Brevet FR2001019A1 — publié le 19690919

. 2001019 La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la mesure interférométrique simultanée de deux longueurs, à l'aide d'un faisceau de lumière monochromatique qui, dans des dispositifs diviseurs, subit une répartition d'inten-5 sité en faisceau de mesure et faisceau de référence, et dans lesquels les faisceaux de mesure et de référence rentrants 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 trouve là, 15 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 mettre en oeuvre un interféromètre laser séparé pour chacune des 20 mesures de longueur. 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 interférométrique simultanée de deux longueurs, qui avec une précision égale en-25 traîne la mise en oeuvre de moyens sensiblement moins importants que pour l'utilisation d'un interféromètre laser séparé pour chacune des mesures de longueur. Le procédé selon la présente invention est caractérisée en ce que, en partant d'un faisceau lumineux à polarisation 30 circulaire, dans un premier dispositif diviseur on élabore un seul faisceau de référence ainsi qu'un seul faisceau de mesure ; que, dans un deuxième dispositif diviseur, on divise le faisceau de mesure en deux faisceaux de mesure partiels, à polarisation linéaire avec des plans de polarisation perpendiculaires entre 35 eux, que chacun de ces faisceaux de mesure partiels parcourt en une boucle au moins une section de mesure correspondant à ce faisceau de mesure partiel ; que les faisceaux de mesure partiels rentrants se superposent dans le deuxième dispositif diviseur pur constituer un faisceau de mesure rentrant, lequel à son tour,dans 4» le premier dispositif diviseur, forme avec le faisceau de réfé- 69 01769 2 2001019 ce rentrant un faisceau lumineux présentant des modulations d'intensité différentes dans deux plans de polarisation perpendiculaires entre eux ; et que, dans un troisième dispositif diviseur, on divise ce faisceau lumineux en deux faisceaux par-5 tiels polarisés perpendiculairement entre eux, et qu'on les a-nène à des dispositifs photodétecteurs qui leur correspondent. L'invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple et en référence aux figures, La figure 1 est la vue en plan d'une première variante 10 du dispositif» Ge dispositif comporte un élément fixe 1 et deux autres éléments 2, 3, mobiles dans le sens des X. De ces deux éléments mobiles 2, 3, l'élément 3 est, pour sa part, également mobile dans le sens des Y, par rapport à l'élément 2.L'élément fixe 1 comporte, montés sur une plaque de base 4, une première pla-15 quette \/4 (rep. 5), logée dans un support orientable, un dé diviseur d'entrée 6, sur deux faces latérales opposées duquel sont appliquées, d'une part, un prisme triple 7, et d'autre part un dé diviseur de sortie 8, ainsi que, en regard de deux-faces perpendiculaires adjacentes l'une à l'autre du dé diviseur de sor-2o tie 8, deux dispositifs photodétecteurs 9,10, dont les fenêtres d'entrée sont précédées chacune d'un filtre de lumière polarisée 11, 12. Dans l'élément 2, sur une plaque de base 13, on a prévu un pentaprisme 14, complété sur son premier plan de réflexion 15 25 par un prisme rapporté 16 de manière à former un prisme diviseur. Outre ce prisme diviseur, on a prévu, d'une part, dans le sens des X, disposés l'un derrière l'autre, une deuxième plaquette X/4 (rep. 17) montée sur un support orientable, et un^prisme triple 18, et d'autre part, dans le sens des Y, une troisième 50 plaquette à/4 (rep. 19). Le troisième élément 3 se compose essentiellement d'un prisme triple 20 monté sur une plaque de base 21. Pour la description ci-dessous du fonctionnement, les axes des faisceaux lumineux ont été représentés par des lignes 55 numérotées et pourvues de flèches de direction. Un laser à gaz, non représenté sur la figure 1, qui peut être monté sur la plaque de base 4 de l'élément fixe 1, engendre un faisceau lumineux 22, de section circulaire, ayant un très petit angle d'ouverture, dont la lumière monochromati-40 que et cohérente présente une polarisation essentiellement 69 01769 3 2001019 linéaire. Dans la plaquette À/4 (rep. 5) ce faisceau lumineux à polarisation linéaire reçoit une polarisation circulaire ; ensuite dans le plan diviseur du dé diviseur d'entrée 6, il subit un fractionnement en intensité pour former un faisceau de 5 référence sortant 23 et un faisceau de mesure sortant 24. Ce faisceau de mesure sortant 24 parcourt la section de mesure de la coordonnée X jusqu'à l'élément 2, arrive dans le prisme diviseur constitué par le pentaprisme 14 et le prisme 16, et subit, dans le plan diviseur 15 de celui-ci, un fractionnement 10 Qn intensité pour former deux faisceaux de mesure partiels sortants 25, 26. De ces faisceaux de mesure partiels, le faisceau de mesure partiel 25 sortant selon l'axe des X reçoit dans la plaquette À/4 (rep. 17) une polarisation linéaire, dans le sens Z et, après une inversion de direction dans le prisme triple 18, 15 il est ramené au pentaprisme 14 en tant que premier faisceau de mesure partiel rentrant 27. Après une réflexion dans le plan 28, le deuxième faisceau de mesure partiel sortant 26 sort du pentaprisme 14 dans l'axe y, puis dans la plaquette à/4 (rep.20) il est polarisé linéairement dans le sens X, il parcourt la 20 section de mesure de la coordonnée Y jusqu'à l'éLément 3, où il subit une inversi'on de direction dans le prisme triple 20, pour revenir enfin à l'élément 2 en tant que deuxième faisceau de mesure partiel rentrant 29» Après réflexions dans le plan 28 et dans le plan diviseur 15» dans le pentaprisme 14, oe deuxième faisceau de mesure partiel rentrant 29 se regroupe dans le plan diviseur 15 avec le premier faisceau de mesure partiel rentrant 27, revenant du prisme 18 triple pour former un faisceau de mesure rentrant 30 . Le faisceau de référence sortant 23 subit une inversion de direction dans le prisme triple 7, et devient le faisceau de référence rentrant 31 qu.i, dans le plan diviseur du dé diviseur d'entrée 6 se regroupe avec le faisceau de mesure rentrant 30, formant un faisceau lumineux 32 présentant des modu-55 lations d'intensité différentes dans deux plans de polarisation perpendiculaires entre eux, qui à son tour est divisé en intensité dans le plan diviseur 33 du dé diviseur de sortie 8, pour former deux faisceaux partiels modulés 34» 35 sortant respectivement dans le sens des X et des Y« Chacun de ces fais-40 ceaux 34, à travers un filtre de polarisation 11, 12, sont 25 30 69 01769 4 2001019 acheminés à un dispositif photodétecteur correspondant 9 >10» I>e filtre de polarisation 11 ne transmet que la composante du faisceau lumineux 34 qui est polarisée dans le sens des Z, et le filtre de polarisation 12 ne laisse passer que la composante du 5 faisceau lumineux 35 qui est polarisée dans le sens des X„ Comme on s'en rend facilement compte, la modulation en intensité du faisceau partiel filtré 34 reçu par le dispositif photodétecteur 9 correspond à la variation de la coordonnée X, et celle du faisceau partiel filtré 35 reçu par le disposi-10 tif photodétecteur 10 correspond à la variation de la somme des coordonnées (X + Y)„ Cette modulation est telle, que pour chaque variation de la longueur correspondante, égale à une demi longueur d'onde de la lumière laser, chacun des dispositifs photodétecteurs 9,10 constate une variation d'intensité sinusoïdale cor-15 respondant à une période entière. Pour déterminer le sens de la variation de longueur, ainsi qu'on le fait en principe dans tous les dispositifs interférométrique de mesure des longueurs, outre la valeur de l'intensité, on observe aussi la phase de la modulation» Bans ce but, dans l'exemple donné, on insère dans le che-20 minement du faisceau de référence 23, 31* donc par exemple au pLan de joint du dé diviseur 6, une couche en forme de coin, déposée par évaporation, dont la hauteur maximale ne représente que quelques longueurs d'onde de la lumière laser, et qui détermine un cisaillement des fronts d'onde du faisceau de réfé-25 rence 23, 31 et par conséquent du faisceau lumineux modulé 32 et des faisceaux partiels 34, 35.^Chacun des dispositifs photodé-tecteurs 9»10, se compose d'une paire de photodétecteurs, dont les fentes d'entrée sont situées dans un même plan, éclairé par le faisceau partiel correspondant 34 ou 35- Ces fentes d'entrée 30 sont disposées parallèlement aux maxima d'intensité et, dans le sens perpendiculaire à la longueur de ces fentes, elles sont décalées d'un quart de la distance entre deux maxima d'intensité voisins. A partir de la phase relative des signaux fournis par les deux photodétecteurs, on détermine dans un montage discrimi-35 nateur de phase le signe de variation de la longueur, et on commande en conséquence le sens de comptage d'un compteur bidirectionnel associé dans lequel on enregistre, compte tenu du signe, les signaux fournis par l'un des photodétecteurs et qui sont des impulsions correspondant aux maxima d'intensité. 69 01769 5 2001019 Dans le dispositif décrit, les variations de 1'indications de l'un des compteurs sont donc proportionnelles aux variations de la coordonnée X et celles de l'autre compteur sont proportionnelles aux variations de la somme des coordonnées 5 (X + Y). La figure 2 montre une deuxième variante du dispositif dans laquelle avec des moyens quelque peu différents on obtient le même résultat qu'avec la première variante0 De même que lajremière variante, ce dispositif selon 10 la figure 2 se compos6.de trois éléments 1', 2* et 3', correspon^ dant aux éléments 1 à 3 selon la variante de la figure 1. L'élément fixe l1 comprend, montés sur une plaque de base 36, une pre^ mière plaquette X/4 (rep, 37), logée dans un support orientable, un dé diviseur d'entrée 38, sur deux faces latérales opposées .du 15 quel sont appliqués d'une part un prisme triple 39, et, d'autre part un premier prisme en spath d'Islande Foster Seeley 40, ainsi que, en regard de deux faces adjacentes perpendiculaires du prisme Foster-Seeley 40, deux dispositifs photodétecteurs 41,42. Dans l'élément 2', sur une plaque de base 43, est monté un deu-20 xième prisme Foster-Seeley 44, auquel est rapporté dans le sens des X un prisme triple 45. Le troisième élément 3' se compose, comme l'élément 3 selon la figure 1, d'un- prisme triple 46 monté sur une plaque de base 47• Cette deuxième variante du dispositif fonctionne de la 25 manière suivante : De même que dans la variante selon la figure 1, un laser à gaz, non représenté sur la figure, fournit un faisceau lumineux 48 à polarisation linéaire, qui pénètre dans le dé diviseur d'entrée 38, après avoir traversé la plaquette \/4 (rep.37) 30 dans lequel sa polarisation devient circulaire ; dans le plan diviseur 49 du dé diviseur 38, l'intensité lumineuse du faisceau 48 est répartie entre un faisceau de référence sortant 50 et un faisceau de mesure sortant 51» Le faisceau de mesure sortant 51 parcourt la section de mesure de la coordonnée X jusqu'à l'élé-35 ment 2', qui pénètre dans le deuxième prisme de Foster-Seeley 44 puis, dans le plan diviseur 52 de celui-ci, il est fractionné, d'une part, en un premier faisceau de mesure partiel 53 sortant dans le sens des X et, d'autre part, en un deuxième faisceau de mesure partiel 55 qui, après réflexion sur le plan diviseur 52 40 et sur le plan 54, sort dans le sens des Y. Par suite des 69 01769 6 2001019 propriétés d'un prisme Foster-Seeley, le premier faisceau de mesure partiel sortant 53 est alors polarisé linéairement selon l'axe Z, tandis que le deuxième faisceau de mesure partiel sortant 55 est polarisé linéairement selon l'axe X. Après une in-5 version de direction dans le prisme triple 45, le premier faisceau de mesure partiel 53 sortant dans le sens des X se trouve ramené au plan diviseur 52 du prisme Foster-Seeley 44 en tant que premier faisceau de mesure partiel rentrant 56» le deuxième faisceau de mesure partiel 55 sortant dans le sens des Y'par-10 court la section de mesure de la coordonnée Y jusqu'à l'élément 3', il subit une inversion de direction, dans le prisme triple 46, et il revient, en tant que deuxième faisceau de mesure partiel rentrant 57, à l'élément 2' où, après réflexion sur le plan 54 et sur le plan diviseur 52, il se regroupe dans ce plan di-15 viseur 52 avec le premier faisceau de mesure partiel rentrant 56, pour former un faisceau de mesure rentrant 58 revenant selon l'axe des X. Ce faisceau de mesure rentrant 58 parcourt enfin la section de mesure de la coordonnée X et revient à l'élément l'o 20 faisceau de référence sortant 50 subit une inver sion de direction dans le prisme triple 39, devenant ainsi le faisceau de référence rentrant 59» qui, dans le plan diviseur 49 du dé diviseur 38 se regroupe avec le faisceau de mesure rentrant 58, pour former un faisceau lumineux 60 présentant des modula-25 tions différentes dans deux plans de polarisation perpendiculaires entre eux. Dans le premier prisme de Foster-Seeley 40, ce faisceau lumineux 60 est partagé en deux faisceaux modulés partiels 61,62 sortant respectivement dans les sens X et Y, qui éclairent cha-30 oun un dispositif photodétecteur 41, 42 correspondant. Du fait de l'influence du prisme de Poster-Seeley 40, le faisceau modulé partiel 61 sortant dans le sens X est polarisé linéairement selon l'axe Y, et le faisceau modulé partiel .62 sortant dans le sens Y est polarisé linéairement selon l'axe Z. 35 De même que dans la première variante, il en résulte que la modulation d'intensité du faisceau sortant 62, reçu par le dispositif photodétecteur 42, correspond aux variations de la coordonnée X,et que celle du faisceau sortant 61 reçu par le dispositif photodétecteur 41 correspond aux variations de la somme des coordonnées (X+Y).1'exploitation des signaux fournis par les dispositifs photççlétecteursJ_41,4? s'effectue de la même manière 40 que dans la premiere variante selon la figure 1« 69 01769 7 2001019 REVENDICATIONS 1« Procédé pour la mesure interférométrique simultanée de deux longueurs, à l'aide de faisceaux de lumière monochromatique, soumis dans des dispositifs diviseurs à une répar-5 tition d'intensité entre faisceaux de référence et de mesure, et dans lequel les faisceaux rentrants de référence et de mesure sont regroupés dans les mêmes dispositifs diviseurs pour former des faisceaux de lumière modulés en intensité, caractérisée en ce que, en partant d'un faisceau de lumière à polarisation cir-10 culaire, on élabore dans un premier dispositif diviseur seulement un faisceau de référence et un faisceau de mesure ; que le faisceau de mesure est partagé dans un deuxième dispositif diviseur en deux faisceaux de mesure partiels à polarisation linéaire, avec des plans de polarisation respectifs perpendi-35 culaires entre eux, qui parcourent chacun selon un trajet bouclé au moins une section de mesure ; en ce que, dans le deuxième dispositif diviseur, les faisceaux de mesure partiels rentrants, se regroupent en un faisceau de mesure rentrant qui, de son côté, dans le premier dispositif diviseur, forme avec le 20 faisceau, de référence rentrant, un faisceau lumineux présentant - une modulation d'intensité différente dans deux plans de polarisation perpendiculaires entre eux ; et en ce que, dans un troisième dispositif diviseur, ce faisceau lumineux sst fractionné en deux faisceaux partiels polarisés respectivement selon 25 deux axes perpendiculaires entre eux, qui sont acheminés à des dispositifs photodétecteurs correspondants,, 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, comme premier dispositif diviseur, on utilise un dé diviseur (6), que pour l'élaboration de deux faisceaux de mesure 30 partiels (25,26) avec des axes perpendiculaires entre eux on utilise, comme deuxième dispositif diviseur, un pentaprisme (14) complété par un prisme (16) pour former.un prisme diviseur^veo chacun une plaquette X/4 (17,19) fonctionnant en polarisateur linéaire, placée en travers de la section de chacun des fais-35 ceaux de mesure partiels sortants ; et en ce que, pour élaborer deux faisceaux partiels (34>35) modulés en intensité selon deux axes perpendiculaires entre eux, on utilise cemme troisième dispositif diviseur an dé diviseur (8) avec un filtre de polarisation (11,12) placé dans la section de chacun des fais- BAD original 69 01769 8 2001019 ceaux partiels (34,35)° 3» Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, comme premier dispositif diviseur, on utilise un dé diviseur (38), et que, pour 1'alaboration des deux faisceaux de 5 mesure partiels (53,55), ainsi que pour l'élaboration des deux ■ faisceaux partiels (61,62) modulés- en intensité, orientés chacun selon des axes perpendiculaires entre eux, on utilise comme deuxième et troisième dispositif diviseur respectivement un prisme de Foster-Seeley (44,40) en spath d'Islande,