Brevet FR2226644A1 — publié le 19741115

La présente invention concerne un capteur optique de déplacement, et plus particulièrement un appareil optique à haute sensibilité et à large bande passante permettant de me surer à distance les déplacements ou les vibrations d'une cible matérialisée par une ligne de séparation entre une zone claire et une Zone sombre, en staffranchissant de toute erreur ou im précision due aux variations de 11 éclairement ambiant. L'invention fournit donc un appareil d'optique compre nant essentiellement une lentille convergente , un diaphragme et un prisme à arête tronquée, trois cellules photosensibles recueillant respectivement les rayons lumineux latéraux réflé chis par les deux faces réfléchissantes du prisme et les rayons lumineux axiaux transmis par la zone centrale de l'arête tron quée du prisme, et un dispositif électronique de traitement des signaux reçus dans lequel, au moyen d'un générateur de signaux carrés qui pilote à la fois individuellement les ten sions fournies par les deux cellules latérales et une tension d'entrée d'un démodulateur synchrone, d'un amplificateur à gain variable, et d'une boucle d'asservissement qui maintient cons- tant le niveau moyen du signal de la différence des valeurs entre les deux tensions desdites cellules latérales, on affran chit l'appareil de-mesure de toute influence imputable à 1 'é- clairement de la cible. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins anne '-xés, et donnant à titre indicatif, mais nullement limitatif, deux formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue d ensemble du capteur optique suivant l'invention; la figure 2 est une vue suivant II-II de la figure 1 de la cible; la figure 3 est un schéma d'une première forme de réa lisation de l'exploitation électronique des signaux optiques; la figure 4 est un schéma de principe analogue à celui de la figure 3 atun circuit simplifié; la figure 5 est Lun schéma de réalisation du schéma de principe de la figure 4;; h la figure ù est un graphique representatif- de la conSi- guration des tensions le long des circuits de la figure 5; la figure 7 est une vue d'un schéma de principe. On voit sur la figure 1 une cible désignée dans son ensemble par 10 à detix zones d'albedo différents, caractérisée par une ligne de démarcation 9 entre une région 3 sombre et une région 4 claire. Cette cible est visée par un capteur optique suivant l'invention, dont l'axe optique est désigné par 5, comprenant essentiellement une lentille convergente 6, un diaphragme 7, un prisme tronqué 8, deux cellules photosensibles 9 et il recevant respectivement les rayons réfléchis par les faces 12 et 15 du prisme 8, et une troisième cellule photosensible i4 'rece- vant le faisceau des rayons lumineux directs axiaux. Comme on le voit sur la figure 2, l'image 20 de la cible 10 au niveau du diaphragme 7 présente trois régions, la région-claire 15 qui est réfléchie par la face argentée 12 du prisme 8 dans la cellule 9, la région sombre 17 qui est'réflé- chie par la face argentée 13 du prisme dans la cellule il et la/région mixte 16 ou, suivant le pointage initial de la'cible dans le plan 5, et en fonction des déplacements ou vibrations que de la cible à mesurer, on voit/la ligne de démarcartion 2 déter- mine deux zones d'éclairement distinctes et de surfaces inéga- les si la ligne 2 n'est pas confondue avec le pian 5.L'écart "x" entre la ligne 2 et le plan fixe 5 est donc fonction du signal fourni par la cellule 14 et de la différence des signaux fournis par les cellules 9 et il L'appareil peut donc servir à mesurer avec précision les déplacements d'un objet inaccessible ou d'un objet dont un capteur mécanique perturberait les mouvements. Les qualités demandées à un tel appareil sont entre autres la sensibilité et la bande passante c'est-à-dire la capacité à traduire fidèlement les déplacements rapides, cette qualité étant particulièrement recherchée dans le cas où l'appareil est destiné à analyser les vibrations d'une pièce liée à la cible 10. En général le déplacement mesuré est celui de la limite entre deux zones de la même pièce, ces deux zones étant caractérisées par des pouvoirs diffusants différents. Ces deux. zones peuvent être constituées par exemple par un trait de peinture tracé sur Je pièce ou par une cible de papier collée sur la pièce et dont @es caractéristiques lumineuses sont différentes de celles de la pièce ou même par le bord de la pièce elle- même. Il est important que la valeur de la mesure délivrée par l appareil soit bien -représentative du déplacement réelle ment; subi par la pièce et indépendant des autres conditions de la mesure parmi lesquelles la nature du contraste des detur- zones visées et la qualité de l'éclairage ambiant. Il va de soi que tout autre moyen de partager l'image 20 de la cihle 10 en trois zones rentre dans le cadre de l'invention. Pour d-éduire l'écart "x" des signaux des cellules pho- tosensibles, on pose d'abord, si les trois zones 15, 16 et 17 ont la même surface, que les signaux électriques délivrés par les cellules latérales sont de la forme S9 = E &alpha; S11 = E ss où E est proportionnel à 11 éclairement de la cible , a et ss les "albedo" des plages considérées tandis que le signal élec- tiue délivré par la cellule axiale 14 est de la forme @ @ @ @ @ S14 = E (ss + &alpha;) 2 2 dans le cas de la figure 2. &alpha; + ss &alpha; - ss d'où l'on tire S14 = E ( - x) 2 2 Pour obtenir une expression proportionnelle à "x" et par conséquent la mesure du déplacement de la cible, il suf.- fit donc en principe d'effectuer la différence de signaux: S14 - S9 + S11 = E ss - &alpha; x. 2 2 La mesure ainsi faite est donc une mesure absolue de ss - &alpha; l'écart si le facteur d'éclairement E # # est cons 2 tant,ce qui peut être réalisé en asservissant E à varier en jonction inverse de la différence d'albedo des zones de la cible. Mîis suivant l'invention, lorsque l'appareil est destiné zone effectuer des mesures à relativement grande distance on est tributaire soit de l'éclairage ambiant soit d'une source puissante comme par exemple un flash de stroboscope ou un laser Dans le premier cas l'éclairage est en général variable et incontrôlable; dans le cas d'un flash, l'éclairage est pulsé à une fréquence connue et dans le cas d'un laser de préférence modulé à une fréquence élevée; dans tous les cas on ne peut pas agir pour maintenir constant le terme E(ss-a). On doit donc maintenir suivant l'invention ce terme constant au niveau du traitement des signaux au moyen d'un variateur de gain. La variation de gain qu'il faut donc imposer au signal E (&alpha;-ss) pour le ramener à un niveau constant doit être impcsée en mêe temps et de la même façon au signal de mesure lui-rnEme S14 - 89 + S11 . Il est donc nécessaire de faire passer simultanément les deux signaux dans un même amplifica- teur à gain variable tel que 55 sur la figure 5, et pour pouvoir distinguer ces deux signaux il est nécessaire de les moduler d'une manière différente. On voit sur la figure 5 que les signaux délivrés par les cellules 14,9 et il sont préamplifiés dans des amplificateurs 18, 19 et 21 /additionnés dans le sommateur à contre S9 + S11 réaction 22 qui délivre le terme S14 - ... 2 qui est proportionnel à x. Le coefficient de proportionnalité est proportionnel à S9 - S11/2. Ce terme est élaboré au moyen de l'inverseur 23 et du sommateur 24 puis envoyé dans l'amplificateur 25 par l'intermédiaire d'un modulateur 26, lequel change alternativement le signal de signe à chaque pulsation de telle sorte que le signal de sortie de L'amplificateur 25 est en 27 de la forme S9 + S11 S9 - S11 S14 - # ( ) 2 2 soit alternativement les valeurs S14 - S9 et S14 - S11 . Après avoir ainsi modulé le signal S9 - S11 et 2 additionné le signal ainsi modulé au signal de mesure S14 - S9/2 - S11/2 on peut faire passer l'ensemble des 2 signaux 2 2 à la sortie de l'amplificateur 25 dans un seul et même amplifi cateur à gain variable,séparer ensuite les deux signaux,exploiter le premier signal S9 - S11 de manière à asservir le S9 + S11 gain et le deuxième signal S14 - , pour , après démo 2 dulation synchrone à la pulsation # , délivrer sous forme d'une tensioll continue un signal proportionnel au déplacement "xl' et indépendant maintenant du niveau d1 éclairage et de la différence d'albedo des zones de la cible. Une telle solution est parfaitement réalisable mais elle nécessite un assez grand nombre d'amplificateurs. Une première simplification consiste à adopter pour la formation du signal le circuit de la figure 4 où l'on voit qu'une sélection alternative symbolisée par les dispositifs de mise à la masse 28 et 29 sur les lignes respectivement 30 et 31 recueillant/les sorties des amplificateurs 19 et 21 permet de fournir directement à la sortie du sommateur à contre réaction 32 le signal modulé (S14 - S9) et (S14 - S11) qui est soumis ensuite à un amplificateur de gain variable 3) piloté par exemple par la différence (S9 - S11) des deux phases puis traité par un démodulateur synchrone. Mais l'invention fournit une solution beaucoup plus simple de toutes ces opérations en modulant tous les signaux à la pulsation # En effectuant comme on l'a vu l'opération S9 + S11 S9 - S11 (S14 - ) # ( ), 2 2 si tous les signaux sont modulés à la pulsation #, il faudrait en principe moduler le dernier terme à la pulsation Q , par exemple par un changement de # signe à la fréquence f = , le passage de l'une à l'autre 2# ds expressions ( 514 - S9) et (S14 - S11) se faisant à la pulsation - - la demanderesse a constaté que le choix de la pulsation Q est arbitraire par rapport à la pulsation # . On peut en particulier choisir Q = ci Ce cas particulier, pour lequel la figure 5 représente le bloc diagramme de sa réalisation, conduit à une solution particulièrement élégante sans réduire la portée du brevet, à cette forme de réalisation très élaborée. La figure 6 représente les tensions telles qu'elles apparaissent dans le bloc diagramme de la figure 5 sur les différentes lignes 41 à 49. A la sortie des amplificateurs 36, 37 et D8 les tensions représentatives de S14, S9 et S11 sont des tensions alternatives à la pulsation # , représentées en 41, 42 et 43 sur la figure 6. Les "Field-3ffect-Transistors" (FET) 59 et 40, commandés par le générateur de signaux carrés 51 à la pulsation w , mettent alternativement à la masse les signaux des lignes 42 et 103 (voir les graphiques correspondants 44 et 45). Il en résulte que la sortie de l'amplificateur 52, représentée en 46,a alternativement les valeurs (S14 - S9) et (S14 - S11) Le signal en feston 46 a une composante continue proportionnelle à Sg - S11 et une composante alternative à la pulsation 2 w, la différence de hauteur entre deux festons voisins est proportionnelle à "x". Le PET 55 commandé par l'intégrateur 54 établit pour l'amplificateur 55,comme on l'a vu précédemment en regard des figures 5 et 4,un gain variable relativement au signal de la ligne 46.La composante continue de 46 est comparée à une composante continue 47 prédéterminée fixe affichée manuellement par exemple à l'aide du potentiomètre 56. La tension d'erreur continue qui en résulte est amplifiée par l'amplificateur 55,puis intégrée par l'intégrateur 54 qui commande le PET 53 au sein de la boucle 57. Il résulte de cette boucle d'asservissement 57 que le niveau moyen de S9 - S11 est maintenu constant et que le signal alternatif à la pulsation # représentatif du signal utile "x" est tributaire de son passage dans l'amplificateur 55 à gain variable par l'intermédiaire du PET 53 et est affranchi de toute erreur due aux variations de l'éclairement ou de l'albedo des cibles. On retrouve amplifié en 48 le signal 46 centré sur zéro. Ce signal comporte encore les f@stons à la # fréquence 2f et le signal utile à la fréquence f = . 2# Ce signal à la fréquence f est extrait par le procédé classique de la démodulation synchrone. Le démodulateur synchrone 58 est également piloté par le générateur de signaux carrés 51. En 49 on trouve un signal ayant dans le cas où "x" est différent de zéro la forme indiquée en 49 et pour x = o la forme indiquée en 50 sur la figure 6. C signal comporte une composante continue proportionnelle à "x" qu'il suffit d'extraire par filtrage, au milieu de fréquences r@siduelles à 2f, 3f... etc. Cette forme de de réalisation, décrite en détail se dis- tingue en particulier par une grande économie de moyens et la précision ahsolue des mesures de déplacement atteint; le cici- quième de micron. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre purement indicatif, mais nullement limitatif et que/l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conformes à son esprit sans sortir du cadre des revendications qui suivent. En particulier, on voit sur la figure 7 le schéma de principe du fonctionnement élémentaire mis en oeuvre dans un capteur suivant l'invention, la différence des signaux émis par les cellules latérales 9 et il étant modulée en 26, le sommateur 25 recevant à l'entrée les signaux de l'amplificateur som- mateur 22 et du modulateur 26 et la boucle 57 réalisant au moyen de l'amplificateur à gain variable 55 et du séparateur 156 la sortie en 49 du signal d'écart affranchi des variations a'éclairement de la cible et le recyclage par la ligne 60 du signal modulé affecté du gain variable réinjecté par la ligne 61 après stabilisation au moyen du potentiomètre 56. REVENDICATIONS 1 - Capteur optique caractérisé en ce qu'il comprend une cible à deux albedo, une lentille convergent@, un diaphragme, un prisme tronqué à faces argentées et trois cellules photos@@sibles, l'image de de la cible au niveau du diaphragme étant ainsi répartie en trois zones, deux zones la térales impressionnant après réflexion sur le faces du prisme deux cellules latérales, une zone centrale impres- sionnant une cellule axiale/à travers l'arête tronquée du prisme, ladite zone centrale comprenant une ligne de démar- cation entre les deux albedo, tout déplacement de ladite ligne de démarcation étant alors signalé par la variation d'é@lairement de la zone captée par la cellule centrale, le signal transmis par ladite cellule centrale étant traité dans un équipement électronique, en relation avec un signal proportionnel à la différence des deux albedo résultant de la différence des signaux émis par les deux cellules latérales, de façon à fournir un signal de sortie proportionnel au déplacement dc la cible et indépendant à 3a fois des variations de l'éclairement et des variations consécutives de la différence des deux albedo. 2 - Capteur optique suivant la revendication 1, carac- # térisé en ce que les signaux des trois cellules sont transmis par trois amplificatcurs correspondants à trois lignes, 1 es deux amplificateurs correspondant aux cellules latérales inversant le signe des signaux des cellules latérales, les sianaux de ces trois lignes étant connectés à l'entrée d'un premier amplificateur sommateur à contre réaction, un second amplificateur sommateur à ccntre réaction effectuant la dif- férence de deux signaux prélevés a la sortie des deux lignes corresponda@t aux cellules latérales, la tension de sortie dudit second amplificateur sommateur étant reliée à l'entrée d'un modulateur dont la sortie est combinée avec celle du premier amplificateur sommateur dans un troisième amplificateur sommateur, le signal de sortie de ce troisième amplificateur sommateur étant traité dans un seul et moine amplificateur à gain variable commandé par la sortie du second amplificateur sommateur pour affranchir le signal caractéristique du déplacement de la cible de toute variation du signal re prQ'.entif de la différence entre les signaux émis par les deux cellules latérales. 5 - Capteur suivant la reendication 1, caractérise en ce que les signaux changés de signe émis par les deux cellules latérales sont alternativement injectés dans un amplificateur sommateur avec le signal émis par la cellule centrale, le signal pulsé à la sortie dudit amplificateur sommateur étant traité dans un seul et même amplificateur à gain variable commandé par la sortie du second amplificateur sommateur pour affranchir le signal caractéristique du déplacement de la Ci- blé de toute variation du signal représentatif de la différence entre les signaux émis par les deux cellules latérales. 4 - Capteur uivant la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux des trois cellules sont pulsés, les signaux des deux cellules latérales étant ramenés à l'échelle convenable et corrigés par un coefficient propre à la sensibilité des cellules correspondantes, par deux potentiomètres correspondants, les trois signaux étant alors collectés à l'entrée d'un premier amplificateur à contre réaction, le signal de sottie entrant ensuite dans une boucle à amplificateur à gain variable, le fonctionnement de ladite boucle étant commandé par un générateur de signaux carrés qui pilote un transistor FET sur chaque ligne des signaux en provenance des cellules latérales et un troisième transistor FET à une entrée d un démodulateur synchrone dont la sortie fournit le signal d'écart cherche. 5 - Capteur suivant 3a revendication 4, caractérisé en ce que ladite boucle cornprend un amplificateur à gain va- riable ou la composante continue de la tension de sortie dudit premier amplificateur sommateur est comparée à une composante continue prédéterminée affichée par un potentiomètre et un transistor PET commandé par un intégrateur monté en parallèle. 6 - Procédé de mesure d'un petit déplacement caractérisé en ce outil comprend les étapes suivantes : capter sépa- rément le niveau d'éclairement de deux images latérales séparées par une ligne de démarcation et d'une image centrale influencée par le déplacement d'une cible solidaire de l'objet dont on veut mesurer le déplacement, traiter une combinaison des trois signaux au moyen d'un amplificateur à gain variable, piloter l'amplificateur à gain variable au moyen de la diffé rence des deux signaux correspondant aux images latérales de façon à compenser toute variation de l'éclairement de la cible. 7 - Procédé de mesure suivant la revendication 6, permettant d'apprécier en valeur absolue à distance un écart du cinquième de micron. 8 - Procédé de mesure suivant la revendication 7, caractérisé par les étapes suivantes : moduler la différence desdits deux signaux correspondant aux images latérales, séparer ledit signal modulé à la sortie de l'amplificateur à gain variable sur une ligne de recyclage, réinfecter à tension constante le signal de ladite ligne à l'entrée de l'amplifi- cateur à gain variable.