Brevet FR2000700A1 — publié le 19690912

i 2000700 la présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la mesure interférométrique simultanée de plusieurs longueurs, à l'aide de faisceaux de lumière monochromatiques qui, dans des dispositifs diviseurs, subissent une ré-5 partition d'intensité en faisceaux de mesure et de référence, alors que les faisceaux de mesure et de référence qui reviennent sont regroupés, dans les mêmes dispositifs diviseurs, pour former des faisceaux de lumière modulés en intensité." Dans le domaine de la mesure de longueurs-de préci-10 sion, depuis la découverte du principe du laser, les méthodes de mesure interférométriques ont trouvé .de nombreux nouveaux domaines d'application. L'un de ces domaines d'application est par exemple l'étalonnage et la vérification des dispositifs de mesure des déplacements sur les machines-outils* On 15 trouve là entre autres, le problème consistant à mesurer, simultanément et avec une grande précision, des longueurs qui correspondent, par exemple, à deux ou à plusieurs dimensions d'un système de commande des coordonnées. Pour résoudre ce problème, on peut en fait utiliser un interféromètre laser sé-20 paré pour chacune des mesures de longueurs. Compte tenu du prix d'un interféromètre laser, cette solution est relativement chère. L'objet de la présente invention est de fournir un procédé, ainsi qu'un dispositif pour la mesure interférométri-25 que simultanée de plusieurs longueurs, qui avec une précision égale entraîne la mise en oeuvre de moyens sensiblement moins importants que pour l'utilisation d'un interféromètre laser séparé pour chacune des mesures de longueur» 3îe procédé selon la présente invention est caractéri-30 sé en ce que dans un premier"dispositif diviseur on n'élabore qu'un seul faisceau de mesure ou de référence, que dans au moins un autre dispositif diviseur le faisceau sortant est fractionné en au moins deux faisceaux de mesure partiels dont toujours l'un au moins parcourt une distance de mesure, selon un 35 circuit bouclé, dont les sections concordent chacune avec une section partielle du faisceau de mesure, et en ce que les faisceaux partiels de mesure qui reviennent se trouvent dans le même dispositif diviseur oîi les faisceaux avaient été fractionnés au départ, regroupés en un faisceau de mesure de retour, 40 lequel, avec le faisceau de référence de retour forme un 6901069 2 2000700 faisceau lumineux composé de plusieurs sections partielles dont les modulations en intensité sont, diff érenteg» enfin, en ce que • l'on détermine les intensités correspondant:différentes sections partielles. .. . • ■ ; ; • 5 L'invention sera ..expliqué plus en détail à l'aide d'exemples représentés sur les figures jointes : la figure 1 représente•un dispositif pour la mesure de deux coordonnées x, y. . La figure 2 représente une vue en. coupe selon la ligne 10 I-I dans la figure 1. Le dispositif se compose d'un'élément fixe 1, ainsi que de deux éléments 2 et 3 mobile dans le sens des x. De ces deux éléments mobiles 2 et 3, l'élément 3 peut encore se déplacer dans le sens des y, par rapport à l'élément 2. L'élément 15 fixe 1 comprend, montés sur une plaque de base 4, un dé diviseur 5 accolé à un prisme triple 6, et un élément photodétecteur 7. Dans le deuxième élément 2, sur une plaque de base 8, dans le sens des x, sont disposés successivement un pentaprisme 9 et un prisme triple 10. Sur deux quadrants pon adjacents de son pre-20 mier plan de réflexion 11, ce pentaprisme 9 est muni de deux prismes rapportés 12, 13. Le troisième élément 3 se compose essentiellement d'un triple prisme 14 monté sur une plaque de base 15* Pour la description ci-dessous du fonctionnement du. 25 dispositif, les faisceaux lumineux ont été représentés sur la figure: par leurs axes ou par leurs trajectoires, sous forme de lignes numérotées et pourvues de flèches de direction. ttn laser à gaz, non représenté sur la figure 1 et qui peut être monté sur la plaque de base 4 de l'élément fixe 1# 50 fournit un faisceau de lumière cohérente monoehromatique, de section circulaire et ayant un très petit angle d'ouverture,qui suivant la ligne 16 comme axe pénètre dans le dé diviseur 5, et subit dans son plan diviseur 17 un fractionnement en intensité pour former un faisceau de mesure, sortant 18 et un faisceau de 55 référence sortant 19. Le faisceau dé mesure 18 parcourt la section de mesure de la coordonnée x,. pénètre dans le pentaprisme '9 de .l'élément 2 oîi il est partagé, sur le. premier plan de réflexion 11 en deux faisceaux de mesure partiels. Une partie du faisceau de mesure .4° 18 sort du pentapri&me 9 pratiquement inchangée, a-travers la y?01069 3 2000700 surface occupée par le prisme rapporté 13 et forme le premier faisceau de mesure partiel 20. Ce premier faisceau, de mesure partiel 20 arrive sur le prisme triple 10 ; sa direction s'inverse et, en tant que premier faisceau partiel de mesure de re-5 tour 21, il revient au pentaprisme 9 à travers le prisme rapporté 12. l'autre moitié du faisceau de mesure 18 qui, dans la section du diviseur qui lui correspond, ne trouve pas de prisme rapporté dans le premier plan de réflexion 11, est réfléchie par ce plan et, après une autre réflexion sur le pian 22, il 10 sort du pentaprisme 9 avec une section semi circulaire 23,formant ainsi le deuxième faisceau de mesure partiel 24« Ce deuxième faisceau de mesure partiel sortant 24 parcourt la section de mesure de la coordonnée y subit une inversion de direction dans le triple prisme 14 de l'élément 3, et revient au penta-15 prisme 9 en "cant que deuxième faisceau de mesure rentrant 25. .après réflexion sur les plans 22 et 11, ce deuxième faisceau de mesure partiel rentrant 25, sur le plan 11, se re- j . > . ••.. ' o - V v—ci i—C ^--1* _«_)_! 'J -L'cî^J J) "'J0 20 12, pour former un faisceau de mesure rentrant 26, comportant par conséquent deux moitiés, ce faisceau 26, constitué par les deux faisceaux de mesure partiels rentrants 21, 25, parcourt en sens inverse la section de mesure de la coordonnée x pour revenir à l'élément 1 où, dans le plan diviseur 17 du dé diviseur 5» 25 il se regroupe avec le faisceau de référence 27 revenant du triple prisme 6, pour former un faisceau lumineux 28 dont la section comporte deux moitiés avec des modulations en intensité Jifférectes et qui éclaire le groupe pioto-détecteur 7 à travers âcu:; ienë vres d'entrée 29 -91 correspondant aux deux moitiés 30 âe sa section, les demi-fais'ceaux r-oiulés, captés par ^es fen8- + *"^Cî ri I C Y* *r-*2 Q p-f ^ o 'jonc: lp —*r»inr — V — G, 0"* -.ecteur 7, chacun à un dispositif photo-détecteur. Ainsi qu'on peut facilement le comprendre, le demi-faisceau du faisceau lumineux 28 reçu par la fenêtre d'entrée 35 29 correspond à la variation de la coordonnée x, et l'autre demi—faisceau reçu par la fenêtre 29' correspond à la variation de la somme des coordonnées (x + y). Ces demi-faisceaux sont modulés en intensité de telle sorte que les dispositifs photodétecteurs correspondants constatent, pour chaque variation de 4Q longueur égale à la demi-longueur d'ondes de la lumière laser, 7 BAD ORIGINAL 6901069 + 2000700 une variation d'intensité suivant une loi sinusoïdale et correspondant à une période complète» Pour déterminer le sens de la variation de longueur, de même d'ailleurs qu'on le fait en principe dans tous les dispositifs pour la mesure interféromé-5 trique des longueurs, outre la valeur de l'intensité on discrimine aussi la phase de la modulation. Dans ce but, et pour l'exemple considéré, dans le cheminement du faisceau de référence 19» 27, par exemple donc à la jonction entre le dé diviseur 5 et le prisme triple 6, on dépose par évaporation sous vide une couche 10 en forme de coin dont la hauteur maximale n'est que de quelques longueurs d'onde de la lumière laser, et qui provoque un cisaillement des fronts d'onde du faisceau de référence 19»20 et par conséquent du faisceau de lumière modulé 28. Chacun des dispositifs photo-détecteurs incorporés dans le groupe photo-détec-15 teur 7 se compose d'une paire de photo-détecteursy dont les fentes d'entrée se trouvent dans un même plan éclairé par le demi-faisceau correspondant. Ces fentes d'entrée sont disposées parallèlement aux lignes d'intensité maximale, et'dans le sens perpendiculaire i leur lungueur ; elles sont décalées l'une par 20 rapport à l'autre d'un quart de la distance qui sépare deux lignes d'intensité maximale voisines. Selon la phase respective des signaux fournis par les deux photo-détecteurs, on détermine,dan8 un discriminateur de phase, le signe de la variation de longueur et, selon ce signe, on commande le sens de comptage d'un comp-25 teur bidirectionnel correspondant, qui enregistre, compte tenu du signe, les impulsions de signaux fournies par l'un des photo-détecteurs et qui correspondent aux maxima d'intensité. Dans le dispositif qui vient d'être décrit, les variations du contenu de l'un des compteurs sont donc proportionnel-50 les aux variations de la coordonnée x, et celles de l'autre compteurs sont proportionnelles aux variations de la somme des coordonnées (x + y). à lraide des figures 3 et 4, on décrira maintenant une deuxième variante du dispositif, permettant une mesure simulta-35 née de trois coordonnées. Par rapport au dispositif pour la mesure de deux coordonnées selon les figures 1 et 2, cette variante diffère essentiellement uniquement en ce qu'au lieu de l'élément 3 (figure l), on a disposé deux éléments 2' et 3', mobiles dans le sens des y 40 par rapport à l'élément 2, dont l'élément 3l est à son tour mobile BAD ORIGINAL 6901069' s 2000700 dans le sens ders z, par rapport à l'élément 2*. Ii1 élément 2, qui est représenté sur les figures 3 et 4 ep élévation .et en plan respectivement, o.ompor te, montés sur une plaque de base 30, un pentaprisme 31 c-t un prisme triple 32-disposés l'un derrière 5 l'autre dans le sens des y. .-- - Dans un domaine central de son premier plan de réfle-■ icion 33, le pentaprisme 31 est.pourvu d'un prisme rapporté 34. L'élément 31> mobile dans le sens des z par rapport à l'élément 2', et'qui se compose- essentiellement d'un prisme triple convexe ' nablement monté analogue à l'élément 3> n',a pas été représenté sur les figures. Cette deuxième variante du dispositif fonctionné de la manière suivante :• Le fractionnement du fais.ceau de mesure sortant en un 25 premier et en un deuxième faisceau de mesure partiel sortant s'effectue de la-même manière que dans la première variante, le faisceau de mesure partiel,•sortant du pentaprisme de l'élément 2 dans le sens des y,, parcourt la section de mesure.de la coordonnée y et arrive maintenant, en tant que faisceau de mesure 20 partiel repéré 35 sur les figures 3 et 4, au pentaprisme 31 dans l'élément 2*, oùi il est fractionné pour former un troisième et un quatrième faisceau de mesure partiel. Ce fractionnement s'effectue de la même manière que dans le pentaprisme de l'élément 2, de sorte que celle des deux moitiés de la section du fais-25 ceau de mesure ..partiel-incident 35 qui est recouverte par le prisme rapporté 34, sort, pratiquement sans modification du pentaprisme 31 et forme le troisième faisceau,de mesure partiel 36, tandis que l'autre moitié est réfléchie sur le premier plan de , réflexion 33 et sort du pentaprisme 31 après une autre .réfle-.30 xion sur le plan 37, dans le.sens des z, formant le quatrième faisceau de mesure partiel 38. Ce quatrième faisceau partiel de mesure sortant 38 parcourt la section de mesure de la coordonnée z, subit une inversion de sens.dans le triple prisme de l'élément 3', et revient en tant que troisième faisceau partiel 35 rentrant 39 au pentaprisme 31 et, après reflexion sur le plan 37 au premier plan de réflexion 33» Le troisième faisceau partiel sortant 36 est réfléchi dans le prisme triple 32, et il devient le quatrième faisceau partiel rentrant 40.qui, dans le premier plan de réflexion 33 du pentaprisme 31 se regroupe avec le 40 troisième faisceau partiel rentrant 39 réfléchi sur ce plan 33, 6901069 6 200070$ pour former le. deuxième faisceau, partiel rentrant 41* Ce deuxième faisceau partiel rentrant 41' parcourt lâ section de mesure de la coordonnée y jusqu'au pentaprisme de l'élément 2, où il se : regroupe, comme dans la première-variante, avec le premier fais-5 ceau de mesure partiel rentrant', pour former le -faisceau dé mesure rentrant qui, à son tour, dans le dé diviseur•de 1'élément 1, se regroupe avec le faisceau de référence rentrant pour -foïmer un faisceau de lumière modulée, dont la section se compose de trois parties, chacune de ces parties ayant une "modulation d'in-10 tensité*' différente. Ce faisceau lumineux éclaire les'fenêtres d'entrée d'un groupe photo-détecteur qui, contrairement au groupe photo-détecteur 7 de la première variante, comporte 'non plus deux, mais trois fenêtres d'entrée, correspondant aux trois parties précitées de la section du faisceau lumineux, et dirigeant 15 chacune 1'éclairement, comme dans la première variante, sur un dispositif photo-détecteur composé de deux photo-déteeteurs.L'exploitation des signaux fournis par les photo-détecteurs se fait de la même manière que dans la première variante avec des compteurs bidirectionnels. 6901069 2000700 REVE. INDICATIONS 1. Procédé pour la mesure interférométrique simultanée de plusieurs longueurs à l'aide de faisceaux de lumière mo-nochromatique, qui dans des dispositifs diviseurs subissent un 5 fractionnement de leur intensité en faisceaux de référence et de mesure, alors que les faisceaux de référence et de mesure rentrants sont regroupés dans le même dispositif diviseur pour former des faisceaux lumineux modulés en intensité, caractérisé en ce que dans un premier dispositif diviseur on n'élabore qu'un 20 seul faisceau de référence et ua seul faisceau de mesure, que le faisceau de mesure sortant est fractionné, à l'aide d'au moins un autre dispositif diviseur, en au moins deux faisceaux de mesure partiels, dont chaque fois l'un au moins parcourt une section de mesure selon un circuit bouclé, les sections de ces fais-15 ceaux correspondant chacune à une partie de la section du faisceau de mesure ; et en ce que les faisceaux de mesure partiels rentrants se re0roupent, dans les mêmes dispositifs diviseurs j.ccmU61^ J.C5 iaisceaux sortants avaient cte fractionnas, p^ur icrcer la faisceau de mesure rentrant qui, dans le premier 20 dispositif diviseur, se regroupe avec le faisceau de référence rentrant, pour former un faisceau lumineux constitué de plusieurs sections partielles, chacune de celles-ci étant affectée d'une modulation d'intensité différente ; enfin en ce que l'on détermine les intensités correspondantes aux différentes sections 25 partielles. 2. Dispositif pour la réalisation du procédé selon la revendication 1, comportant une source lumineuse pour la production d'un faisceau de lumière monochromatique, un dé diviseur jouant le rôle de dispositif diviseur, ainsi qu'un prisme triple 30 pour la réflexion du faisceau.de référence, caractérisé par au moins un pentaprisme (9,31), pourvu sur une partie de son premier plan de réflexion (11,33) au moins d'un prisme rapporté (13,34) correspondant chacun à une partie de la section c.u faisceau de mesure sortant ou rentrant, pour le passage sans :Tif-35 ficultés d'un faisceau de mesure partiel sortant ou rentrant, et pour la formation d'an autre faisceau de mesure partiel sortant et rentrant, correspondant à la partie restante de la section du faisceau de mesure, avec des axes perpendiculaires aux axes du premier faisceau de mesure partiel obtenu par frac 6901069 2000700 tionnement ; ainsi que par un prisme triple (10,14,52) pour l'inversion du sens de chacun des faisceaux de mesure partiels parcourant une section de mesure et ne devant pas subir de fractionnement ultérieur, enfin par un dispositif photo-détecteur 5 pour chacune des sections partielles du faiscëau lumineux, modulées en intensité. 2. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'en plus d'un premier pentaprisme (9) fractionnant le faisceau de mesure, il est prévu au moins un autre pentaprisme (31) 10 dans lequel un faisceau de mesure partiel est obtenu par fractionnement, on obtient au moins un autre faisceau de mesure partiel.