Brevet FR2231952A1 — publié le 19741227

La présente invention a pour objet un procédé interférométriaue de mesure de déplacement et un dispositif correspondant. Elle trouve de nombreuses applications, notamment dans la mesure du coefficient de dilatation, du module de Young ou du coefficient de Poisson de différents matériaux, également dans l'étude des déformations, ou dans des essais de fatigue des matériaux. On connait des procédés de mesure du déplacement de la surface d'un objet, dans lesquels on fixe sur ledit objet un miroir, qui constitue l'une des extrémités de l'un des bras d'un interféromètre optique, par exemple du type Michelson. Lorsque l'objet se déplace ou se déforme, le miroir qui lui est solidaire se déplace corrélativement et l'observation de la modification du système de franges créé par l'interféromètre permet de déterminer le déplacement du miroir et, finalement, celui de la surface de objet. Cette méthode, qui est très précise puisque les plus petits déplacements détectables sont de l'ordre d'une fraction de la longueur d'onde du rayonnement utilisé dans l'interféromètre, présente cependant un grave inconvénient, qui est celui de nécessiter la fixation d'un miroir sur l'objet à étudier. Dans certains cas, il est impossible de fixer ce miroir sans perturber considérablement l'objet. C'est le cas par exemple lorsqu'on veut étudier le déplacement de la surface d'un liquide. Dans d'autres cas, l'objet à étudier peut être porté à une très haute température et il est encore difficile d'y fixer un miroir. L'invention a justement pour objet un procédé de mesure de déplacement de la surface d'un objet, qui est du type interférométrique, mais qui évite ces inconvénients, en ce qu'il permet d'évaluer le déplacement de ladite surface sans qu'un contact mécanique soit établi avec ladite surface. Ce résultat est obtenu en disposant, devant la surface dont on veut étudier le déplacement, un système auxiliaire mobile situé à une distance fixe de ladite surface, cette condition étant de préférence réalisée par un procédé optique; sur ce système auxiliaire est fixé ledit miroir mobile de l'interfero- mètre et la mesure du déplacement de la surface se ramène à celle du déplacement dudit miroir, mesure qui s'effectue par le procédé interférométrique connu De façon plus précise, la présente invention a pour objet un procédé interférométrique de mesure du déplacement de la surface d'un objet, dans lequel ledit déplacement provoque la modification de la longueur de l'un des bras d'un interféromètre et dans lequel on observe la modification corrélative du système de franges formé dans cet interféromètre pour en déduire la valeur dudit déplacement, caractérisé en ce que: - on dispose un système auxiliaire mobile à une distance fixe f de ladite surface, - on mesure le déplacement de ladite surface en mesurant le déplacement correspondant dudit système auxiliaire par ledit procédé interférométrique connu. De préférence, on asservit la position dudit système auxiliaire par rapport à la position de ladite surface. Pour réaliser cet asservissement, on utilise avantageusement un système auxiliaire de nature optique, qui sera décrit ultérieurement. L'invention a également pour objet un dispositif interférométrique de mesure du déplacement de la surface d'un objet, mettant en oeuvre le procédé qui vient d'être défini et comprenant un interféromètre associé à un appareil de comptage du défilement des franges et/ou de visualisation des franges, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - un banc sur lequel coulisse un système auxiliaire, - des moyens de mesure de l'écart entre, d'une part, la distance séparant ledit système auxiliaire de ladite surface et, d'autre part, une distance déterminée, - des moyens de déplacement dudit système sur ledit banc, - un miroir solidaire dudit système auxiliaire et constituant l'un des miroirs dudit interféromètre. L'interféromètre est avantageusement du type Michelson, mais il pourrait être du type Mach-Zender ou à ondes multiples. De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaItront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés å titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexÉs sur lesquels: - la figure 1 illustre le principe général du procédé de l'invention et représente le schéma synoptique de l'appareil qui le met en oeuvre; - la figure 2 représente de façon détaillée le système optique auxiliaire et la boucle d'asservissement en position; - la figure 3 est un schéma expliquant le principe de la formation du signal d'erreur a l'aide de deux cellules photoélectriques; - la figure 4 représente un mode de réalisation particulier du dispositif de l'invention. Sur la figure 1, l'objet dont on veut déterminer la déformation, le déplacement, la dilatation, l'excentricité etc porte la référence O..Le point de la surface de cet objet situé dans l'axe de l'appareil et dont on souhaite mesurer le déplace ment le long de cet axe, est désigné par M. Un interféromètre 10 du type Michelson, comprend une source lumineuse 12, une lame séparatrice 14, un premier miroir 16, un second miroir 18 et un dispositif 20 de visualisation ou de comptage des franges. Le miroir 16 est fixe mais- le miroir 18 est monté sur un système auxiliaire 22 susceptible de glisser sur un banc 24, en restant dans l'alignement de la source 12. La position du système auxiliaire 22 est telle que le point M soit a une distance f d'un plan de référence lié au système auxiliaire 22. Des moyens non représentés sur la figure 1 permettent de mesurer l'écart entre la distance séparant le dispositif 22 du point M et ladite longueur de référence f. Le fonctionnement de cet appareil est le suivant. Lorsque l'objet O se déforme ou se déplace, la position du point M varie ce qui provoque, grâce au dispositif d'entrane- ment que lton décrira par la suite, le déplacement correspondant du système auxiliaire, de telle sorte que soit conservée une distance f entre M et un plan de référence du système auxiliaire 22. Le miroir 18 est donc situé une distance fixe de la surface dont on veut étudier le déplacement longitudinal. Le dispositif interférométrique 10, qui mesure de façon classique le déplacement du miroir 18, donne donc, en définitive, le déplacement longitudinal de la surface de l'objet O au point M. L'intérêt majeur de ce procédé et de cet appareil est, ainsi qu'on l'a souligné plus haut, de ne pas nécessiter la fixation du miroir 18 sur l'objet O et, ainsi qu'on va le voir maintenant, d'éviter tout contact mécanique avec la pièce à tester. La figure 2 représente de façon détaillée le système auxiliaire qui est avantageusement du type optique et la boucle d'asservissement qui permet de le maintenir à une distance constante f de l'objet 0. Les éléments communs aux figures 1 et 2 portent, pour simplifier, les mêmes références, à savoir: l'objet O et le point M de sa surface dont on mesure le déplacement longitudinal, le système auxiliaire 22 sur lequel est fixé le miroir 18, le banc 24 sur lequel coulisse le système auxiliaire 22. Ce système 22 comprend une source 30 munie d'un condenseur 32, qui délivrent un faisceau lumineux 34 focalisé par un objectif 36 en un point F. Le foyer F est à la distance focale f du plan de l'objectif 36.Les rayons lumineux renvoyés par l'objet O sont repris par l'objectif 36, qui est associé à une deuxième lentille 38, définissant, avec l'objectif 36, un système optique centré pour lequel le conjugué du point F est le point réel F'. Deux cellules photoélectriques Ph+ et Ph- sont disposées de part et d'autre du point F'. Les signaux électriques délivrés par ces cellules sont acheminés vers un appareil de mesure 40. Le signal délivré par la cellule photoélectrique Ph+ est affecté d'une polarité positive et celui qui est délivré par la cellule Ph- est affecté d'une polarité négative. Si l'objet O est disposé de telle sorte que le point M de sa surface est confondu avec le foyer F, il est clair que le faisceau lumineux réfléchi par ledit objet est focalisé au point F' conjugué de F. Les cellules Ph+ et Ph- ne reçoivent aucun signal lumineux et, par conséquent, n'émettent aucun signal électrique: l'appareil de mesure 40 indique 0. Si l'objet O se déplace, le point M de sa surface n'est plus confondu avec le foyer F et les cellules Ph+ ou Ph- reçoivent de la lumière; elles émettent un signal électrique auquel correspond une indication de polarité positive ou négative sur l'appareil de mesure 40. La figure 3 permet de mieux comprendre le principe du repérage de la position du point M par rapport au point F à l'aide des deux cellules Ph+ et Ph-. Sur la figure 3a, le point M est situé au-del du foyer F et le point M' conjugué est situé entre la lentille 38 et le foyer F'. Dans cette situation, c'est la cellule Ph+ qui reçoit le flux lumineux et qui délivre un signal électrique vers l'appareil de mesure 40 qui donne de ce fait, une indication positive, signifiant que le point M est situé au-delà du point F. Dans le cas de la figure 3b, le point M est situé en deçà du foyer F et le point M' conjugué est situé au-delà du point F'. Dans cette situation, c'est la cellule Ph- qui reçoit le flux lumineux et qui délivre un signal électrique faisant apparaitre sur l'appa reil 40 une indication de polarité négative. Si l'on se reporte à la figure 2, on voit que l'appareil de mesure 40 permet de repérer la position du système auxiliaire 22 par rapport à la surface de l'objet O et cela, sans contact mécanique. I1 est alors aisé de faire glisser le système auxiliaire en conséquence pour que sa distance à l'objet soit égale à une distance fixe f. Ce déplacement peut s'effectuer manuellement en suivant l'indication de l'appareil 40 mais, dans une variante avantageuse de l'invention, il s'effectue automati quement à laide d'une boucle d'asservissement, qui utilise l'indication délivrée par l'appareil 40, comme signal d'erreur. Ce signal, qui est repris par la connexion 42 est amplifié dans l'amplificateur 44 et commande un moteur à courant continu 46, qui déplace le système auxiliaire 22. Ce déplacement s'effectue tant que le signal d'erreur est différent de O et dans le sens approprié, pour que le plan de 1lobzectlf 36 soit toujours placé à une distance f de la surface de l'objet à étudier. La précision de l'asservissement en position du système auxiliaire dépend notamment des dimensions de la tache focale au point F. On a donc avantage à utiliser comme objectif 36 une lentille à courte distance focale, pour réduire les dimensions de cette tache focale. On peut aussi utiliser, comme faisceau 34, un faisceau cohérent prélevé sur le faisceau émis par le laser utilisé généralement comme source dans l'interféromètre; la dimension de la tache focale est alors minimale et seulement limitée par la diffraction. La figure 4 représente un mode de réalisation particulier du dispositif de l'invention. Sur cette figure, l'objet dont on veut étudier la forme ou le déplacement est encore représenté par la référence 0. L'appareil de llinvention comprend un dispositif interférométrique constitué par: une source lumineuse 50, qui peut être notamment un laser à gaz à hélium et néon, un séparateur de faisceau 52 muni d'un miroir catadioptrique 54 fixe, un miroir catadioptrique 56 fixé sur le système auxiliaire 58. Ce système 58, qui peut coulisser sur une platine60, est entraîné par une vis sans fin 62 qui déplace une noix d'entraînement 64 solidaire du système optique 58. La vis sans fin est actionnée par un moteur 80 à courant continu, alimenté par un appareil (non représenté) analogue à l'appareil 40 des figures 2 et 3 suivi d'un amplificateur. Le système de franges formé par l'interféromètre est projeté à l'aide d'un miroir 66 sur un écran 68 où il est directement observable par l'expérimentateur. Un système non représenté mais classique de comptage des franges permet d'afficher sur un appareil extérieur 70 le déplacement longitudinal de la surface de l'objet 0. Cet objet peut d'ailleurs être situé par exemple dans une enceinte 72 munie d'un hublot transparent 74. Le procédé et l'appareil de l'invention ont de nombreuses applications dont on a déjà donné un aperçu. On peut y ajouter à titre non limitatif la mesure du profil d'une barre ou d'une pièce de tour, qui s'effectue en utilisant deux appareils conformes à l'invention, l'un testant le rayon de la pièce et l'autre donnant la position le long d'une génératrice. REVENDICATIONS 1. Procédé interférométrique de mesure du déplacement de la surface d'un objet, dans lequel ledit déplacement provoque la nodification de la longueur de l'un des bras d'un interféro- mètre et dans lequel on observe la modification corrélative du système de franges formé dans cet interféromètre pour en déduire la valeur dudit déplacement, caractérisé en ce que: - on dispose un système auxiliaire mobile à une distance fixe f devant ladite surface, - on mesure le déplacement de ladite surface en mesurant le déplacement correspondant dudit système auxiliaire par ledit procédé interférométrique connu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on asservit la position dudit système auxiliaire par rapport à ladite surface. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour asservir ledit système: - on projette, depuis le système auxiliaire, un faisceau lumineux en direction de ladite surface, faisceau qui converge en un point F, - on compare les signaux électriques fournis par deux cellules photoélectriques disposées de part et d'autre du point conjugué de F par rapport à un système optique centré solidaire dudit système auxiliaire, - on utilise le résultat de ladite comparaison comme signal d'erreur pour actionner un moteur commandant la position dudit système auxiliaire. 4. Dispositif interférométrique de mesure du déplacement de la surface d'un objet, mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, et comprenant un interférométre associé à un appareil de comptage du défilement des franges et/ou de visualisation des franges, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - un banc sur lequel coulisse un système auxiliaire, - des moyens de mesure de l'écart entre, d'une part, la distance séparant ledit système auxiliaire de ladite surface et, d'autre part, une distance déterminée f, - des moyens de déplacement dudit système sur ledit banc, - un miroir solidaire dudit système auxiliaire et constituant l'un des miroirs dudit interféromètre. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'interféromètre est du type Michelson et comprend un bras fixe et un bras de longueur variable, le banc étant aligné sur ledit bras de longueur variable. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit système auxiliaire comprend: - des moyens optiques pour émettre un faisceau lumineux en direction de ladite surface, - un objectif de focale f, focalisant ledit faisceau en un point F, - une lentille qui, associée audit objectif, forme un système optique centré pour lequel le conjugué du point F est un point réel F', - deux cellules photoélectriques disposées de part et d'autre de F', - des moyens de mesure des signaux électriques délivrés par chaque cellule. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à courant continu alimenté par les signaux préalablement amplifiés délivrés par lesdites cellules, ledit moteur déplaçant ledit système auxiliaire le long du banc.