportant trois réseaux identiques colinéaires décalés se chevauchant.

La figure 5 illustre schématiquement, en vue en plan, un réseau 25 présentant deux parties décalées selon une portion de sa période spatiale.

La figure 6 illustre schématiquement, en vue en perspective, un réseau â deux dimensions â motifs pyramidaux.

Par référence aux figures 1 â 6, le dispositif 100 de mesure est destiné â mesurer le déplacement d'un objet selon au moins une direction 30 et/ou au moins un axe de mesure 101, 102.

A cet effet le dispositif 100 comporte un élément fixe 2 portant un réseau fixe 2R, ainsi qu'un élément mobile 3 portant un réseau mobile 3R; les deux réseaux 2R et 3R sont parallèles, plans, et constitués de rainures 2872899 8 (ou sillons) rectilignes parallèles formé(e)s sur une des faces de chaque élément, régulièrement espacé(e)s selon une période spatiale qui est commune aux deux réseaux dans le cas d'une incidence selon un angle de Littrow, comme décrit dans le brevet français sus mentionné.

Le substrat mobile 3 est solidaire de l'objet dont le déplacement est à mesurer.

Le dispositif 100 de mesure comporte en outre des moyens pour produire et diriger un faisceau incident monochromatique vers les éléments 2,3 et les réseaux 2R, 3R qu'ils supportent, selon une incidence normale ou une incidence de Littrow; ces moyens comportent une source laser stabilisée en longueur d'onde et en puissance, un collimateur 12 auquel sont le cas échéant associés des moyens 14 (figure 1) de polarisation du faisceau incident, ainsi qu'un tronçon de fibre optique 10 à maintien de polarisation qui relie la source laser au collimateur; celui-ci délivre en sortie un faisceau parallèle se propageant selon l'incidence voulue en direction des substrats 2, 3, et des réseaux 2R, 3R; les ordres diffractés par ces réseaux et transmis et/ou réfléchis sont détectés par le détecteur 13 sus mentionné.

La source (non représentée), la fibre 10, le collimateur 12, le polariseur 14, le capteur 13 sont fixes et disposés du coté opposé au réseau mobile 3R, par référence au réseau 2R; des écrans absorbeurs 200 peuvent être disposés entre les deux réseaux.

Par référence aux figures 2 à 5, la mesure du déplacement relatif selon l'axe 101 des éléments 2 et 3 est obtenue par mesure de l'intensité du champ lumineux résultant des ordres diffractés privilégiés; en tenant compte du fait que, pour que cette intensité passe d'une valeur maximale à la valeur maximale consécutive, il suffit, dans les deux premiers modes préférés de réalisation, que le second réseau soit déplacé d'une demipériode, il est possible, après étalonnage du dispositif et en utilisant une technique d'interpolation, de déterminer l'amplitude d'un déplacement ayant provoqué une variation d'intensité lumineuse détectée par le capteur 13. Dans tous les autres modes préférés de réalisation distincts des deux premiers, il faut déplacer le réseau 3R d'une période pour passer d'une valeur maximale à la valeur maximale consécutive du signal détecté.

Par référence â la figure 1, la configuration des réseaux 2R et 3R est choisie pour favoriser la production d'un ordre (0, -1, +1) résultant d'une première transmission sans déviation par le réseau 2R, d'une première réflexion de l'ordre (-1) diffracté par le réseau 3R, suivies d'une seconde transmission de l'ordre (+1) diffracté par le réseau 2R; elle est également choisie pour favoriser la production d'un ordre (-1, + 1, 0) résultant d'une première transmission de l'ordre (-1) diffracté par le réseau 2R, d'une première réflexion de l'ordre (+1) diffracté par le réseau 3R, suivies d'une seconde transmission sans déviation par le réseau 2R.

La séparation des ordres transmis par le réseau 2R est assurée en maintenant un écartement E entre les deux réseaux qui vérifie, avec la largeur L du faisceau incident selon l'axe 101 et l'angle I d'incidence du faisceau sur l'élément 2, la relation suivante: E > L/2 tangente (I).

Par ailleurs, la séparation entre les ordres diffractés utiles (-1, +1, 0) et (0, -1, +1) et l'ordre (0) spéculairement réfléchi sur le premier réseau 2R est obtenue en inclinant le faisceau incident d'un angle G dans le plan passant par la direction des motifs du réseau 2R et la direction d'incidence initiale (de façon similaire â celle illustrée figure 3), qui vérifie avec la largeur LL en du faisceau incident selon l'axe Oz, la relation suivante: tangente (G) > LL/ (2E) L'utilisation d'ordres diffractés réfléchis par le réseau 3R de l'élément 3 permet de disposer le capteur 13 de mesure d'intensité lumineuse des ordres diffractés interférents du côté du faisceau incident; ceci facilite donc la réalisation d'un ensemble dans lequel le capteur 13, l'élément 2 fixe supportant le réseau 2R, ainsi que les moyens 10, 12, 14, de guidage du faisceau incident sont mutuellement mécaniquement solidaires, et dans lequel l'élément 3 supportant le réseau 3R est monté mobile en translation selon l'axe 101 par rapport â l'élément 2 auquel il fait face.

Par ailleurs, l'utilisation d'ordres diffractés réfléchis permet de diviser par deux la période du signal détecté par le capteur 13; cela permet donc de doubler la précision de mesure du déplacement relatif des éléments 2, 3 selon l'axe 101.

Par référence à la figure 2, la configuration des réseaux 2R et 3R est choisie pour favoriser la production d'un ordre (0, -1, 0) résultant d'une première transmission sans déviation par le réseau 2R, d'une première réflexion de l'ordre (-1) diffracté par le réseau 3R, suivies d'une seconde transmission sans déviation par le réseau 2R; elle est également choisie pour favoriser la production d'un ordre (-1, +1, -1) résultant d'une première transmission de l'ordre (-1) diffracté par le réseau 2R, d'une première réflexion de l'ordre (+1) diffracté par le réseau 3R, suivies d'une seconde transmission de l'ordre (-1) diffracté et transmis par le réseau 2R.

Les ordres (-1, +1, -1) et (0, -1, 0) se propagent en sens inverse du faisceau incident et retournent donc vers la source; pour utiliser leurs interférences, on peut les dévier par un dispositif adéquat tel qu'une lame semi réfléchissante (s'étendant selon la direction LR représentée en traits interrompus figure 2) ou bien en inclinant le faisceau incident d'un angle G dans un plan contenant la direction des sillons et la direction d'incidence initiale (cf. figure 3) ; on produit ainsi une configuration dite de diffraction conique.

Dans cette configuration, la direction commune des ordres (-1, +1, - 1) et (0, -1, 0) est séparée d'un angle double de l'angle G de la direction 20 incidente, et se situe dans ledit plan contenant la direction des sillons du réseau et la direction d'incidence.

La position de diffraction conique permet en outre de séparer les faisceaux (-1, +1, -1) et (0, -1, 0) du faisceau d'ordre -1 réfléchi sur le premier réseau, pourvu que la relation suivante soit satisfaite: tangente (G) > LL / 2E dans laquelle E est la distance séparant les deux réseaux et LL le diamètre horizontal du faisceau mesuré selon un axe Oz.

Dans la configuration de la figure 1, lorsque les réseaux 2R et 3R présentent des profils symétriques par rapport à la normale au réseau, les ordres (-1, +1, 0) et (0, -1, +1) ont alors des intensités égales et donnent un contraste maximum (100% de visibilité), quelles que soient les formes des profils symétriques des motifs des réseaux 2R et 3R.

Le même résultat peut être obtenu lorsque, le réseau 2R ayant un profil symétrique, le réseau 3R a des motifs ou sillons de profil triangulaire dissymétrique avec un angle au sommet de 90 degrés, un des angles de base du triangle étant égal à I, et le réseau étant éclairé avec une onde polarisée ayant un vecteur champ magnétique parallèle à la direction des sillons (polarisation TM).

Dans la configuration de la figure 2, le réseau supérieur 2R présente un profil optimisé pour transmettre les ordres (0) et (-1) avec une égale efficacité. Lorsque le réseau mobile présente un profil symétrique par 10 rapport à la normale au réseau, les ordres (-1, 1, -1) et (0, -1, 0) ont des intensités égales et donnent un contraste maximum (100% de visibilité) .

Le même résultat est obtenu lorsque le réseau 3R a des motifs ou sillons de profil triangulaire dissymétrique avec un angle au sommet de 90 degrés, un des angles de base du triangle étant égal à I, le réseau étant 15 éclairé avec une onde polarisée ayant un vecteur champ magnétique parallèle à la direction des sillons.

Dans les configurations des figures 1 et 2, les absorbeurs 200 de lumière peuvent être supprimés, soit pour utiliser un des modes préférés de réalisation autre que les deux premiers, soit lorsque le profil du réseau 3R est optimisé de façon à obtenir une efficacité sensiblement nulle pour l'ordre (0) réfléchi. Ceci peut par exemple s'obtenir en prévoyant i) : des motifs de profil sinusoïdal, dont la profondeur PRO et la période PER sont telles que leur rapport PRO/PER est voisin de 0,36, et en éclairant le réseau avec une onde polarisée ayant un vecteur champ électrique parallèle à la direction des sillons, ou bien, ii) : des motifs ou sillons de profil triangulaire dissymétrique avec un angle au sommet de 90 degrés, un des angles de base du triangle étant égal à I, le réseau étant éclairé avec une onde polarisée ayant un vecteur champ magnétique parallèle à la direction des sillons.

Par référence à la figure 4, l'élément 3 comporte trois réseaux 3R1, 3R2 et 3R3 identiques dont les sillons sont parallèles et sont orthogonaux à la direction de mesure 101 le long de laquelle s'étendent les réseaux; on voit que les réseaux sont disposés alternativement d'un premier coté et d'un second coté de l'axe 101, et que deux réseaux consécutifs (3R1, 3R2) et (3R2, 3R3) se chevauchent selon une zone Z1, Z2 de chevauchement respective. Une telle configuration permet de disposer d'une plage de mesure selon l'axe 101 qui est voisine du - et peu inférieure au - triple de la plage de mesure d'un des réseaux.

Par référence à la figure 5, chaque motif du réseau 2R présente deux parties 2R1, 2R2 décalées d'une portion PP de la période spatiale PER, de préférence d'environ un huitième de période spatiale dans les deux premiers modes préférés de réalisation et d'un quart de période spatiale dans tous les autres modes préférés de réalisation, selon un axe 300 de décalage contenu dans le plan du réseau et orthogonal à l'axe 400 longitudinal d'alignement des motifs; les génératrices des motifs ou sillons ont une forme de ligne brisée en marche d'escalier dont la hauteur correspond au décalage PP; les champs d'interférence produits par chaque partie 2R1, 2R2 sont respectivement analysés par deux capteurs distincts.

Par référence à la figure 6, le réseau 2R à deux dimensions présente une pluralité de motifs M pyramidaux identiques, à base rectangulaire et à facettes triangulaires, qui sont régulièrement disposés selon une période PER2 en lignes L1, L2 parallèles à un axe Ox du plan du réseau; ces motifs sont en outre régulièrement disposés selon une seconde période PER1 en colonnes Cl, C2 parallèles à un axe Oz du plan du réseau, qui est orthogonal à l'axe Ox; le réseau permet d'effectuer des mesures selon les axes 101 et 102.

L'invention permet de réaliser des dispositifs de mesure de 25 translation et/ou de rotation.

2872899 13

Claims (22)

REVENDICATIONS

1. Dispositif (100) de mesure d'un déplacement d'un objet par rapport à un support, qui comporte deux réseaux (2R, 3R) s'étendant selon deux plans sensiblement parallèles, dont les motifs sont sensiblement parallèles, les réseaux étant respectivement solidaires de deux éléments ou substrats (2,3), l'un des éléments ou substrats étant relié ou intégré audit objet, l'autre élément ou substrat étant relié ou intégré audit support, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur (13) permettant de mesurer la variation dans le temps d'une intensité d'un champ électromagnétique résultant de la superposition d'ordres diffractés en partie au moins transmis et/ou réfléchis par les réseaux.

2. Dispositif selon la revendication 1, qui comporte en outre une source de rayonnement électromagnétique monochromatique, un dispositif de collimation (12) et des moyens de polarisation du faisceau incident.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, qui comporte une source laser stabilisée en longueur d'onde et en puissance.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, qui comporte une fibre optique (10) à maintien de polarisation pour guider le faisceau incident entre une source lumineuse et un dispositif de collimation (12).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le capteur ainsi que des dispositifs de délivrance et/ou de collimation (12) du faisceau incident sont disposés d'un même coté des deux éléments ou substrats supports de réseaux.

6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le capteur et les dispositifs de délivrance et/ou de collimation sont disposés du coté opposé à celui où s'étend le réseau mobile supporté par l'élément mobile relié à l'objet mobile, par référence au deuxième réseau principal qui est fixe.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément (3) supportant le réseau (3R) mobile est réfléchissant pour la longueur d'onde considérée tandis que l'élément (2) supportant le réseau (2R) fixe est transparent pour cette longueur d'onde.

R. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, qui favorise l'interférence des faisceaux d'ordre (-1, +1, 0) avec des faisceaux d'ordre (0, -1, +1).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, qui favorise l'interférence des faisceaux d'ordre (-1, +1, -1) avec des faisceaux d'ordre (0, -1, 0).

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, qui favorise l'interférence des faisceaux d'ordre (-1,+1,0) et (-1,0,+1), (-1, +1,0) et (0,0,0), (-1,0,+1) et (0,-1,+1), (-1,0,+1) et (0,0,0), (0,- 1,+1) et (0,0,0), (-1,+1,-l) et (-1,0,0), (-1,+1,-1) et (0,0,-1), (- 1,0,0) et (0,-1,0), (-1,0,0) et (0,0,-1), ou (0,-1,0) et (0,0,-1).

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, qui favorise l'interférence du faisceau réfléchi dans l'ordre zéro par le premier réseau (2R) avec l'un quelconque des faisceaux d'ordre (- 1,+1,0), (-1,0,+1), (0,0,0) e+ ou (0,-1,+1).

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, qui favorise l'interférence du faisceau diffracté dans l'ordre -1 par le premier réseau (2R) avec l'un quelconque des faisceaux d'ordre (-1,+1,-1), (-1,0,0), (0,0,-1) et (0,-1,0).

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l'un au moins des éléments ou substrats comporte plusieurs réseaux (3R1, 3R2, 3R3) de périodes spatiales identiques qui s'étendent sensiblement le long d'un axe de mesure (101) commun.

14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel deux réseaux consécutifs sont décalés et/ou disposés de part et d'autre de l'axe de mesure.

15. Dispositif selon l'une des revendications 13 ou 14, dans lequel deux réseaux consécutifs se chevauchent par une de leur région (Z1, Z2) 30 d'extrémité respective.

16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans lequel le faisceau incident produit une configuration de diffraction conique.

17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel l'incidence du faisceau dirigé vers les réseaux parallèles est normale aux plans de ces réseaux ou bien s'effectue selon un angle de Littrow ou de Bragg, à plus ou moins dix degrés près, ce qui entraîne la suppression de l'ordre (+1) transmis indésirable dans cette configuration.

18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel les éléments ou substrats sont réalisés dans un matériau présentant un coefficient de dilatation linéique inférieur ou égal à 10-6 K-1, de préférence inférieur ou égal à 10-8 K-1.

19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, qui comporte en outre des moyens de guidage mutuel des deux éléments ou substrats, selon l'axe (101) de mesure.

20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, qui comporte en outre des moyens de guidage mutuel des deux éléments ou 15 substrats, selon un axe perpendiculaire au plan des réseaux.

21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel les réseaux sont à deux dimensions.

22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, dans lequel chaque motif d'un des deux réseaux présente deux parties décalées d'une fraction de période spatiale, de préférence d'environ un huitième de période spatiale dans les deux premiers modes préférés de réalisation, et d'un quart de période spatiale dans tous les autres modes préférés de réalisation, selon un axe de décalage contenu dans le plan du réseau et orthogonal à l'axe longitudinal d'alignement des motifs, les champs d'interférence produits par chaque partie étant analysés par un capteur distinct.

23. Procédé de mesure de distance dans lequel on utilise un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, et dans lequel on dirige vers les réseaux (2R, 3R) un faisceau de longueur d'onde inférieure ou égale à 800 nanomètres, en particulier un faisceau de longueur d'onde inférieure ou égale à 400 nanomètres.