Brevet FR2035878A1 — publié le 19701224

L'invention concerne un dispositif permettant de déterminer la distance comprise entre un objet et un endroit déterminé à l'aide de rayons émis par un émetteur et ramenés à un récepteur, après être entrés en interaction avec l'objet. 5 ïïn tel dispositif est connu. Dans le dispositif connu, les rayons sont émis sous forme d'impulsions et l'instant où les impulsions parviennent au récepteur est comparé à celui où les impulsions sont émises'. La distance à mesurer est déduite de ces instants et de la vitesse des rayons dans le fluide dans lequel ceux-ci se propagent. Le dispositif connu pré-10 sente l'inconvénient que ces instants doivent d'abord être mesurés très rigoureusement si l'on veut mesurer très précisément la distance, ce qui requiert un appareillage compliqué. L'invention vise â obvier â cet inconvénient; elle est caractérisée en ce que la fréquence des rayons émis par l'émetteur varie 15 par rapport à une valetir moyenne et en ce que ces rayons rencontrent un inter-féromètre, dont l'un des deux bras comporte un réflecteur fixé mécaniquement à l'objet. Il est avantageux d'utiliser un émetteur émettant un faisceau de rayons polarisés et de disposer dans l'un des bras de l'in-20 terféromètre une lame (n + 1) quart d'onde (n étant un nombre entier). Ainsi, deux faisceaux partiels polarisés dans des directions orthogonales sont dirigés vers le récepteur, ce qui permet d'obtenir des mesures rigoureuses. Grâce â la modulation de l'état de polarisation, il est possible d'effectuer des mesures rigoureuses. En effet, la distance est dé-25 duite de l'état de polarisation des rayons sortant de l'interféromètre et amenés au récepteur. Cet état de polarisation n'est guère sujet aux perturbations. Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, on émet deux faisceaux de rayons, dont la différence en fré-30 quence varie par rapport â une valeur moyenne. Cela permet d'utiliser un circuit électrique plus simple pour le traitement des signaux électriques engendrés dans le récepteur. La description ci-après, en se référant au dessin annexé, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. 35 La fig. 1 représente une première forme de réalisation du dispositif conforme â l'invention. La fig. 2 illustre une seconde forme de réalisation dudit dispositif. Sur la fig; 1,1e faisceau de rayons sortant de la 40 source de rayonnement (1) tombe sur le miroir diviseur isotrope (3) d'un 70 10533 2 2035878 interféromètre. Le faisceau partiel réfléchi par le miroir diviseur est réfléchi par un élément rétrodirectif (11) constitué par la lentille (4) et le miroir concave (5)» Le faisceau partiel transmis par le miroir diviseur est réfléchi par un élément rétrodirectif (12) constitué par la lentille (6) et le miroir concave (7) disposé dans le plan focal de la lentille (6). L'élément rétrodirectif (12) est disposé à assez courte distance 10 du miroir diviseur (3) et fixé rigidement à l'objet (non représenté sur le dessin), dont il faut mesurer la distance par rapport â un endroit déterminé. Cet endroit, qui est situé dans le plan (2), se trouve à une distance du miroir diviseur (3) égale à la distance optique comprise entre l'élément (11) et le miroir diviseur. 15 Le rayon réfléchi par l?.élément rétrodirectif (11) est partiellement transmis par le miroir diviseur (3) vers l'élément sensible au rayonnement (8) I le rayon réfléchi par l'élément rétrodirectif (12) est partiellement réfléchi par le miroir diviseur (3) vers l'élément sensible au rayonnement (8). 20 A l'endroit de l'élément (8), l'amplitude des rayons peut être représentée en fonction du temps t par: . ~ T T A » sin & t + sin (0(t-p = 2 sin(ù(t-^) cos û) ^ . U) Dans cette expression, représente la fréquence de la lumière et ( le tempB pendant lequel le faisceau partiel émis vers l'élément rétrodirec-25 tif (12) se trouve entre le plan (2) et l'élément (12), doncs , si z représente la distance comprise entre le plan (2) et l'élément (12), et £ la vitesse à laquelle se propagent les rayons. Le signal électrique B engendré dans l'élément (8) et proportionnel au carré de l'amplitude est proportionnels 30 cos2 OJ ~2 f donc à : 1 + cos tri Si l'on modifie la fréquence angulaire des rayons émis par la source de rayonnement (11), p^r exemple suivant la relation Cl) =03 (1 + f sinXLt), la partie variable B1 du signal B devienti O ' cos 2 If ~ (1 + f sin-Q-t), ^o 35 expression dans laquelle "?\0 ■ S Le nombre de passages par zéro N de cette fonction cosinus pendant une période T » 4=r~ de: N =» f. T\0 70 10533 3 2035878 En déterminant N dans le compteur (9) raccordé â l'élément, on peut calculer la distance jz â l'aide de la valeur connue de f. Dans un exemple de réalisation on obtient: » 0,5^um, A *û 7 f « "JJ"'™ et H » 1,6.10 . On calcule que jz » 5 mètres. 5 Au lieu d'une variation sinusoïdale de la fréquence angulaire, celle-ci peut également acquérir une variation de dents de scie, par exemple suivant la relation» y) -(0g (1 + f ^). La partie variable du signal B devient alors: Ov 4> 10 cos n- (1 + f =). Pendant le temps t » T de la période ^o en dents de scie, on acquiert N ■ ^ f passages par zéro. Po Le dispositif représenté sur la fig. 2 correspond pratiquement à celui représenté sur la fig. 1. Les pièces analogues à celles représentées sur la fig. 1 portent les mêmes chiffres de référence que 15 sur celle-ci. La source de rayonnement (1) émet un rayonnement polarisé linéairement, qui est divisé par le miroir diviseur isotrope (3) de 1•interféromètre en deux faisceaux partiels. Le bras court de 1'interféromètre comporte une lame quart d'onde (21). L'angle formé entre l'axe optique de la lame quart d'onde et le plan de polarisation du faisceau 20 partiel incident est de 45°. Après réflexion par l'élément rétrodirectif (11), le faisceau partiel traverse â nouveau la lame quart d'onde (21) disposée dans le bras court. En totalité, ce faisceau partiel a traversé une lame demi-onde. Le plan de polarisation du faisceau partiel retou-nant dans le bras court au miroir diviseur (3) est de ce fait tourné d'un 25 angle de 90° par rapport à celui du faisceau partiel allant vers l'élément (11). Le plan de polarisation du faisceau partiel réfléchi par l'élément rétrodirectif (12) ne subit pas de variations. Le faisceau partiel D^ transmis par le miroir partiel isotrope (3) et provenant de l'élément rétrodirectif (11) présente un plan-de polarisation qui est 30 perpendiculaire â celui du faisceau partiel Dg réfléchi par le miroir diviseur provenant de l'élément rétrodirectif (12). Les faisceaux partiels D.j et I>2 traversent une lame quart d'onde (28), dont la direction principale forme un angle de 45° avec la dirèction de polarisation de chaque faisceau partiel. La lame quart d'onde (28) convertit les deux 35 faisceaux partiels polarisés linéairement en un faisceau de rayons polarisés circulairement vers la droite et un faisceau de rayonnement polarisé circulairement vers la gauche. Si ces faisceaux de rayons sont réunis, ils constituent un faisceau de rayons polarisés linéairement ou 70 10533 4 2035878 pratiquement linéairement, dont l'azimuth est tributaire de la phase relative des faisceaux de rayons polarisés circulairement, en d'autres termes, un déplacement de l'élément (12) se manifeste comme une rotation du plan de polarisation. Ce faisceau de rayons polarisés linéairement 5 tombe ensuite sur le miroir diviseur isotrope (22), qui transmet une partie du faisceau de rayons polarisés linéairement et qui réfléchit une autre partie. La partie transmise traverse le polariseur (23), dont le plan de polarisation forme un angle avec Tin axe X choisi de façon que l'amplitude du faisceau de rayons tombant sur l'élément sensible au 10 rayonnement (25) puisse être représentée pari cos (CiH - jf 1 ) + cos£ (diit - Y) + ^-j] et, par conséquent, le signal électrique engendré;, dans l'élément (25) par: 1 + cos (tût - 2 jf ^ ). La partie réfléchie traverse le polariseur (24), dont 15 le plan de polarisation forme un angle avec le susdit axe X. L'amplitude du faisceau de rayons tombant sur l'élément sensible au rayonnement (27) peut être représentée par: cos («H ~f2) + cos£((»)t -"() +)f2] et,par conséquent, le signal électrique engendré dans l'élément sensible 20 au rayonnement (27) par: 1 + cos (Wt - 2^2). Si f.j - 0° et ■ 45°, le signal électrique engendré dans l'élément (25) peut être représenté par: 1 + cos W Y 25 et le signal électrique engendré dans l'élément (27) par: 1 + sin 6) ^ Au lieu d'un seul signal comme dans le dispositif représenté sur la fig. 1, on dispose alors de deux signaux, dont les parties variables présentent un déphasage de 90°. Si la fréquence angulaire 30 6) est modifiée de la façon telle que celle décrite dans le dispositif • représenté sur la fig. 1, il se forme un nombre de passages par zéro N, qui est supérieur de deux foiB â celui se formant dans ledit dispositif. Ces passages par zéro sont traités dans le compteur (26). La position du plan de polarisation du faisceau de 35 rayons polarisé linéairement sortant de la lame quart d'onde (28), position qui est tributaire de la phase relative des faisceaux polarisés linéairement tombant sur la lame quart d'onde (28), peut également être déterminée de la façon telle que celle expliquée dans la demande de brevet néerlandais précédente lî® 67 16351 (PHN.2904). Dans ce cas, il faut 70 10533 5 2035878 insérer entre la lame quart d'onde et le faisceau partiel (22) une combinaison de deux lames quart d'onde disposée en série, dont l'orientation est égale et entre lesquelles est disposé un cristal électro-optique présentant une direction d'orientation, qui diffère de 45° avec celle 5 des lames quart d'onde, cristal auquel est appliquée une tension alternative électrique appropriée. Des variations assez lentes de la position du plan de polarisation du faisceau de rayons polarisé linéairement sortant de la lame quart d'onde (28) peuvent alors être mesurées facilement. 10 La forme de réalisation représentée sur la fig. 2 pré sente l'avantage que les pertes d'abBorption se produisant dans l'un des bras de 1'interféromètre n'influent pas sur l'azimuth de l'ellipse de polarisation du faisceau de rayons en question. Dans le dispositif représenté sur la fig. 2, la source 15 de rayonnement (1) peut être remplacée par une Bource de rayonnement émettant tin rayonnement polarisé circulairement. Dans ce cas, la lame quart d'onde (20) peut être supprimé#. Dans le dispositif représenté sur la fig. 1, la source de rayonnement (1) peut être remplacée par une source de rayonnement 20 émettant des faisceaux de rayons de deux fréquences angulaires (ù ^ et , ces faisceaux de rayons représentant la même polarisation. A l'endroit de l'élément (8), l'amplitude du rayonnement peut être remplacée par: T T T T A - 2 sin (j)^ (t - -jj) cos (ù^ -g + 2 sin (d2 (t - cos 0>2 ^ Le signal électrique B engendré dans l'élément (8) est 25 proportionnel à la moyenne dans le temps du carré de l'amplitude du rayonnement. On calcule1 B * (l+COS^tl) TJ'). (1+COS (£o^) + (1-COS ^). (1-cos W aT) = 2(1+m cos d>0Y), expression dans laquelle 2û)q + (1)g, - (i)^ et m = cosiûû) ^ . 30 II y a lieu de noter que l'élément (8) est rapide, il est vrai, mais que âiù a une valeur élevée par rapport à la fréquence de coupure de l'élément. Si l'on varie la fréquence angulaire des faisceaux de rayons émis par la source de rayonnement, notamment suivant la relation: /4(>) - f sin t, on obtient: 35 7? ™ 1+cos(uà f£ sin-Q-t) cos (ù T» 1 + m. cos û) T. 2 o 2. o l o • La profondeur de modulation m., varie périodiquement. » Les passages par zéro de cos(û) f -g sinCLt) sont comptés et non ceux de cos 0 T. 70 10533 6 2035878 Bans le dispositif représenté sur la fig. 2, la source de rayonnement (1) peut être remplacée par une source de rayonnement émettant des faisceaux de rayons polarisés présentant deux fréquences angulaires et^es plans de polarisation des deux faisceaux de 5 rayons peuvent être identiques ou être perpendiculaires entre eux. Si l'angle = O et l'angle lf2 » 45°, le signal électrique engendré dans l'élément (25) peut être représenté par» -V 1 + cos -z cos G) T . c. O et le signal électrique engendré dans l'élément (27) par: f v 10 1+siniiW-^ cos (à T , c. O Dans ces expressions aussi, 2CÙq » 0)^ + ^2 A 2. On obtient ainsi deux signaux modulés «n amplitude* dont les parties modulées en amplitude présentent un déphasage de 90°. Le 15 nombre de passages par zéro des parties modulées en amplitude, traités dans le compteur (26) est supérieur de deux fois à celui obtenu dans le dispositif représenté sur la fig. 1, mais comportant deux sources de rayonnement. Dans le dispositif représenté sur la fig. 1, la source 20 de rayonnement (1) peut être remplacée par deux sources de rayonnement présentant des plans de polarisation perpendiculaires entre eux . Si, dans le trajet des rayons entre le miroir diviseur isotrope (3) et l'élément sensible au rayonnement (8) est inaéré un analyseur, dont le plan de polarisation forme un angle jf avec celui de la source de rayonnement 25 émettant des rayons à fréquence angulaire (1)^, le signal électrique B engendré dans l'élément (8) peut être représenté par: B = 1 + cos 0).] T cos2 jf + cos ûlgT sin2 )f . Dans le cas où Y " 0' B = 1 + cos dans le cas où |f = 90° s B » 1 + cosliJgT et dans le cas où f = 45° s B « 1 + cos 30 T r oos ® Ici aussi: 2 Q = (j)^ +(JÛ2 et .AO) » CÙ^ - (1 70 10533 2035878 REVENDICATIONS 1Dispositif permettant de déterminer la distance comprise entre un objet et un endroit déterminé 5 à l'aide de rayons émis par un émetteur et ramenés à un récepteur, après être entrés en interaction avec l'objet, ce dispositif étant caractérisé en ce que la fréquence des rayons émis par 11 émetteur varie par rapport à line valeur moyenne, et en ce que ces rayons rencontrent un 10 interféromètre, dont l'un des deux bras comporte un réflecteur fixé mécaniquement à l'objet. 2.- Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce que les rayons émis par l'émetteur sont polarisés et en ce que dans l'un des bras de 1'interféromètre 15 est disposée une lame (n + 1) quart d'onde (n étant un nombre entier). 3«- Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'émetteur émet deux faisceaux de rayons, dont la différence en fréquence varie par rapport 20 à une valeur moyenne. 4-.- Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'émetteur émet des rayons polarisés circulairement.