Brevet FR2008773A1 — publié le 19700123

La présente invention a pour objet un procédé de mesure de longueurs par interférométrie optique suivant lequel on dirige un faisceau etendu de lumièré monochromatique» collimatée et cohérente sur un miroir plan pour former une onde stationnaire dans la zône de recouvrement de ce faisceau incident 5 et du faisceau réfléchi par ce miroir, on met en évidence cette onde stationnaire dans un plan sensiblement parallèle à celui de ce miroir, et on détecte le passage des franges d'interférences formées dans ce plan lors de son déplacement par rapport au plan du miroir suivant un parcours linéaire dont la longueur est égale à celle à mesurer. 10 Comme on le sait, la longueur d'onde de la lumière des faisceaux dépend de l'indice de réfraction du milieu qu'ils traversent, lequel indice varie en fonction des conditions ambiantes. Ainsi étant donné que la longueur à mesurer correspond au nombre de franges comptées multiplié par cette longueur d'onde, il est évident qu'il convient de tenir compte des variations 15 de l'indice de réfraction du milieu ambiant afin d'assurer la précision des mesures. A cet effet, le procédé selon la présente invention est caractérisé par le fait que l'on dirige le dit faisceau sur le miroir avec un faible angle d'incident* déterminé ("), et que l'on fait varier cet angle en fonction de 20 tout écart par rapport à une valeur moyenne (n), de 1*indice de réfraction du milieu traversé par ces faisceaux, et cela suivant la relation : & n = Aa . t g ® n où An est l'écart de cet indice par rapport à sa valeur moyenne n, et A a est la variation de l'angle d'incidence par rapport à sa valeur 25 moyenne.a « L'incidence oblique du faisceau sur le miroir permet de faire varier l'angle d'incidence suivant la relation ci-dessus, soit manuellement soit automatiquement par un dispositif correcteur approprié, de manière à annuler l'effet des variations de l'indice de réfraction sur les mesures. 30 L'invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre du procédé. Cet appareil est caractérisé par le fait qu'il comprend un générateur à effet Laser muni d'une lunette d'expansion de faisceau, un miroir plan agencé de manière à recevoir, sous un faible angle d'incidence déterminé, le faisceau étendu produit par ce générateur et ce miroir représentant 35 une surface plane disposée en regard de ce miroir et sensiblement parallèle à ce dernier, agencée de manière à permettre la mise en évidence de ladite onde stationnaire, un dispositif d'entrainement permettant le déplacement de cet élément parallèlement à lui mis» sur ledit parcours linéaire,un dispositif de détection permettant le comptage des franges formées sur cette surface et undis-4o Positif correcteur agencé entre le générateur et élément optique de manière à 69 15866 2 2008773 f|ire varier l'angle d'incidence suivant ladite relation. La figure unique du dessin représente un schéma d'une forme d'exécution de l'appareil conforme à l'invention. L'appareil comprend un générateur 1 à effet Laser muni d'une lunet-5 te 2 d'expansion de faisceau, servant à trahsmettre un faisceau étendu Lo de lumière monochromatique, cohérente, à travers un dispositif correcteur 13, sous forme d'un prisme, et une lame 3 transparente, plan parallèle mobile obliquement à un miroir plan 4, fixe. L'appareil comprend, en outre, un dispositif de détection 5, comprenant par exemple des cellules photo-électriques, servant 10 à observer la face arrière 12 de la lame 3 à travers cette dernière. Le générateur 1, qui sera désigné par la suite par le terme "Laser", sert de source de lumière cohérente, monochromatique, collimatée, à haute intensité. On peut utiliser, en l'occurence, un Laser du type Ne-He à gaz émettant en continu un rayon L de lumière dont la longueur d'onde moyenne 15 * o a une valeur d'environ 0,633 u m, dans l'air à 20° C et 760 om Hg. Ces valeurs correspondent aux conditions moyennes prévues pour le fonctionne» ment de l'appareil. La lunette 2 servant à l'expansion du faisceau L en un faisceau étendu Lo comprend un oculaire 7, un diaphragme 8 et un objectif 9. La laa e transparente 3 est solidaire d'un chariot 10 permettant 20 de la déplacer parallèlement à elle-même et au miroir 4» suivant un parcours linéaire précis représenté sur le dessin par l'axe X, en l'occurence parallèle au rayon réfléchi L1. Cette lame 3 est constituée d'une matière transparente en l'occurence de verre, dont l'indice de réfraction diffère sensiblement de celui du milieu ambiant traversé par les faisceaux, ce milieu étant en l'oc-25 curence, l'air. La lame 3 est munie, d'une part, d'une couche mince anti-réfléchissante 12 disposée sur sa face arrière, ces couches 11, 12 étant constituées par des dépôts de matière appropriée, par exemple des dépôts minces de cryolite et d'or respectivement. La couche 11 sert à éliminer des rayons parasites réfléchis à la face avant et la couche 12 sert à augmenter la partie 30 qui est réfléchie par la face arrière, vers l'intérieur de la lame 3. Entre le faisceau incident Lo, qui est dirigé sous un angle d'incidence a vers le miroir 4# et le faisceau L' réfléchi par ce dernier, il se forme une zône de recouvrement délimitée dans le plan du dessin par le triangle ABC. Etant donné que la lumière du faisceau réfléchi présente une 35 amplitude sensiblement égale à celle du faisceau incident Lo et que ce faisceau réfléchi se propage en direction inverse du faisceau incident l'amplitude résultant de la saperposition de ces deux faisceaux décrit une onde stationnaire située dans la zône de recouvrement (ABC). La mise en évidence de l'onde stationnaire par l'intermédiaire 40 de la lame 3 s'explique de la manière suivante ï 69 15866 3 2008773 La variation brusque de llindice de réfraction et la présence de la couche 12 à la face arrière de la lame 3, produisent une réflexion partielle du faisceau Lo. Ainsi chaque rayon incident i faisant partie du faisceau Lo subit une réflexion partielle à la face arrière 12 en produisant 5 un premier rayon réfléchi r' et une deuxième réflexion à la surface du miroir 4 en produisant uif second rayon réfléchi r" dirigé vers la face 12. Il en résulte qu'un rayon réfléchi rj issu d'un rayon incident i^ et tombant sur la face arrière 12, dans la zône de recouvrement délimitée par letrianglê ABC, interfère avec un rayon infléchi r£ issu d'un autre rayon incident ig» ces 10 rayons r| et r£ traversant ensuite la lame 3. Ainsi, grâce à la haute cohérence spatiale transverse du faisceau Lo émanant du Laser 1, il se produit une interférence à tous les points de la surface d'intersection I-I de la face 12 avec la zone de recouvrement. L'intensité de la lumière provenant de cette surface I-I et projetée à travers la lame 3 varie donc en fonction de la 15 distance x entre le miroir 4 et la face 12 de cette lame et cela permet de rendre visible les noeuds et lesventres de l'onde stationnaire et, par conséquent, le comptage des franges, lorsque cette face 12 les traverse lors du déplacement de la lame 3. Le choix de l'angle d'incidence a et de la largeur du faisceau 20 incident Lo se fait de manière que l'étendue de la zone de recouvrement (ABC) dans la direction de l'axe X de déplacement de la lame 3 soit supérieure à la longueur maximale que l'on désire mesurer, ceci afin de permettre le comptage des franges. Lorsque la lame 3 est parfaitement parallèle au miroir 4, l'image 29 projetée à partir de la zone de recouvrement et captée par les dispositif de détection 5 aura une teinte plate dont l'intensité varie suivant la position de la face 12 par rapport à l'onde stationnaire. Cette teinte plate permet de iocaliser exactement Imposition de la face 12 de la lame par rapport au miroir 4 lorsqu'on soumet ce dernier à un mouvement oscillatoire dont l'amplitude est 30 de l'ordre d'une frange. Cette modulation rend le repérage des franges- insensible aux variations des caractéristiques électriques du dispositif de détection 5 ainsi qu'aux variations de l'éclairement. Bien que le plan de mise en évidence de l'onde stationnaire, en l'occurence la face 12, soit dans tous les cas sensiblement parallèle au plan 35 du miroir , une très faible inclinaison, de l'ordre de quelques secondes d'arc de l'un de ces plans par rapport à l'autre donne une image présentant des franges qui se déplacent à travers l'image lors du déplacement du plan de mise en évidence par rapport au miroir. Une telle image permet de détecter également le sens du déplacement dudit plan et cela au moyen de deux détecteurs, des 40 cellules photo-électriques par exemple, espacées d'un quart de frange. 69 15866 4 2008773 L'organe correcteur 13 permet d'effectuer la mesure de longueurs d'une manière sensiblement indépendante des variations aléatoires de l'indice de réfraction du milieu traversé par les faisceaux lumineux. A cet effet, il fait varier l'angle d'incidence 1 A X . 1 A * 15 - __ — = tg a = A a n A a ou : X = X o h-A X et a = a 0+ Aa , X o étant la longueur d'onde de la lumière provenant du Laser et a 0 l'angle d'incidence moyen, pour les Conditions ambiantes moyennes. L'angle a0 doit être suffisamment élevé pour permettre au 20 prisme 13 d'effectuer la compensation désirée de l'effet des variations de l'indice de réfraction du milieu ambiant, et cela en satisfaisant la relation ci-dessus. Un angle d'incidence moyen supérieur à 3® permet une compensation satisfaisante même pour des variations relativement importantes des conditions ambiantes. 05 Pour un angle d'incidence moyen « 0 * 3♦, un prisme en verre du type BK 7 ayant un angle de 82* 6' entre sa face d'entrée située du coté du Laser 1, et sa face de sortie, satisfait, dans l'air, en déviation minimum, au premier ordre près, la relation indiquée ci-dessus. Un tel prisme donne, par exemple pour des variations de + 22 mm Hg et de + 10 G par rapport aux andi-30 tions moyennes (720 mm Hg 20° C), un écart A a » 35,4", pour compenser l'effet de la variation de l'indice de réfraction de l'air sur la longueur d'onde. Il est à remarquer que la mise en évidence de l'onde stationnaire peut être effectuée également à l'aide d'une couche mince légèrement diffusante, disposée en regard du miroir sur un substrat transparent, plan, de façon 35 que les faisceaux traversant ce substrat et cette couche ne soient que faiblement perturbés. Cette couche peut être formée d'une multiplicité de centres diffusants distincts. Le substrat peut être constitué par exemple par une lame de 69 15866 5 2008773 verre B K 7, plan parallèle, telle que la lame 3 décrite ci-dessus, ayant un indice de réfraction différent de celui du milieu ambiant. Dans ce cas la couche diffusante peut être constituée par de petites cavités disposées avec un espacement régulier sur la face arrière de cette lame, la profondeur de ces 5 cavités étant alors au plus égale à un quart de la longueur d'onde stationnaire. Il est également possible d'utiliser comme substrat une lame transparente, plan parallèle, ayant sensiblement le même indice de réfraction que le milieu ambiant et d'utiliser comme couche diffusante des petits cristaux de MgO déposés sur la face arrière de la lame. 10 De même le milieu ambiant peut être tout autre fluide transparent par exemple, un gaz tel que l'argon ou un liquide tel qu'une huile de silicone. Il convient de noter que le dispositif correcteur peut, le cas échéant, comprendre plusieurs prismes. De plus il peut être placé avant la lunette d'expansion du Laser, ceci afin de diminuer ses dimensions. Toutefois 15 dans ce cas il serait nécessaire de tenir compte du facteur d'expansion du faisceau en utilisant, par exemple, un ensemble de prismes. 15866 2008773 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de longueurs par interférométrie optique, suivant lequel on dirige un faisceau étendu de lumière monochromatique, colli-matée et cohérente sur un miroir plan pour former une onde stationnaire dans la 5 zône de recouvrement de ce faisceau incident et du faisceau réfléchi par ce miroir, on met en évidence cette onde stationnaire dans un plan sensiblement parallèle à celui de ce miroir, et on détecte le passage des franges d'interférence formées dans ce plan lors de son déplacement par rapport au plan du miroir suivant un parcours linéaire dont la longueur est égale à celle à mesurer, 10 caractérisé par le fait que l'on dirige ledit faisceau, sur le miroir avec un faible angle d'incidence déterminé (a), et que l'on fait varier cet angle en fonction de tout écart par rapport à une valeur moyenne (n) , de l'indice de réfraction du milieu traversé par ces faisceaux, et cela suivant la relation : n où An est l'écart de cet indice par rapport à sa valeur moyenne n, et A a est la variation de l'angle d'incidence par rapport à sa valeur moyenne a * 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 20 l'on détecte le passage des frangesjd*interférence en un point situé sur le chemin du faisceau réfléchi par ledit miroir, en dehors de ladite zône de recouvrement. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'angle d'incidence est supérieur à 3*. 25 4. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendica tion 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un générateur à effet Laser muni d'une lunette d'expansion de faisceau, un miroir plan agencé de manière à recevoir, sous un faible angle d'incidence déterminé, le faisceau étendu produit par ce générateur, un élément optique transparent agencé entre ce générateur et ce 30 miroir et présentant une surface plane disposée en regard de ce miroir et sensiblement parallèle à ce dernier, agencée de manière à permettre la mise en évidence de ladite onde stationnaire, un dispositif d'entraînement permettant le déplacement de cet élément parallèlement à lui-même sur ledit parcours linéair®» et un dispositif de détection permettant le comptage des franges formées sur 35 cette surface et un dispositif correcteur agencé entre le générateur et l'élément optique de manière à faire varier l'angle d'incidence suivant ladite relation. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que 69 15866 20Ô8773 l'angle d'incidence est supérieur à 3°. 6. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé par le fait q«e ledit dispositif correcteur comprend au moins un prisme. 7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait 5 que ledit élément optique est une lame transparente, plan parallèle* 8. Appareil selon les revendications 4 et 7, caractérisé par le fait que la face de ladite lame, qui est disposée en regard du miroir et parallèlement à ce dernier, est munie d'une couche mince, légèrement réfléchissante. 9. Appareil selon les revendications 4 et 7, caractérisé par le 10 fait que la face de ladite lame, qui est disposée en regard du miroir et parallèlement à ce dernier, présente une couche mince légèrement diffusante. 10. Appareil selon les revendications 4 et 9, caractérisé par le fait que ladite couche diffusante est formée d'une multiplicité de centres diffusants distincts recouvrant partiellement ladite face . 15 11. Appareil selon les revendications 4 et 10, caractérisé par le fait que lesdits centres diffusants sont constitués par des cavités ménagées régulièrement dans ladite face. 12* Appareil selon les revendications 4 et 11, caractérisé par le fait que la profondeur desdites cavités est au plus égale à un quart de la Ion-20 gueur d'onde de ladite onde stationnaire. 13. Appareil selon les revendications 4 et 7, caractérisé par le fait que ladite lame est constituée par une substance dont l'indice de réfraction diffère sensiblement de celui du milieu ambiant traversé par lesdits faisceaux. 25 14. Appareil selon les revendications 4, 7 et 8 ou 9, Caractérisé par le fait que ladite lame est constituée par une substance dont l'indice de réfraction est sensiblement égal à celui du milieu ambiant traversé par lesdits faisceaux.