FR2899323A1 - Dispositif de mesure interferometrique. - Google Patents

Abstract

Dispositif de mesure interférométrique (1) comportant une source de rayonnement à cohérence courte (20) et un dispositif formé d'un interféromètre à modulation (2) ayant un premier et un second chemin de rayon interférométrique de modulation (24, 25) suivi d'un interféromètre de référence (3), le faisceau étant divisé dans l'interféromètre de référence (3) en un premier faisceau (35) et un second faisceau (36), caractérisé en ce que dans au moins l'un des chemins de faisceau (35, 36) l'interféromètre de référence (3) on a un composant optique dispersif (10).

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de

mesure interférométrique comportant une source de rayonnement à cohérence courte et un dispositif formé d'un interféromètre à modulation ayant un premier et un second chemin de rayon interférométrique de modulation suivi d'un interféromètre de référence, le faisceau étant divisé dans l'interféromètre de référence en un premier faisceau et un second faisceau. Etat de la technique Les dispositifs de mesure interférométrique comprenant un interféromètre à modulation suivi d'un interféromètre de référence sont utilisés pour la télémétrie optique par exemple pour vérifier la qua-lité dans le cas de la mesure de géométrie de surface. Le document DE 198 08 273, décrit une telle installation de mesure interférométri- que pour saisir la forme et la distance en particulier de surface ru-gueuse à l'aide d'au moins une unité générant un faisceau cohérent dans l'espace et dont le faisceau est appliqué à une sonde de mesure dans une branche de mesure de référence et le faisceau de mesure de référence, réfléchi est conduit dans une branche de mesure pour être divisé au niveau du faisceau de mesure réfléchi par la surface rugueuse ainsi qu'une installation pour réguler la phase de la lumière et pour dé-caler la fréquence de la lumière (fréquence hétérodyne) d'un premier faisceau partiel par rapport à la phase de la lumière ou la fréquence de la lumière d'un second faisceau partiel à l'aide d'une unité de combinai-son pour combiner le faisceau de mesure de référence, réfléchi avec le faisceau de mesure réfléchi et une unité de décomposition ou de réception ou du faisceau pour diviser le rayonnement combiné en au moins deux faisceaux de longueur d'onde différente et convertir le rayonne-ment aux signaux électriques ; une installation d'exploitation détermine alors la forme ou la distance de la surface rugueuse ou s'appuyant sur la différence de phase des signaux électriques. Le rayonnement émis par le générateur de faisceau est à cohérence brève dans le temps et à bande large. De telles installations de mesure interférométriques for- mées tout d'abord de deux interféromètres peuvent être construites avec des types d'interféromètre différents. C'est ainsi que l'interféromètre à modulation peut être un interféromètre Mach-Zehnder alors que l'interféromètre de référence ou la sonde de mesure sera compact par exemple sous la forme d'un interféromètre de Mirau. Les installations de mesure interférométriques ont en commun de compenser de nouveau une différence de marche impliquée dans le premier interféromètre, entre deux faisceaux partiels émis par une source de rayonnement à cohérence brève dans le second interféromètre ou sonde de mesure et les faisceaux partiels sont dirigés pour former des interférences. La différence de marche impliquée par un élément de temporisation décrit dans le document DE 198 08 273 peut être obtenue également par des bras de longueur différence parcourus par les faisceaux partiels comme cela est décrit dans ce document DE 198 08 273 dans un interféromètre à modulation formé de guides de lumière. 15 Pour améliorer la précision de la mesure d'une installation interférométrique, il est connu de raccorder un interféromètre de référence à la seconde sortie de l'interféromètre à modulation. Il est réalisé optique exactement comme l'interféromètre de mesure c'est-à-dire qu'il compense la différence de marche imposée dans l'interféromètre de 20 modulation entre les deux faisceaux partiels. La réalisation constructive de l'interféromètre de référence se distingue toutefois de celle de l'interféromètre de mesure. La précision de la mesure de l'installation de mesure interférométrique peut être améliorée par comparaison des signaux de l'interféromètre de référence et ceux de l'interféromètre de mesure. La différence de marche appliquée par l'interféromètre de modulation dépend de la réalisation constructive de l'interféromètre de mesure ou de la sonde de mesure. Suivant l'alternance interféromètre de mesure/sonde de mesure, il faut ainsi adapter la différence de mar- 30 che dans l'interféromètre à modulation. Cela se fait de manière générale de façon motorisée par le déplacement des composants optiques. Dans l'interféromètre de référence, il faut également adapter de manière correspondante la différence de marche. Il est habituel de régler la différence de marche en remplaçant une unité préré- 35 glée. L'inconvénient est qu'il faut avoir les unités adaptées à l'interféromètre de mesure telles qu'utilisées. Le remplacement des uni-tés est de ce fait compliqué. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispo- sitif du type défini ci-dessus évitant les inconvénients et permettant de remplacer les sondes de mesure en réduisant l'adaptation de l'interféromètre de référence. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un dispositif de mesure interférométrique caractérisé en ce que dans au moins l'un des chemins de faisceau l'interféromètre de référence on a un composant optique dispersif. Grâce à ce composant optique dispersif, on aura pour des faisceaux des longueurs d'ondes différentes, une longueur de chemin optique différente dans le chemin du faisceau avec un composant optique dispersif. Si l'on échange une chambre de mesure par une autre dans la longueur du chemin optique modifiée, on adapte l'interféromètre à modulation alors que l'interféromètre de référence reste inchangé. L'interféromètre de référence peut servir sur une course de réglage plus grande de l'interféromètre à modulation sans avoir à échanger les composants optiques pour adapter la différence de marche des sondes de mesure dans l'interféromètre de référence. La condition d'interférence est remplie uniquement pour des longueurs d'ondes différentes du faisceau. L'utilisation du composant optique dispersif aug- mente l'intensité du signal du dispositif par rapport à celui d'un dispositif avec un filtre d'interférence. Le coefficient n de l'augmentation de l'intensité du signal fourni par le dispositif selon l'invention découle du rapport entre les plages de longueurs d'ondes utilisées du dispositif à composant optique dispersif et du filtre à interférence. La condition de cohérence est remplie si la différence de marche est inférieure à la longueur de cohérence lc,Sonde de la plage de longueurs d'ondes utilisées. Le spectre total se répartit sur la longueur 1CHF de la fonction de cohérence avec le composant optique dispersif. La plage de longueur d'onde utilisée est ainsi réduite du coefficient : (1) n = 1CHF/1C,Sonde 5 par rapport au spectre total. La longueur de cohérence de la plage de longueurs d'ondes utilisées est augmentée de la même amplitude :

(2) lC,Sonde = n * lC,Source de rayonnement = 1CHF/ lC,Sonde = lC,Source de rayonnement cette formule lc, source de rayonnement désigne la longueur de cohérence de la source de rayonnement. On a ainsi la formule suivante :

(3) 1C,Sonde = (1CHF * 1C,Source de rayonnement)0,5 10 Les formule (1) et (3) donnent la formule suivante :

(4) n = (1CHF/1C,Source de rayonnement)0,5

15 pour la plage des longueurs d'ondes utilisées. Il en résulte la formule suivante :

(5) n = (n1F) '5, dans laquelle n1F = 1C,Filtre/lC,Source de rayonnement

20 dans cette formule 1C,Filtre représente la longueur de cohérence avec le filtre à interférence. La plage des longueurs d'ondes utilisées et de l'intensité du signal sont ainsi augmentées du coefficient (n1F) '5 par rapport à l'utilisation d'un filtre à interférence si l'on utilise un composant optique 25 dispersif. Selon un mode de réalisation particulièrement économique, le composant optique dispersif est réalisé sous la forme d'un ré-seau Faser-Bragg à fluctuation de longueur d'onde. L'utilisation d'un tel réseau Faser-Bragg a en outre l'avantage de pouvoir choisir la fonction 30 de cohérence dans sa forme et dans la plage des longueurs d'ondes. Si le composant optique dispersif est un corps solide amorphe ou cristallin transparent, on peut obtenir par la longueur du composant et des caractéristiques de dispersion, de manière simple et économique, la division souhaitée par dispersion. Si le composant optique dispersif est en verre, on peut choisir la caractéristique de disper-sion dans une plage étendue de matières du commerce et qui sont disponibles avec une qualité à tolérance très stricte. Le verre est disponible comme matière avec une forte dispersion ce qui permet de donner une forme très compacte aux composants optiques dispersifs.

Un autre mode de réalisation prévoit un composant dispersif sous la forme d'un réseau ou d'un prisme. Les réseaux ou pris-mes se fabriquent selon les procédés et dispositifs connus avec une grande précision si bien que leur fabrication est économique. Si l'interféromètre de référence est réalisé comme système de mesure interférométrique pour une unité de réglage de l'interféromètre à modulation, on peut adapter la différence de marche par l'adaptation de l'interféromètre à modulation dans une plage étendue selon des sondes de mesure très différentes et l'interféromètre de référence peut s'utiliser sur toute la course de réglage car il n'est plus nécessaire de remplacer les composants optiques dans l'interféromètre de référence comme dans l'état de la technique ce qui signifierait qu'il faut recommencer la mesure de référence. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un dispositif de mesure interférométrique réalisé de composants à fibres optiques, - la figure 2 est une vue schématique d'une installation de mesure in-terférométrique, - la figure 3 montre un dispositif de mesure interférométrique avec un réseau Faser-Bragg à fluctuation de longueur d'onde. Description des modes de réalisation La figure 1 montre schématiquement un dispositif de me- sure 1, interférométrique réalisé avec des composants en fibres optiques ; le dispositif de mesure se compose d'un interféromètre à modulation 2, d'un interféromètre de référence 3 et d'un détecteur 4. L'interféromètre à modulation 2 a une source de rayonnement 20 donnant un rayonnement à cohérence brève ; ce rayonnement est couplé avec une longueur de cohérence 40 dans une première fibre optique 21.

Dans un premier coupleur à fibre 22 relié à la première fibre optique guide de lumière 21, on divise le rayonnement en un premier faisceau 24 d'interféromètre à modulation et en un second chemin de faisceau 25 par l'interféromètre à modulation. Dans le second chemin du fais- ceau 25 de l'interféromètre à modulation, le faisceau passe un premier élément de temporisation 23 de sorte qu'il n'y aura pas d'interférence au niveau du premier chemin du faisceau 24 de l'interféromètre à modulation et du second coupleur de fibre 26 relié au chemin 25 du faisceau dans le second interféromètre à modulation. Dans une seconde fibre guide de lumière ou fibre optique 27 reliée au second coupleur à fibre 26, on a ainsi une plage de cohérence du rayonnement non retardé 43, séparé d'une distance du paquet d'ondes 42 par rapport à une plage de cohérence du faisceau retardé 41. La seconde fibre optique 27 est reliée à un troisième cou- pleur à fibre 34 faisant partie de l'interféromètre de référence 3. Le faisceau est divisé dans le troisième coupleur à fibre 34 entre un premier chemin de faisceau 35 et un second chemin de faisceau 36. Dans le premier chemin de faisceau 35, le rayonnement a une première plage de cohérence 46. A une distance du paquet d'onde de la branche de tem- porisation 45 qui correspond à l'écartement du paquet d'onde 42, dans la direction du faisceau, derrière la plage de cohérence 46, on a une seconde plage de cohérence 44 du faisceau retardé. Dans le second chemin 36 du faisceau, le faisceau passe par un élément de temporisation 37 et ensuite dans le composant opti- que dispersif 10. L'élément de temporisation 37 compense au moins en partie la distance entre le paquet d'ondes 43 du faisceau retardé et celui du faisceau non retardé. Le composant optique dispersif 10 est ainsi traversé par un faisceau à longueur d'onde différente pour des longueurs de chemins optiques différentes. Le faisceau non retardé est di- visé en une première plage de cohérence pour une première longueur d'onde 49.1, une première plage de cohérence pour une seconde longueur d'onde 49.2 et une première plage de cohérence pour une troisième longueur d'onde 49.3. Cet exposé est purement schématique ; en réalité avec un rayonnement d'une certaine plage de longueur d'onde, on peut attribuer à chacune des différentes longueurs d'onde une plage de cohérence. Comme pour le rayonnement non retardé, le rayonne-ment retardé est divisé dans une seconde plage de cohérence pour une première longueur d'onde 47.1, une première plage de cohérence pour une seconde longueur d'onde 47.2 et une seconde plage de cohérence pour une troisième longueur d'onde 47.3. Le faisceau retardé et le faisceau non retardé ont la même longueur d'onde mais chaque fois une distance du paquet d'onde dans la branche retardée 48 qui correspond à la distance du paquet d'onde dans la branche non retardée 45. Le premier chemin du faisceau 35 et le second chemin du faisceau 36 sont réunis à un quatrième coupleur de fibres 38 qui transmet le faisceau à un troisième guide optique 39 pour le diriger vers un détecteur 4. Dans les fibres à guide de lumière 39, les chemins par- tiels du premier chemin de faisceau 35 et du second chemin de faisceau 38 interfère dans la mesure où les faisceaux répondent à la condition de cohérence 50 qui signifie schématiquement que les faisceaux partiels ont parcouru les mêmes longueurs de chemins optiques à partir de rayonnement 20. Le rayonnement retardé provenant du premier chemin de faisceau 35, et qui correspond à la seconde plage de cohérence 44, ne peut dans les conditions indiquées à la figure 1, interférer avec le rayonnement retardé qui correspond pour la première plage de cohérence et la seconde longueur d'onde 49.2 au troisième chemin de faisceau 36. Cette interférence est trouvée dans le détecteur 4.

Si on règle la distance du paquet d'onde 42 avec l'élément de temporisation 23 sur une autre valeur, on peut néanmoins remplir dans le cas présenté, la condition de cohérence 50 pour une autre longueur d'onde car la cohérence se produit dans toute la plage des longueurs d'onde comprenant les premières plages de cohérence 49.1, 49.2, 49.3. On suppose que les premières plages de cohérence 4.1, 4.2, 4.3 représentent la plage des longueurs d'onde émises par la source de rayonnement 20. La figure 2 montre un autre mode de réalisation d'une installation de mesure interférométrique 1 comprenant l'interféromètre à modulation 2 et l'interféromètre de référence 3. Une première partie du faisceau 30 de l'interféromètre à modulation 2 est renvoyée par un réflecteur semi-transparent 31 à un premier réflecteur 32. Le premier réflecteur 33 conduit le faisceau à travers le réflecteur partiellement transparent 31 pour l'appliquer au détecteur 4. Une autre partie du faisceau 30 est appliquée par le composant optique dispersif 10 à un second réflecteur 33 qui le renvoie à travers le composant optique dispersif 10 et le réflecteur 31 partiellement transparent jusqu'au détecteur 4 pour interférer avec la première partie du faisceau. Dans cet exemple de réalisation, le composant optique dispersif 10 fait que le rayonnement 30 de l'interféromètre à modulation 2 remplisse la condition de cohérence dans une plage plus étendue de distance entre un rayonnement temporisé et un rayonnement non temporisé. Le composant optique dispersif 10 peut être fabriqué en verre et utiliser l'indice de réfraction différent du verre pour des longueurs d'onde différentes.

Selon un mode de réalisation avantageux, on utilise un verre dispersant à caractéristiques aussi poussées que possible de sorte que la construction du composant optique dispersif 10 peut être compacte. Le composant optique dispersif 10 peut également un prisme ayant un angle de réfraction différent pour les différentes longueurs d'onde et utili- ser pour les différentes longueurs d'onde dans le prisme. Le composant dispersif 10 peut également être constitué par une grille et le rayonne-ment dévie des longueurs d'onde différentes dans des directions différentes ce qui différencie les longueurs d'onde dans le système optique. La figure 3 montre un mode de réalisation d'une installa- tion de mesure interférométrique 1 comportant un interféromètre à modulation 2 et un interféromètre Michelson constituant une sonde de référence 5 ; dans cette sonde, le composant optique dispersif 10 est réalisé sous la forme d'un réseau Faser-Bragg 65 à fluctuation de longueur d'onde. Le rayonnement de l'interféromètre à modulation 2 est appliqué par l'intermédiaire d'une première sonde de référence-fibre op-tique 61 à un premier coupleur à fibre optique-sonde de référence 60 pour être réparti entre une fibre guide de lumière dont l'extrémité 62 est un miroir et une fibre guide de lumière de sonde de référence 64. La fibre guide de lumière à l'extrémité du miroir 62 réfléchit le faisceau pour l'appliquer par le coupleur à fibre-sonde de référence 60 et une seconde fibre guide de lumière-sonde de référence 63 vers le détecteur 4. Le faisceau entrant dans la troisième fibre guide de lumière-sonde de référence 64 est transmise au réseau Faser-Bragg 65 à fluctuation de longueur d'onde qui réfléchit le rayonnement avec des longueurs d'onde différentes suivant des chemins de longueurs différentes de sorte que le faisceau avec des longueurs d'onde différentes est renvoyé le long de la troisième fibre guide de lumière-sonde de référence 64 suivant des chemins de longueurs différentes. Le réseau Faser-Bragg 65 fonctionne ainsi comme composant optique dispersif 10. La troisième fibre guide de lumière-sonde de référence 64 fournit le faisceau par le coupleur de fibre-sonde de référence 60 et la seconde fibre guide de lumière-sonde de référence 63 vers le détecteur 4 où il interfère avec le faisceau réfléchi par l'extrémité en miroir 62 de la fibre guide de lumière. Dans cet exemple de réalisation, le réseau Faser-Bragg 65 fait que le faisceau de l'interféromètre à modulation 2 remplit la condition de cohérence dans une plage plus grande pour des écarts entre le faisceau retardé et le faisceau non retardé.20

Claims (5)

REVENDICATIONS

1 ) Dispositif de mesure interférométrique (1) comportant une source de rayonnement à cohérence courte (20) et un dispositif formé d'un interféromètre à modulation (2) ayant un premier et un second chemin de rayon interférométrique de modulation (24, 25) suivi d'un interféromètre de référence (3), le faisceau étant divisé dans l'interféromètre de référence (3) en un premier faisceau (35) et un second faisceau (36), caractérisé en ce que dans au moins l'un des chemins de faisceau (35, 36) l'interféromètre de référence (3) on a un composant optique dispersif (10).

2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant optique dispersif (10) est un réseau de Faser-Bragg (65) à fluctuation de longueur d'onde.

3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant optique dispersif (10) est un corps solide amorphe ou cristallin transparent.

4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant optique dispersif (10) est un réseau ou un prisme.

5 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interféromètre de référence (3) est réalisé comme système de mesure interférométrique pour une unité de réglage de l'interféromètre à mo- dulation (2).35