Brevet FR2073246A1 — publié le 19711001

La présente Invention se rapporte à un appareil optique destiné à mesurer avec une très grande précision la distance entre un plan de référence et une surface réfléchissante, particulièrement une surface à reflexion diffuse, sans qu'il y ait contact matériel entre celle-ci et l'appareil. 5 En effet, dans les apparedls classiques à capteur en contact avec la surface dont en veut repérer la position, des erreurs de mesure découlent de la déformation de la surface sous la pression du capteur, ces erreurs étant particulièrement importantes si on recherche une précision de quelques dizaines de microns. 10 On a donc été amené à concevoir des appareils dé mesure optiques dans lesquels la position de la surface est déterminée par rapport à un foyer vers lequel convergerit un ou plusieurs faisceaux lumineux, en utilisant la lumière réfléchie par cette surface. Dans un appareil connu, on utilise deux faisceaux lumineux convergeant 15 vers un foyer et modulés en intensité. Les faisceaux réfléchis par la surface diffusante sont envoyés sur des capteurs dont les signaux de sortie sont combinés puis comparés en phase à un signal de référence. Cette phase et l'amplitude des signaux correspondant aux faisceaux lumineux réfléchis donnent une mesure de la distance entre le foyer et la surface réfléchissante. 20 Mais cet appareil est nécessairement compliqué, contient un nombre im portant de composants et est donc coûteux. La présente invention remédie à ces inconvénients. Elle a pour objet un appareil de mesure optique de précision, prévu pour fournir un signal électrique, mesure de la distance entre une surface 25 donnée et un point de référence le long d'un axe donné passant par ce point, ledit appareil comprenant des premiers moyens optiques qui ont ledit axe pour axe optique de sortie et qui fournissent, à partir d'une source lumineuse, un faisceau convergeant en un point de focalisation situé sur cet axe, et des seconds moyens optiques pour envoyer le faisceau lumineux réfléchi par ladite 50 surface sur un dispositif détecteur, caractérisé en ce que lesdit# premiers moyens comprennent un système optique à convergence variable commandé par un générateur de signaux de modulation de façon à déplacer ledit point de focalisation de part et d'autre dudit point de référence au rythme des signaux de * modulation et en ce qu'il est prévu un détecteur synchrone, ayant deux entrées 35 couplées respectivement au dispositif détecteur et au générateur de signaux de modulation et une sortie fournissant ledit signal de mesure. 69 41522 s 2073246 L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins Joints oît î la figure 1 représente le schéma d'un, dispositif optique simple pour déterminer la position d'une surface réfléchissante s ^ la figure 2 est un diagramme des variations du signal fourni par le dispositif de la figure 1 ; la figure 3 représente la schéma de principe de l'appareil de mesure selon l'invention ; !• figure k est un diagramme des variations da signal fourni par 1*appareil 10 selon l'invention ; la figure 5 représente un mode de réalisation d'un élément de l'appareil selon l'invention et la figure 6 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'appareil selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un appareil optique simple qui permet 15 de positionner une surface diffusante 5 approximativement au voisinage d'un point F de son axe optique de sortie X. Pour cela une source lumineuse 1 et un objectif collimateur 2 fournissent un faisceau de rayons lumineux parallèles à un objectif 4 de foyer P. Le faisceau lumineux converge donc en P. Ce faisceau subit une reflexion sur la surface diffusante 5 située à la dis-20 tance x de F sur l'axe X. Le faisceau réfléchi est transmis par l'objectif 4 vers un objectif convergent 6 de foyer ^ par l'intermédiaire d'un miroir semi-transparent 3 à ^5°. Au point 25 Le fonctionnement est le suivant en se reportant également à la courbe de la figure 2 : Si la surface 5 passe par le point P (x = 0), seul le point P de cette surface est éclairé ; les rayons réfléchis provenant tous du foyer P de l'objectif 4, "celui-ci retransforme le faisceau réfléchi eh faisceau parallèle qui, après 30 réflexion sur le miroir 3» est focalisé en par l'objectif 6. Toute la lumière réfléchie 'recueillie par l'objectif 4 est donc reçue en $ par le photodétecteur 8. Si la surface 5 est a une distance x de F, toute une zone de cette surface sera éclairée et participera à la réflexion. Le faisceau lumineux réfléchi donnera alors une tâche lumineuse sur le diaphragme d'entrée 35 du* photodétecteur 8. L'intensité lumineuse reçue, par l'intermédiaire de la fente 7# par le photodétecteur 8 sera donc d'autant plus faible que la dis 69 41522 3 2073246 tance x sera plus grande. L'amplitude du signal I varie en fonction de x comme représenté sur la figure 2. Lorsque la distance x est égale à zéro, l'amplitude du signal I est maximum. On peut donc positionner la surface 5 au voisinage de F grâce au si-5 gnal I. Mais ce positionnement n'est pas précis car on ne peut fétecter avec précision le maximum du signal Ii De même, la mesure de la distance est imprécise. Sur la figure 3 est représenté le schéma de principe de l'appareil de mesure selon l'invention qui remédie à cette imprécision. 10 Les mêmes numéros de référence renvoient aux rtêmes éléments dans toutes les figures. Entre les objectifs 2 et 4 est disposé un système optique 9 à convergence variable. Les variations de convergence de ce système sont commandées par des signaux de modulation fournis par un générateur 11, ces signaux étant 15 par exemple des signaux sinusoïdaux ou des signaux carrés. D'autre part le signal fourni par le photcdétecteur 8 est appliqué à une entrée d'un détecteur synchrone 10 dont l'autre entrée reçoit les signaux de modulation du générateur 11. La sortie du détecteur synchrone 10 fournit un signal de mesure S. 20 Le fonctionnement est le suivant s Le système optique 9 et l'objectif 4 forment un ensemble optique à distance focale variable recevant de l'objectif 2 un faisceau de rayons lumineux parallèles. Le foyer de cet ensemble, situé en F* en l'absence de signaux de modulation, se déplace de part et d'autre de F' sur l'axe X entre 25 les positions extrêmes Fx et F2» lorsque des signaux de modulation sont appliqués. Ceci revient à faire varier la distance entre le foyer et la surface 5 au rythme des signaux de modulation, c'est-à-dire à moduler l'amplitude de l'intensité lumineuse reçue par le photcdétecteur. Le signal de sortie du photodétecteur 8 est donc un signal périodique comprenant une composante à 30 la fréquence des signaux de modulation dont l'amplitude et la phase varient en fonction de x, distance entre F' et la surface 5. On a représenté sur la figure 4 les variations du signal S de sortie du détecteur synchrone 10 en fonction de la valeur de X. Comme on peut d'ailleurs le constater, le signal S représente la déri-35 vée par rapport à x du signal I de la figure 2. Le signal S passe par zéro pour une distance x nulle et ce passage peut être détecté avec précision. 69 41522 » 2073246 D'autre part, les variations de S sont très sensiblement proportionnelles aux variations de x autour de la valeur zéro, ce qui permet une détermination très précise de la distance x. Le signal S peut être utilisé soit comme signal de mesure soit comme signal d'erreur pour un asservissement amenant en coïnciden-5 ce F' et la surface 5. La figure 5 représente un premier mode de réalisation du système optique 9 à convergence variable. Le principe de ce mode de réalisation consiste à entretenir une onde acoustique stationnaire dans un matériau transparent dont l'indice de réfraction varie en fonction des contraintes mécaniques appli-10 quées et à utiliser un faisceau lumineux de diamètre faible par rapport à la longueur d'onde acoustique utilisée et centré sur un ventre de l'onde acoustique à l'intérieur du matériau élasto-optique. Sur la figure 5 on a représenté un cristal de quartz piézo-électrique 90 auquel sont appliquées les contraintes mécaniques nécessaires grâce à un 15 champ électrique appliqué entre deux électrodes 91 reliées au générateur de signaux de modulation. Un diaphragme 92 ayant une ouverture 93 permet de sélectionner, dans le faisceau lumineux fourni par l'objectif collimateur 2, un faisceau lumineux de dimension convenable. Un dispositif de réglage schématisé en 9^ permet le 20 réglage de la position du diaphragme pour obtenir le centrage désiré du faisceau sur un ventre de l'onde stationnaire. Les propriétés de déflexion des rayons lumineux vers les régions de plus forte pression, donc de plus fort indice de réfraction, dans un tel matériau élasto-optlque sont connues. 25 La partie de matériau délimitée par le faisceau lumineux de diamètre faible par rapport à la longueur d'onde acoustique se comporte, au premier ordre près, comme une lentille tantôt convergente tantôt divergente suivant le sens et l'amplitude de la variation d'indice & n correspondant aux variations de contrainte appliquées. 30 A l'instant ti, comme représenté sur la figure 5» la variation d'in dice est nulle dans tout le matériau ; le faisceau transmis reste un faisceau de rayons parallèles et l'ensemble optique 9-h^ow foyer F'. A l'instant tg séparé de t^ par un quart de période de l'onde acoustique, on a une augmentation n maximum au ventre considéré, le système présente un maxi-35. BfiUffl de convergence (rayons lumineux en traits pleins) et l'ensemble 9-4 a pour foyer Fj. (Fig. 3). Enfin au temps tj séparé de tj> par une demi-période de l'onde acoustique, on a une diminution A n maximum au ventre considéré. 69 41522 5 2073246 le système 9 présente un maximum de divergence (rayons lumineux én pointillé) et l'ensemble 9-4 a pour foyer Fg. Bien entendu, on peut utiliser pour le système 9 d'autres types de cel» Iules, par exemple une cellule contenant un liquide tel que tetraehloroéthy-5 3ène dans lequel on excite une onde ultrasonore à l'aide d'un transducteur, les dimensions de la cellule étant choisies en fonction de la fréquence de l'onde à exciter, de façon à obtenir des ondes stationnaires. Sur là figure 6 a été représentée une autre variante de l'appareil selon l'invention. 10 Le système optique 9 est composé d'un objectif convergent 97 recevant le faisceau de rayons lumineux parallèles fourni par l'objectif 2, par l'intermédiaire d'un miroir semi-transparent 98 disposé à 45°, et d'un miroir plan 95 placé au foyer de cet objectif 97. Ce miroir 95 est monté sur un dispositif 96 à vibrations longitudinales (c'est-à-dire le long de l'axe X). Ce 15 dispositif 96 peut être par exemple un cristal de quartz, travaillant en expansion transversale (comme représenté sur la figure 6) ou une membrane vibrante ou une lame vibrante encastrée* L'excitation de ce dispositif vibrant 96 est assurée par les signaux de modulation du générateur 11. Le reste de l'appareil est semblable à celui représenté précédemment» 20 Le fonctionnement du système 9 est le suivant î Lorsque le dispositif 96 n'est pas excité, le miroir 95 est au foyer de l'objectif 97 et le système 9 transmet un faisceau de rayons parallèles à l'objectif 4, l'ensemble 9-4 ayant alora pour foyer F. Lorsque le dispositif 96 est excité, le miroir 95 donne pour l'objectif 97 une image de la 25 source lumineuse dont la position varie de part et d'autre du foyer de cet objectif et le système optique 9 est alternativement convergent ou divergent. On a représenté les deux pqsitions extrêmes du miroir 95 et des faisceaux correspondants à la sortie de l'objectif 4-respectivement en trait plein et en pointillé. - - JO II est bien évident qu'on peut imaginer des variantes de l'appareil de la figure 6 oîi le miroir 95 ne serait pas plan. Bien entendu, les exemples de réalisation déerits ne sont nullement limitatifs de l'invention. 69 41521 2073246 REVENDICATIONS . 1. Appareil, de mesure optique de précision, prévu pour fournir un signal électrique, mesure de la distance entre un® surface donnée et un point de référence le long d'un axe donné passant par ee point, ledit appareil comprenant des premiers moyens optiques qui ont ledit axe pour axe optique de sortie et 5 qui fournissent, à partir d'une source lumineuse, un faisceau convergeant en un point de focalisation situé sur cet axe, et des seconds moyens optiques pour envoyer le faisceau lumineux réfléchi par ladite surface sur un dispositif détecteur.» caractérisé en e© /Beskits premiers moyens comprennent un système opti-â convergence variable commandé par un générateur de signaux de modulation et 3.0 en ce qu'il- est prévu un détecteur synchrone, ayant deux entrées couplées respectivement au dispositif détecteur et au générateur de signaux de modulation et une sortie fournissant ledit- signal- de mesure. - - = 2i Appareil de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ee que ledit système optique à convergence variable comprend un élément en matériau 15 d'indice de réfraction variable avec les contraintes mécaniques qui lui sont - appliquées, des moyens d'excitation commahdés t>ar lesdits signaux de modulation pour exciter, perpendiculairement à l'axe optique dudit système, des ondes acoustiques stationnaires, et des moyens de délimination et de positionnement de faisceau pour déterminer le passage, dans ledit élément, d'un fai-20 sceau lumineux eentré sur un ventre desdites ondes stationnaires et de dimensions transversales faibles par rapport à la longueur d'onde desdites ondes stationnaires. 3» Appareil de mesure selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits premiers moyens optiques comprennent un objectif collimateur pour en-25 voyer un faisceau de rayons lumineux parallèles au système optique à convergence variable et en ce que lesdits moyens de délimitation et de positionnement du faisceau comprennent un diaphragme et des moyens de réglage pour dé placer ce diaphragme parallèlement audit élément. 4. Appareil de mesure selon les revendications 2 ou 5 caractérisé en 30 ce que ledit élément est un cristal de quartz et en ce que lesdits moyens d'excitation comprennent des électrodes recevant lesdits signaux de modulation et disposées pour appliquer au cristal de quartz un champ électrique correspondant. 94P ORIGINAL •te. 69 41522 7 2073246 5. Appareil de mesure selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que, ledit matériau étant un liquide, ledit élément est une cellule contenant un transducteur électroacoustique recevant lesdits signaux de modulation et disposé dans la cellule. 5 6. Appareil de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit système optique à convergence variable comprend un miroir et des moyens de support commandés par les signaux de modulation pour imprimer des vibrations audit miroir. 7. Appareil de mesure selon la revendication 6 caractérisé en ce que 10 lesdits premiers moyens optiques comprennent un objectif collimateur pour envoyer un faisceau de rayons lumineux parallèles au système optique à convergence variable, en ce que ledit miroir est plan et en ce que ledit systèM optique comprend, en outre, un miroir partiellement transparent incliné par rapport audit faisceau de rayons parallèles et un objectif faisant converger 15 le faisceau lumineux vers ledit miroir. 8. Appareil de mesure selon les revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que lesdits moyens de support comprennent un cristal piézoélectrique. 9. Appareil de mesure selon les revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que lesdits moyens de support comprennent une membrane vibrante. BAD ORIGINAL