Brevet FR2028166A1 — publié le 19701009

L'invention concerne un dispositif permettant de déterminer le déplacement relatif d'un objet à l'aide d'une trame, qui est fixée mécaniquement audit objet, trame dont les rainures sont transversales à la direction de déplacement, et comprenant en 5 outre une source de rayonnement, dont les rayons traversent une ou plusieurs fois la trame et un système optique conjugué contenant un élément optique anisotrope, les rayons parvenant sur au moins un, détecteur photo-électrique dans lequel le déplacement engendre des signaux. -10 "tel dispositif est connu. Ce dispositif permet de mesurer rigoureusement le déplacement à une vitesse relativement élevée de la trame. Le dispositif connu présente l'inconvénient que la différence entre les trajets des ondes ordinaires et des ondes extra-15 ordinaires se propageant dans l'élément anisotrope est tributaire de la longueur d'onde du rayonnement. Si l'élément anisotrope est constitué par une lame quart d'onde, la différence de trajet est d'un quart d'onde pour une longueur d'onde déterminée. Si l'on recourt à une autre longueur d'onde, l'élément, en particulier 20 la lame quart d'onde, doit être remplacé par un autre afin d'obtenir la même différence de trajet. C'est ainsi qu'il faut prendre une lame quart d'onde plus épaisse si l'on choisit une plus grande longueur d'onde. - L'invention vise à rendre un dispositif du genre mentionné 25 ci-dessus, achromatique, ce qui permet d'utiliser une source de rayonnement présentant un large spectre d'émission, en d'autres termes, de rendre l'utilisation de la source de rayonnement plus efficace. Elle est remarquable en ce que l'élément optique anisotrope est inséré dans le trajet des rayons assurant la repro-30 duction de l'image et provenant de la trame et est constitué par le montage en série de deux cristaux biréfringents uniaxes en forme de plaque, dont les sections principales transversales à la surface du cristal sont perpendiculaires entre elles et dont l'angle formé, dans lesdites sections principales, entre l'axe 35 optique et la surface du cristal est le même pour les deux cristaux. Un tel ensemble constitué par de tels cristaux est connu sous la dénomination polariscope de Savart. L'invention est basée sur l'idée que dans une section appropriée, la différence entre les trajets des rayons ordinaires et 40 des rayons extraordinaires dans le polariscope de Savart est 70 00849 2 2028166 proportionnelle à l'angle d'incidence du rayonnement sur la surface du polariscope. (Il y a lieu de noter que dans une lame biréfringente ordinaire, telle qu'une lame quart d'onde, un tel effet linéaire ne se produit pas). Dans une trame, l'angle compris entre la direction du faisceau d'ordre 0 et celui d'ordre +1, ou -1, est en première approximation proportionnel à la longueur d'onde du rayonnement utilisé. La différence entre les trajets des rayons ordinaires et des rayons extraordinaires provenant d'un ensemble constitué par une trame et un polariscope de Savart reste, exprimée en longueurs d'onde, par conséquent constante si la longueur d'onde est modifiée. Si l'on désire notamment une différence de trajet d'un quart d'onde afin de convertir un rayonnement polarisé linéairement en rayonnement polarisé circulairement et inversement, une telle conversion se réalise en effet dans une large gamme de longueurs d'onde lorsque l'épaisseur du polariscope de Savart est convenablement adaptée à la période de la trame. La description ci-après , en se référant au dessin annexé, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La fig. 1 représente un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. Les figures 2 et 3 illustrent des détails du dispositif représenté sur la fig. 1. Dans le dispositif représenté sur la fig. 1, la lumière provenant de la source lumineuse (2), de pulsation t, est convertie par le polariseur (3) en lumière polarisée linéairement, dont la direction de polarisation est par exemple parallèle au plan du dessin. A l'endroit A, le faisceau peut être représenté par : Ayj sinC«>t. La trame déplaçable, dont les rainures sont transversales au plan du dessin, est désignée par le chiffre de référence (1). La trame est fixée rigidement à l'objet (non représenté sur le dessin), dont on veut mesurer le déplacement. La trame divise le faisceau en des faisceaux partiels cohérents. Le faisceau partiel d'ordre -1 peut être représenté, par exemple à l'endroit B_-p (voir la fig. 2) par : Ag sin (c^t - 2j£z/p), celui d'ordre +1, par exemple à l'endroit B+/j, par : A^ sin (Cvt,+ 2j£z/p). Les faisceaux partiels atteignent le miroir concave^(9) par l'intermédiaire de la lentille plan convexe (16). Avant que les faisceaux partiels d'ordre +1 et -1 ne tombent sur la lentille plan-convexe (16), ils parcourent l'ensemble (10) constitué par deux 70 00849 5 2028166 laaes (11) et (12), qui sont par exemple en quartz. Les lames (11) et (12) sont orientées de telle façon que la section principale transversale à la surface de la lame (11 ), aussi "bien que celle de la lame (12) font un angle de 4-5° avec le plan du des-5 sin. Les sections principales sont perpendiculaires entre elles. Dans le polariscope de Savart (10), le faisceau d'ordre +1 aussi que celui d'ordre -1 sont divisés en un faisceau partiel ordinaire et un faisceau partiel extraordinaire. L'épaisseur de l'ensemble des lames (11) et (12) est choisie de telle façon 10 qu'il se forme une différence de trajet do^n g ^7~ entre les faisceaux partiels ordinaire et extraordinaire. Les faisceaux partiels tombent ensuite sur le miroir concave (9) par l'intermédiaire de la lentille plan convexe (16). Du fait que le centre de courbure de la face de séparation convexe de la lentille (16) 15 coïncide avec le centre de courbure du miroir concave (9)» les rayons réfléchis par le miroir et réfractés par la surface convexe de la lentille (16) sont à nouveau parallèles aux rayons traversant la lentille (16) dans la direction du miroir (9)• Le faisceau partiel d'ordre zéro est supprimé par une couche 20 absorbante (17) appliquée sur le miroir. Après avoir été réfléchis par le miroir (9), les faisceaux partiels traversent la lentille plan convexe (16) et ensuite le polariscope de Savart (10). Les faisceaux partiels présentent alors une différence de trajet de^n ^ ^ t*. Par suite de cette 25 différence de trajet, chacun des faisceaux des rayons polarisés linéairement est converti en un faisceau polarisé circulairement. Du fait que les directions principales des plaques (11) et (12) sont perpendiculaires entre elles, un faisceau, par exemple celui d'ordre -1, constitue un faisceau polarisé circulairement vers 30 la droite présentant la phase (C*/t - 23£z/p) et l'autre un faisceau polarisé circulairement vers la gauche présentant la phase (t^t + 2j£z/p). Les faisceaux partiels cohérents subissent à nouveau une diffraction à la trame (1), dont sortent des faisceaux partiels 35 cohérents d'ordre (-1, -1) et d'ordre (+1, +1), dont les directions coïncident. Les faisceaux partiels, dont les directions coïncident peuvent être représentés, par exemple à l'endroit D, par un faisceau polarisé circulairement vers la droite présentant la phase (t^t - 4-3£z/p) et un faisceau polarisé circulai-40 reaent vers la gauche présentant la phase (t^t + 4^z/p) • La 70 00849 » 2028166 différence entre les phases des deux faisceaux est de = 8j^*z/p. La somme des faisceaux peut être représentés par une vibration polarisée linéairement, dont la position^du plan de polarisation constitue une fonction linéaire de la distance 5 z = CQ + Cfl + 4-3tz/P• La vibration polarisée linéairement tombe sur le montage en série de la lame quart d'onde (33)» le cristal électro-optique (32), qui est par exemple réalisé en dihydrophosphate de potassium, et la lame quart d'onde (34-)• Les directions principales 10 des lames quart d'onde (33) et (34-) sont parallèles entre elles, la direction principale du cristal (32) fait un angle de 45° avec celles des lames (33) et (34-). Le cristal (32) est soumis à -une tension alternative V = VQ sinJ\J; provenant de la source de tension alternative (50) de telle façon que l'intensité de champ 15 engendrée dans le cristal par la tension soit parallèle à la direction de propagation du rayonnement dans le cristal (32). Dans la demande de brevet français PV n° 176.209 du 2 Décembre 1968 au nom de la Demanderesse et intitulée "Dispositif pour déterminer la position du plan de polarisation d'un faisceau de ra-20 yons polarisé linéairement", on a démontré que, abstraction faite de la position initiale, la position du plan de polarisation du faisceau polarisé linéairement provenant du montage en série peut être représentée par : ^8 sin représentant l'amplitude de l'angle de rotation du plan de polarisation. 25 Ainsi, on peut représenter la position du plan de polarisation du faisceau polarisé linéairement sortant de la lame quart d'onde (34-), par exemple à l'endroit E, par : ^L»(z, t) = + /j-^z/p + $sin./V£. l«e miroir diviseur isotrope (35) divise le faisceau en deux faisceaux partiels. Un faisceau partiel tombe sur la 30 cellule photo-électrique (38) par l'intermédiaire du polariseur (36), l'autre sur la cellule photo-électrique (39) par l'intermédiaire du polariseur (37)• Les directions de polarisation des polariseurs (36) et (37) forment un angle de 45° entre elles. 35 Les signaux de départ des cellules photo-électriques qui sont proportionnels à l'intensité du faisceau partiel incident présentent la forme : Si = C2 + S sin 2^.(z, t) = Og + S sin (2C^ +8j(z/p+ 2 j8sin- 70 00849 5 2028166 Ces signaux peuvent être traités davantage, par exemple de la façon décrite dans la demande citée ou dans le "brevet français N° 1.308.993* Dans le cas d'un déplacement de la trame sur une distanceAz = p/16, il se produit un passage additionnel par zéro, 5 soit de S^, soit de Sg. Grâce aux propriétés du polariscope de Savart (10), on peut faire varierc^dans une large gamme. La différence entre les trajets des rayons ordinaires et des rayons extraordinaires traversant le polariscope de Savart reste dans cette gamme # 10 La fig. 3 représente le trajet à travers les lames (11) et (12) du polariscope de Savart (10) d'un rayon tombant perpendiculairement sur la surface ABCD de la lame (11). La direction désignée par une flèche (15) de l'axe optique de la lame (11) est parallèle à la face latérale ABEF perpendiculaire à la face d'en-15 trée ABCD. La direction de polarisation du rayon incident (20) est parallèle au plan ACGE. Dans la lame (11), le rayon (20) est divisé en deux rayons, notamment un rayon ordinaire (21) présentant une direction de polarisation située dans le plan BCGF, rayon qui n'est pas réfracté, ainsi qu'un rayon extraordinaire (22), 20 dont la direction de polarisation est située dans le plan AEFB et qui est réfracté. Les amplitudes des deux rayons sont égales du fait que les directions de polarisation des rayons réfracté et non réfracté dont des angles de 45° avec celle du rayon incident (20). 25 Après avoir traversé la lame (11), le rayon non réfracté (21) et le rayon réfracté (22) sont parallèles du fait que la face de sortie EFGH de la lame (11) est parallèle à la face d'entrée ABCD. La grandeur du déplacement du rayon extraordinaire (22) par rapport au rayon ordinaire (21) est tributaire de l'épaisseur de 30 la lame (11) et de l'angle compris entre l'axe optique et la surface de la lame. Les rayons tombent ensuite sur la surface KLMN de la lame (12) qui, afin de faciliter la compréhension du dessin, est représentée à quelque distance de la lame (11), mais qui est en ré-35 alité fixée à l'aide d'un ciment à cette dernière. La direction de l'axe optique de la lame (11), direction qui est désignée par une flèche (16), est parallèle à la face latérale LMQR, qui est perpendiculaire à la face d'entrée KLMN qui, à son tour, est perpendiculaire à la face ABEF de la lame (11), et, en outre, per-40 pendiculaire à ladite face EZLMN. Le rayon (21), dont la direction 70 00849 6 « 2028166 de polarisation est parallèle à là section principale LMQR de la lame (12), constitue, pour cette lame, un rayon extraordinaire et est réfracté dans une direction parallèle à la section principale. Le rayon (22), dont la direction de polarisation est 5 transversale à la section principale LMQR, constitue pour la lame (12) un rayon ordinaire et n'est pas réfracté. Le déplacement du rayon réfracté (23) sortant de la lame (12) par rapport au rayon (21) est égal au déplacement du rayon (22) par rapport au rayon (21), à condition que les lames (11) et (12) 10 soient de même épaisseur. Du fait que la direction d'un déplacement est perpendiculaire à celle de l'autre, les rayons (23) et (24) sortant du polariscope de Savart font un angle de 4-5° avec la section principale ABEF de la lame (11), aussi bien qu'avec la section principale LMQR de la lame (12). La différence 15 entre les trajets du rayon (23) et du rayon (24-) est égale à zéro pour une épaisseur égale des lames. Lorsque le rayon atteignant le polariscope de Savart (10) n'est pas perpendiculaire à la surface ABCD et l'angle d'incidence i diffère par conséquent de 0°, l'angle de 4-5° compris 20 entre le plan des rayons sortants et les sections principales est maintenu. Ce plan est donc perpendiculaire aux rainures de la trame (1). On peut prouver, voir Françon "Optical Interferometry" page 14-0, que la différence entre les trajets des rayons polarisés 25 perpendiculairement entre eux, sortant du polariscope de Savart, est proportionnelle à l'angle i :,& = ci. Les rayons d'ordre +1 ou -1 sortant de la trame (11) font un angle +i, respectivement -i, avec la surface du polariscope de Savar^ parallèle à la trame. Ces angles +i et -i sont pro-30 portionnels à la longueur d'onde des rayons tombant sur la trame (1) : i = de sorte que ù.= ci = Cg 7^. Exprimée en longueurs d'onde, la différence entre les trajets des rayons polarisés perpendiculairement entre eux sortant du polariscope de Savart est donc constante. 35 Dans un exemple de réalisation, le polariscope de Savart (10) était constitué par deux cristaux (11) et (12) en quartz, ayant chacun une épaisseur de 0,9 mm. L'axe optique de chaque cristal faisait un angle de 4-5° avec la surface du cristal. La trame (1) avait un pas £ de 8yU. La longueur d'onde du rayonne-40 ment variait entre 0,€yu et 1,2^-u. 00849 7 2028166 Une rotation de la trame (1) autour d'un axe transversal à la surface de la trame permet d'obtenir une adaptation rigoureuse de la différence de trajet réelle se produisant entre les rayons ordinaires et extraordinaires dans le polariscope de Savart à la période de la trame. Il est évident que le dispositif conforme à l'invention peut également être utilisé si la trame constitue une trame de réflexion. Le dispositif convient non seulement pour la mesure de translations mais également pour mesurer des rotations. 70 00849 2028166 BEVEMDICJLTIONS 1. Dispositif permettant de déterminer le déplacement relatif d'un objet à l'aide d'une trame, qui est fixée mécaniquement audit objet, trame dont les rainures sont transversales à la 5 direction de déplacement et comprenant en outre une source de rayonnement dont les rayons traversent une ou plusieurs fois la trame et un système optique conjugué contenant un élément optique anisotrope, les rayons parvenant sur au moins ion détecteur photoélectrique dans lequel le déplacement engendre des signaux, ce 10 dispositif étant caractérisé en ce que l'élément optique anisotrope est inséré dans le trajet des rayons assurant la reproduction de l'image et provenant de la trame et est constitué par le montage en série de deux cristaux biréfringents uniaxes en forme de plaque, dont les sections principales transversales à la sur-15 face du cristal sont perpendiculaires entre elles et dont l'angle formé, dans lesdites sections principales, entre l'axe optique et la surface du cristal est le même pour les deux cristaux. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 l'angle est compris entre 30 et 45°. /