Brevet FR2245932A1 — publié le 19750425

na présente invention concerne un dispositif de mesure automatique de distance par interférométrie. Un sait qu'un tel dispositif comprend une source e rǒnne- ment dont on divise le faisceau en un faisceau de référence réfle'c par un moyen réflecteur de référence placé à une distance connue, et un faisceau de mesure renvoyé par un réflecteur e mesure placé à l'extrémité de la distance à mesurer la plus éloignée de la source. On fait interférer les deux faisceaux réfléchis dans un détecteur qui fournit le déphasage entre ces faisceaux, d'ou lton déduit la valeur de la distance à mesurer1 connaissant la longueur d'onde du rayonnement émis par la source. Un problème fondamental posé par l'utilisation d'un tel dispositif provient du fait que la différence de marche réelle entre les deux faisceaux réfléchis est égale à un nombre entier N de longueurs d'onde augmenté d'une certaine fraction F de la longueur d'onde. Or la mesure du déphasage correspondant à une seule longueur d'onde ne fournit que la fraction F. Pour déterminer le nombre entier N on peut faire parcourir au réflecteur de mesure tout le trajet correspondant à la distance a mesurer. On conçoit qu'une telle méthode devient rapidement impraticable dès que la distance à mesurer dépasse une certaine valeur. On a également proposé d'utiliser, simultanément ou successivement, plusieurs longueurs d'onde différentes et de déterminer pour chacune d'elles la fraction F correspondante. Pour chaque longueur d'onde Ti, on obtientune relation D = (î+Fi)Li dans laquelle D est la différence de marche dont on peut directement déduire la distance inconnue. Les Fi et les xi étant onnus, on I i obtiens ainsi un système de n équations à (n+1) inconnues, si n est le nombre de longueurs d'onde utilisées. Mais les i. étant des nombres entiers, on constate qu'il n'existe qu'un nombre limité de valeurs de D vérifiant le système d'équations.Si donc on connu une valeur approximative de D, on peut déterminer la distan- ce sans ambiguité. Cependant cette méthode entratne un volume e calculs très important et suppose que l'on dispose ue plusieurs longueurs d'ondes bien connues. C'est pourquoi elle n'a jusqu'ici eé appliquée que pour déterminer des distances de 11 ordre de la dizaine de centimè- tres déjà approximativement connues. 'l'invention a notamment pour but de permettre l'application de cette dernière méthode pour déterminer de façon automatique des distances pouvan-t atteindre plusieurs centaines de mètres. Selon l'invention, le dispositif de mesure automatique de distance par interférométrie, qui comprend une source de rayonne- ment, des moyens pour diviser le rayonnement émis par la source en un premier faisceau suivant une direction de référence et un second faisceau suivant la distance à mesurer, des moyens situés à une distance connue pour réfléchir le premier faisceau et des moyens situés à la distance à mesurer pour réfléchir le second faisceau, et un détecteur agencé pour recevoir les deux faisceaux réfléchis et mesurer le déphasage entre ces faisceaux, est caractérisé en ce que la source est agencée pour émettre plusieurs rayonnements de longueurs d'onde différentes et déterminées, et en ce que le dispositif comprend des moyens pour sélectionner successivement chacune de ces longueurs d'onde, des moyens automatiques de calcul pour déterminer la distance à mesurer à partir des déphasages correspondant aux différentes longueurs d'onde, et un programmeur pour contrôler automatiquement les moyens de sélection de fréquence et les moyens de calcul. La mesure est ainsi rendue entièrement automatique et permet de déterminer rapidement des distances importantes. Selon une réalisation préférée, ia source de rayonnement est du genre laser et peut comporter soit un laser moléculaire capable d'émettre une lumière cohérente à plusieurs longueurs d'onde, soit plusieurs lasers capables d'émettre chacun un rayonnement pratiquement monochromaticue. La sélection de fréquence peut se faire soit à l'émission en agissant directement sur la source de rayonnement, soit à la réception en amont du détecteur. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'emenDles non limitatifs, on a représenté plusieurs réalisations de l'invention. La figure 1 est un schéma général d'un dispositif conforme à l'invention. 'la figure 2 est un schéma d'une première réalisation d'un dispositif conforme à la figure 1. ba figure 3 est un schéma d'une seconde réalisation d'un dispositif conforme à la figure 1. La figure 4 est-un schéma d'une troisième réalisation d'un dispositif conforme à la figure 1. la figure 5 est un schéma partiel d'une variante du schéma général de la figure 1. La figure 6 est un schéma partiel d'une variante de la seconde réalisation de la figure 3. Le dispositif schématisé d'une façon générale à la figure 1 comprend une source de rayonnement 1 qui est de préférence constituée soit par un laser unique du type moléculaire, capable d'émettre simultanément ou tour à tour des rayonnements de plusieurs longueurs d'onde différentes, soit par une série de lasers émettant chacun un rayonnement pratiquement mono chromatique, les longueurs d'onde émises par chacun de ces lasers étant différentes entre elles. Une optique d'adaptation 2, en elle-meme connue et qu'il n'est pas besoin de décrire, réduit la divergence du faisceau émis par la source i. Be faisceau 3 émergeant de l'optique 2 est dirigé sur une lame semi-transparente 4 qui divise ce faisceau 3 en deux parties. Une première nastie qu'on désignera dans la suite par "faisceau de référence" 5 est réfléchie par la lame 4 et dirigée vers un réflecteur 6 placé à une distance connue, ou distance de référence, de la lame 4. Une seconde partie 7 du faisceaux 3 traverse sans déviation la lame 4 et est dirigée vers un second réflecteur 8 placé à l'extrémité de .a distance à mesurer, l'autre extrémité de cette distance coïncidant avec l'image du réflecteur 6 dans la larme 4 Ce second faisceau 7 sera dans la suite appelé faisceau de metre" il est entendu que les rtles de 5,6 et 7,8 peuvent autre inverses. Le réflecteur 8 peut être rendu solidaire d'un élément dont on veut déterminer la distance, au moyen d'lm palpeur mécanique ou tout système équivalent optique ou électrique. Les faisceaux de référence 5 et de mesure 7, réfléchis respectivement en 6 et 8 sont l'un transmis directement, l'autre réfléchi par la lame semi-transparente 4. 'les deux faisceaux émergents de cette lame sont désignés à la figure 1 par les repères 9 et il et sont reçus sur un détecteur ou une paire de détecteurs 12. A nartir du ou des signaux de sortie de ce ou ces détecteurs, des circuits 12a élaborent, de façon en ellemeAme connu le déphasage entre les faisceaux 9 et 11. Comme on l'a dit plus haut, ce déphasage n'est connu qu'à 2 kh'près, et le signal issu de 12a correspond en réalité à la partie fractionnaire, désignée plus haut par F, de la différence de marche entre les faisceaux 5 et 7. On notera qu'à la figure 1, ainsi qu'aux figures suivantes, les faisceaux de rayonnement sont représentés par des traits forts, pour les distinguer des liaisons électriques ou mécaniques qui sont figurées en traits fins. Selon une variante représentée à la figure 5, le trajet de référence 5 peut avoir une partie commune avec le trajet de mesure 7. Le réflecteur 6 est alors semi-transparent. L mention prévoit en outre un sélecteur de fréquence. Ce dernier peut agir directement sur la source 1, comme représenté par le broc 13, de façon à faire émettre successivement par cette source chacun des longueurs d'ondes qu'elle est capable d'émettre On peut aussi laisser la source 1 émettre simultanément plusieurs longueurs d'onde différentes et disposer le sélecteur de fréquence, comme représenté par le bloc 17a en pointillé, pour choisir successivement une longueur d'onde ermine dans Te faisceau 3 ou le disposer en 1fb pour choisir une longueur d'onde détermine dans les faisceaux 9 et il et rendre le détecteur 2 sensible uniquement à cette longueur d'onde. D'autre part le signal de sortie du détecteur 12 est transmis à un organe de calcul automatique 14 en lui-meme connu agencé pour trouver les solutions du système d'équations défini plus haut entre la différence de marche, les parties entière et fractionnaire du nombre de longueurs d'onde et la valeur de cette longueur d'onde. Une valeur approchée de la distance à mesurer peut être introduite au préalable dans le calculateur 14, ce qui, comme on le sait, réduit considérablement le volume de calculs et diminue la probabilité de trouver une solution fausse. Cette dernière probabilité est fonction du nombre et de la combinaison de longueurs d'onde différentes utilisées et de l'erreur admise pour la mesure de F . Des méthodes mathématiques connues permettent, pour une probabilité déterminée de trouver une fausse solution, de déterminer le nombre minimal et 12 combinaison optimale de longueurs d'onde à utiliser. La calculateur 14 peut encore comporter 'un système avertisseur pour signaler que plusieurs valeurs de la différence de marche D satisfont les équations, indiquant ainsi que la précision de la mesure est insuffisante et qu'il faut utiliser une autre combinaison ou davantage de longueurs d'onde. Un programmeur 15 est relié d'une part au sélecteur de fréquences 13 ou 13a ou 13b de façon à lui transmettre la valeur de la longueur d'onde à choisir à chacune des étapes successives du processus. Ce programmeur 15 est d'autre part relié au calculateur 14 par une première liaison 16, pour transmettre la valeur ou le numéro d'identification de la longueur d'onde sélectionnée, et par une deuxième liaison 17 pour donner ordre au calculateur de faire passer lesrésultats-du calcul dans un organe d'affichage 18. La détermination de la distance est ainsi rendue entièrement automatique et très rapide. Dens la première variante de réalisation représentée à la figure 2, le sélecteur de fréquences î a:ft sur l'émission de la cÜrce 1 Cette dernière comprend un laser moléculaire 1, dont le milieu amplificateur 21 est du gaz carbonique CO2, susceptible d'émettre un rayonnement infra-rouge cohérent à diverses longueurs d'onde, correspondant à des transitions entre divers niveaux de vibration-rotation de la molécule de gaz carbonique. Ce laser peut être stabilisé en amplitude et en fréquence sur une longueur d'onde donnée par plusieurs procédés en eux-mame connus. Le passage d'une longueur d'onde à autre se fait grtee à un élément dispersif 22,placé à l'intérieur de la cavité laser selon une technique en elle-mame connue. Cet élément peut par exemple titre un réseau comme il est représenté en 22 ou un prisme, l'un ou l'autre étant commandés en rotation, ou un ensemble de deux ou trois lames partiellement ou totalement réfléchissantes formant un interféromètre dont on commande les dimensions. Dans tous les cas l'organe dispersif est commandé par un dispositif 24 contrblé par le programmeur 15. La réalisation de la figure 2 comporte en outre un système asservi pour faire varier la longueur du trajet de référence de façon à maintenir pratiquement nulle la valeur du déphasage entre les deux faisceaux réfléchis de référence 9 et de mesure 11. A cet effet le réflecteur de référence, constitué par exemple par un prisme du type "coin de eube", est variable en position grâce à un dispositif 25 qui reçoit du détecteur 12 un signal représentant le déphasage et envoie au réflerteur 6 un signal de commande de façon à ramener à zéro la valeur de ce déphasage. Ce signal de commande, qui est représentatif de la position du réflecteur de référence, et donc de P, est envoyé au calculateur 14. Dans la réalisation représentée à la figure 3, la source de rayonnement 1 et le sélecteur de fréquences 13 sont analogues à ceux représentés à la figure 2. Le réflecteur 6 de référence, contrairement au cas précédent, peut être fixe. Selon une méthode connue, sur les trajets des faisceaux 5,9 de référence et 7,11 de mesure sont intercalés des dispositifs capable de séparer le champ de l'interféromètre en deux parties homologues, chacune comportant un faisceau de mesure et un faisceau de référence. En outre, un décalage est intoduit dans l' un des faisceaux de façon à ce que les systèmes d'interférences apparaissant dans les aeus parties du champ soient décalés l'wl par rapport à l'autre. Ces deux systèmes sont alors détectés séparément. Les dispositifs de séparation peuvent être soit une simple lame retardatrice interposée sur une partie de la section d'un des faisceaux, soit, si l'on souhaite une plus grande séparation des champs, des éléments 26 et 26a comme il est représenté figure 3, qui divisent les faisceaux 9 et Il en deux faisceaux 27 et 28 d'une part, et 27a et 28a d'autre part. Dans cet exemple, une lame à faces parallèls 34 est intercalée dans l'un des faisceaux pour introduire un écart déterminé entre les dif férences de marche correspondant respectivement aux trajets 27 et 27a ou 28 et 28a. Un réflecteur 29 dirige les deux faisceaux 27 et 27a sur un premier détecteur 31 et les deux faisceaux 28 et 28a sur un second détecteur 32. Le détecteur 31 transmet à un organe de calcul 33, en lui mdme connu, un signal proportionnel à cos a, a étant le déphasage entre les faisceaux directs de référence et de mesure. D'autre part le second détecteur 32 transmet à l'organe 33 un signal proportionnel à cos(a+a1) dans lequel a1 est le déphasage connu introduit par les éléments tels que 26, 25a et 34. La combinaison de ces deux signaux permet de déterminer a sans ambiguité, alors que le seul signal proportionnel à cos a laisse subsister une indétermination. La sortie de l'élément 33, qui représente le déphasage assest est transmise au calculateur 14. On peut aussi, comme représenté à la figure 6, dédoubler le faisceau 3 en amont de la lame semi-transparente 4. Dans a troisième variante de réalisation représentée à la figure 4, la source de rayonnement comprend une série de lasers 41 stabilisés chacun sur une longueur d'onde déterminée et différente d'un laser à l'autre, ou un laser unique émettant plusieurs longueurs d'onde. Une optique d'adaptation 42 comportant par exemple Ces miroirs dicnrolques mélange les rayonnements de tous ces lasers en un faisceau 3 qui est, comme précédemment, divisé en un faisceau de référence et un faisceau de mesure. Dans cette réalisation le sélecteur de fréquences 13b peut être disposé sur le trajet des deux faisceaux réfléchis 9 et 11 en amont du détecteur 12.- Ce sélecteur est semblable à celui qui a été décrit en référence à la figure 2 et comprend par exemple un élément dispersif 22 dont la position est commandée par un mécanisme 24 contrôlé par le programmeur 15, Cette réalisation comprend également un système asservi pour faire varier la position du réflecteur de référence 6, comme on 1'a décrit en référence à Ta figure 2. Le dispositif qui vient d'entre décrit permet de mesurer avec précision une distance importante de façon entièrement automatique et rapide. En combinant trois dispositifs semblables, on peut localiser un point dans l'espace à trois dimensions. Dans ce but, on dispose un trièdre réflecteur trirectangle dont le sommet coincide avec le point en question, les faces constituant le réflec teur de mesure commun a trois dispositifs semblables à celui qui vient d'hêtre décrit. Les trois trajets de mesure aboutissent bien entendu à trois points dont la position est connue avec précision. On peut utiliser une source de rayonnement unique qui alimente simultanément ou successivement les trois dispositifs de mesure de distance. Le trajet de référence peut castre commun aux trois dispositifs ainsi que le détecteur et les organes de calcul. Ces derniers peuvent etre agencés pour déterminer 'es coordonnées du réflecteur de mesure dans tout repère solidaire des trois points qui terminent les trois trajets de mesure. Corne pour le cas de la mesure de distance, le trièdre réflecteur peut être solidaire, au moyen d'un palpeur mécanique ou tout système équivalent, dtun élément dont on veut déterminer la position. Bien entendu l'invention n' est pas limitée aux réalisations qui viennent d'être décrites et on peut apporter à cTles-ci de nombreuses variantes d'ecution sans sortir du domaine de l'invention. Par exemple au lieu de faire varier la position du réflecteur de référence, on peut intercaler sur le trajet de mesure ou de référence des lames transparentes d'épaisseurs convenables, cette opération étant déclenchée automatiquement par le programmeur. Dans le cas où la source émet simultanément plusieurs longueurs d'onde différentes, on peut aussi utiliser autant de détecteurs que de longueurs d'onde en disposant devant chaque détecteur un filtre ne laissant passer qu'une seule longueur d'onde. Dans ce dernier cas, lamesure peut se faire simultanement pour toutes les longueurs d'onde. REVENDICATIONS Di spo;it if de mesure automatiue de distance absolue par intetéro-jiètrie, cette distance pouvant être supérieure à un multiple entier quelconque d'une longueur d'onde lumineuse, comre- nant une source de rayonnement, des moyens pour diviser le rayon nement émis par la source en un premier faisceau suivant une dire- tion de référence et un second faisceau suivant la distance mesurer, des moyens situés à une distance connue pour réfléchir le premier faisceau et des moyens situés à la distance à mesurer pour réfléchir le second faisceau, et un détecteur agencé pour recevoir les deux faisceaux réfléchis et mesurer le déphasage entre ces faisceaux, caractérisé en ce ql;e la source est agencée pour émettre plusieurs rayonnements de longueurs d'onde difîéren- tes et déterminées suivant un faisceau défini géométriquement de façon unique, et en ce que le dispositif comprend des moyens pour sélectionner successivement chacune de ces longueurs d'onde, des moyens automatiques de calcul pour déterminer la distance absolue à mesurer à partir des déphasages correspondant aux différentes longueurs d1onde, et un programmateur pour contrôler automabique- ment les moyens de sélection de fréquence et les moyens de calcul, 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement est un laser moléculaire. 3. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la source comprend plusieurs lasers, chacun de ceux-ci émettant un rayonnement de longueur d'onde déterninée. 40 Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de sélection de fréquence sont agencés pour agir sur la source de rayonnement, des façon à lui faire émettre un rayonnement sensiblement monochromatique. 50 Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de sélection de fréquence sont disposés sur le trajet du faisceau émis par la source, en amont des moyens pour diviser ce faisceau 6o Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de sélection de fréquence sont disposés sur le trajet des faisceaux réfléchis en amont du détecteur. ,c Dlsrositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour diviser en deux -arties chacun des faisceaux de référence et de mesure, de façon à former deux paires de faisceaux comprenant chacune un faisceau de référence et un faisceau de mesure, des moyens pour introduire entre les faisceaux ae chaque faire une différence de marche déterminée, deux systèmes de détection, des moyens pour envoyer chacune de ces paires de faisceaux sur un détecteur distinct, et des moyens pour transmettre aux moyens automatiques de calcul les déphasages déterminés par chacun des deux détecteurs0 8.Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est associé à au moins deux dispositifs semblables, le trajet de mesure de chacun de ces dispositifs passant d'une part par un point de position connue et autre part par un point P coïncidant avec le sommet d'un polyèdre réfléchissant et dont on veut déterminer la position, et en ce que les points de position connue sont situés aux sommets d'un polygone non dégénéré. 9o Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de calcul automatique recevant les valeurs des distances mesurées par chacun des dispositifs associés et agencé pour déterminer les coordonnées du point P dans un système de référence lié aux points de position connue, 10. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour introdui- re dans les moyens automatiques de calcul une valeur approchée de la distance a mesurer. 11. Dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour introduire dans l'organe de calcul des valeurs approches des coordonnées du joint PO