Brevet FR2224733A1 — publié le 19741031

La présente invention concerne un dispositif optique pour le contrôle de la disposition d'un objet par rapport à un axe de référence, du type comportant un laser1 un premier objectif recevant le faisceau de lumière émis par le laser, un diaphragme placé sur le trajet du faisceau issu du premier objectif, un deuxième objectif qui présente une distance focale supérieure à celle du premier objectif et qui reçoit le faisceau issu du diaphragme, ce dernier étant situé au foyer objet du deuxième objectif, et des moyens de contrôle d'alignement ou d'orientation recevant le faisceau issu du deuxième objectif. Dans de tels dispositifs, on utilise avantageusement un laser du type à gaz qui est généralement bon marché ; un tel laser comporte un tube émetteur généralement en verre. Généralement, dans les dispositifs optiques de contrôle du type susmentionné, le diaphragme est désigné sous le nom de filtre spatial ; i3. est placé au foyer commun des objectifs et il a pour but de laisser passer le faisceau laser focalisé en son centre et d'interceptor la lumière parasite de toute nature. A cet effet, le diamètre de l'ouverture du diaphragme est au moins égal au diamètre effectif de la section du faisceau à l'endroit old ce dernier traverse le diaphragme.On entend par diamètre effectif d'un faisceau laser, le double du diamètre de la section dudit faisceau à l'intErieur de laquelle l'intensité est ) à lutins tensité maximale divisée Dar "e2", "e" étant la base des logarithmes népériens (e ~ 2,7) le défaut primordial de tous les dispositifs optiques de contrôle d'alignement connus, qu'ils soient à filtre spatial ou sans, réside dans le fait que le faisceau sortant directement du laser est utilisé comme axe de référence.Or, tous les tubes lasers se déforment par suite des variations de température dues, soit au milieu extériettr, soit au chauffage du tube laser. I1 en résulte une variation e la direction d'émission du faisceau qui limite la précision des mesures. Des moyens compliqués tels que régulation de température ct l'intérieur du tube sont parfois utilisés. Outre leur cotit éleva ils présentent l'inconvénient de ne pouvoir être utilisés immédiatenent après l'allumage puisqu'il faut attendre la stabilisation de l'ensemble. L'invention remédie à cet inconvénient et a notamment pour but de réaliser un dispositif permettant d'effectuer un con truble de l'alignement, avec une précision meilleure que 0,2 mm par 100 m, ou de l'orientation, avec une précision meilleure que 0,30 seconde d'arc par 100 m, de pièces mécaniques ou d'ensembles mécaniques, bâtiments ouvrages d'art, etc... situés jusqu'à des distances pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres, quelque soit le type de laser utilisé Pour un dispositif optique de contrôle du type susmen tonné, ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que le diamètre de l'ouverture du diaphragme est inférieur au diamètre effectif de la section qui présente, à l'endroit dudit diaphragme, le faisceau issu du premier objectif, ledit diaphragme étant disposé par rapport audit faisceau de telle sorte que son ouverture soit entièrement recouverte par ladite section du faisceau. Ainsi, dans ce nouveau dispositif, c'est le diaphragme, et non le tube laser, qui constitue, en coopération avec le deuxième objectif, l'axe de référence d'alignement ou d'orientation. En effet, au prix d'une légère perte de flux lumineux, le diaphragme devient maintenant source de lumière puisqu'il intercepte dans son ouverture, une zone centrale d'intensité non négligeable du faisceau. Le diaphragme constitue donc maintenant la référence d'alignement qui ne dépend plus que de la stabilité mécanique de l'ensemble. On s'affranchit ainsi des déformations du tube laser. Par ailleurs, le diaphragme diffracte le faisceau laser et provoque une série d'anneaux alternativement noirs et brillants. Lorsque son diamètre et sa position sont correctement choisis, on peut obtenir en aval du deuxième objectif des anneaux noirs extrêmement fins et d'excellent contraste. (Les anneaux noirs sont beaucoup plus étroits que les anneaux brillants) . De plus, le diamètrede ces anneaux évolue très peu en fonction de la distance puisque le faisceau sortant du deuxième objectif est encore moins divergent que le faisceau déjà pratiquement parallèle issu du laser. On peut alors se centrer par exemple à l'aide d'une mire sur ces anneaux avec une très grande précision. Vautres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de deux exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif optique de contrôle d'alignement selon un mode de réalisation ; et - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif optique de contrôle d'orientation selon un mode de réalisation. Les figures 1 et 2 représentent un dispositif optique pour le contrôle de la disposition d'un objet par rapport à un axe de référence, du type-comportant un laser 1, la, un premier objectif 2 recevant le faisceau de lumière émis par le laser 1, la un diaphragme 3 placé sur le trajet du faisceau issu du premier objectif 2, un deuxième objectif 4 qui présente une distance focale supérieure & celle du premier objectif 2 et qui reçoit le faisceau issu du diaphragme 3, ce dernier étant situé au foyer objet du deuxième objectif 4, et des moyens de contrôle d'alignement ou d'orientation recevant le faisceau issu du deuxième objectif 4. La figure 1 représente un système d'alignement simple. La source est constituée par un tube laser He-Ne 1 qui émet un faisceau de lumière dont les caractéristiques moyennes sont les suivantes - Diamètre de départ : 1 mm à l/e2 2 - Divergence : 1 mrd a 1/e - Puissance : 1 mwatt Cependant, le système est utilisable avec n'importe quel laser existant ou à paraître. te tube laser 1 est monté dans un tube cylindrique la, et réglé en atelier de façon que le faisceau soit centré et parallèle à l'axe lb du tube cylindrique la, qui constitue alors une référence mécanique de centrage et d'orientation. La source lumineuse 1, la pourra ainsi être interchangée aisément en cas de panne sans déréglage de l'appareil. Le laser est alimenté, soit en tension secteur 110 V ou 220 V, soit sur batteries 12 V et peut être ainsi utilisé aussi bien en intérieur qu'en extérieur. Le laser est suivi'd'un collimateur composé de deux objectifs 2 et 4 qui agrandissent le diamètre du faisceau laser et en réduisent sa divergence. Par exemple, un rapport 25 dans les focales des objectifs 2 et 4 donne un faisceau de caractéristiques suivantes - Diamètre : 25 mm à 1/e2 2 - Divergence : 1/25 mrd à 1/e Ce système permet d'obtenir un faisceau lumineux dont le diamètre ne varie pas de plus de 4 mm sur 100 mètres. Un système optique déviateur de faisceau 5, généralement appelé diasporamètre, permet de changer à volonté l'orientation du faisceau laser. Ce dispositif est, par exemple, du type constitué par deux prismes triangulaires de même angle au sommet, juxtaposés et montés tous deux rotatifs autour d'un même axe coïncidant avec l'axe du faisceau incident à dévier. Entre les objectifs 2 et 4, on interpose un diaphragme 3 muni d'une ouverture circulaire de petit diamètre. Conformément à l'invention, le diamètre de l'ouverture du diaphragme 3 est inférieur au diamètre effectif de la section que présente, à l'endroit dudit diaphragme 3, le faisceau issu du premier objet tif 2, ledit diaphragme 3 étant disposé par rapport audit faisceau de telle sorte que son ouverture soit entièrement recouverte par ladite section du faisceau. Ainsi, c'est le diaphragme 3 qui constitue, en coopération avec le deuxième objectif 4, l'axe de référence d'alignement 20. On peut utiliser divers moyens de contrôle d'alignement - des moyens du type visuel permettant d'obtenir l'alignement par colncidence d'une mire 6 constituée d'anneaux concentriques déposés sur un dépoli fin - des moyens du type photo-électrique constitués par une cellule photo-électrique simple ou complexe, ou par une matrice de photodiodes - des moyens du type télévision comportant une caméra de télévision et un moniteur. Lorsque le récepteur est du type photo-électrique, la source laser peut être modulée en intensité en fonction du temps et le récepteur peut être muni d'un filtre passe bande de façon à diminuer, d'une part, les signaux parasites dus à des sources lumineuses autres que le laser (ce qui peut d'ailleurs être évité par un filtre interférentiel optique) et, d'autre part, l'influence des perturbations atmosphériques. On peut également placer devant le détecteur, qu'il soit du type photo-électrique ou télévision, un atténuateur de lumière constitué par deux polariseurs permettant de n'utiliser que le sommet du pic central par ajustage du seuil de luminosité. La figure 2 représente un système d'alignement et d'orientation. Le système d'alignement et d'orientation est identique au système d'alignement simple de la figure 1 dans sa partie émission, et peut être utilisé de la même façon. Dans le cas d'orientation de pièces ou d'ensembles perpendiculairement au faisceau ou dans le cas de mesure de petits angles, la mire 6 (ou le détecteur ou le tube vidicon) décrite plus haut, est remplacée par un miroir 7 qui réfléchit le faisceau laser vers l'émetteur. Le faisceau de retour pénètre par 4 et est réflechi par une lame semi-transparente 8 de façon à le dissocier de l'émission. I1 est repris par l'objectif 9 qui amplifie les écarts d'orientation de la normale du miroir 7 par rapport à l'axe de référence 20. L'objectif 9 forme du faisceau de retour, une image finale sur des moyens de détection 14. Les variations de position de cette image traduisent des écarts d'orientation du miroir 7 par rapport à l'axe 20 du faisceau. Etant donné que le faisceau émis par l'appaadl est très peu divergent, une grande part de l'énergie émise parvient jusqu'aux moyens de détection 14 qui peuvent ainsi être d'une grande simplicité et il est possible d'orienter des pièces mécaniques situées à plusieurs centaines de mètres avec une très grande précision. Les moyens de détection 14 peuvent être constitués par une simple photodiode, une matrice de photodiodes, des détecteurs quadrant, etc.... Un filtre interférentiel 10 réglé sur la longueur d'onde de l'émission du laser élimine les sources de lumière parasite. Deux polariseurs Il et 12 constituent un atténuateur permettant d'ajuster l'intensité du faisceau parvenant au détecteur 14. L'attenuateur ll, 12 permet surtout l'élimination des anneaux successifs pour ne conserver que le pic central sur lequel une mesure de grande précision peut outre effectuée. Les signaux délivrés par le détecteur sont amplifiés et envoyés par cible 15 à des moyens de mesure et de visualisation 16. Un des avantages du système d'orientation à laser réside dans la possibilité de placer le système de mesure et de visuali eation B prasde l'opFrateur qui effectue les réglages sur 7. Ainsi, une seule personne est nécessaire à l'expérience. La visualisation est effectuée par divers moyens 16 - Voyants lumineux, - Affichage par galvanomètre, - Tubes lumineux, - Diodes électroluminescentes, - Cristaux liquides. Le dispositif représenté sur la figure 2 peut également être utilisé en surveillance ou asservissement. Les signaux donnés par les moyens 14 peuvent entre envoyés dans un calculateur. Une channe d'asservissement impose à l'ensemble mécanique, dont le miroir 7 est solidaire, de conserver une orientation fixe par rapport à l'axe de référence 20. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de détection 14 sont constitués par une caméra électronique type caméra de télévision. Un objectif 20 forme d*une mire 21 éclairée par une lamss We 22 une image sur la caméra 14 a travers une lame semi-transpa rente 17. Les moyens de visualisation 16 sont alors constitués par un moniteur ou poste récepteur de télévision-. Sur le moniteur 16-apparaissent simultanément l'image de la mire 21 et un point lumineux dont la position traduit l'orientation du miroir 7. Cette façon de procéder permet de s'affranchir des défauts de linéarité de dérive ou fluctuation de la caméra 14 et du moniteur 16. La stabilité de l'ensemble des images ne dépend donc que de la stabilité mécanique des différents organes du dispositif d'alignement et d'orientation. Une caméra et un moniteur bon marché peuvent être employés sans nuire à la précision de la mesure. Le moniteur 16, comme dans le cas précédent, peut être placé à côté de l'opérateur, c'est-à-dire, près du miroir 7. La mire 21 peut être étalonnée en valeurs d'angle et constitue alors un instrument de mesure. Le miroir 7 peut permettre d'effectuer simultanément les réglages d'alignement et d'orientation. A cet effet, la face avant du miroir 7 est partiellement réfléchissante tandis que sur sa face arrière dépolie est déposée la mire de centrage. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, l'ouverture du diaphragme 3 peut présenter une autre forme, notamment la forme d'une croix. Bien entendu, le repère d'alignement de la mire 6 présentera dans ce cas, également la forme d'une croix. REVENDICATIONS 1) Dispositif optique pour le contrôle de la disposition d'un objet par rapport à un axe de référence, du type comportant un laser, un premier objectif recevant le faisceau de lumière émis par le laser, un diaphragme placé sur le trajet du faisceau issu du premier objectif, un deuxième objectif qui présente une distance focale supérieure à celle du premier objectif et qui reçoit le faisceau issu du diaphragme, ce dernier étant situé au foyer objet du deuxième objectif, et des moyens de contrôle d'alignement ou d'orientation recevant le faisceau issu du deuxième objectif, ca caractérisé en ce que le diamètre de l'ouverture du diaphragme est inférieur au diamètre effectif de la section que présente, à l'endroit dudit diaphragme, le faisceau issu du premier objectif, ledit diaphragme étant disposé par rapport audit faisceau de telle sorte que son ouverture soit entièrement recouverte par ladite section du faisceau. 2) Dispositif optique, selon la revendication l, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comprennent une mire de contrôle d'alignement présentant un repère d'alignement constitué par au moins un anneau. 3) Dispositif optique, selon la revendication 1, carac t8riséen ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens de détection de la lumière reliés à des moyens de visualisation, un atténuateur étant interposé en amont desdits moyens de détection sur le trajet du faisceau provenant du deuxième objectif. 4) Dispositif optique, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comprennent un miroir plan de contrôle d'orientation qui est placé sur le trajet du faisceau issu du deuxième objectif et qui est susceptible de réfléchir ledit faisceau vers ledit deuxième objectif, une lame semi-transparente étant disposée entre le diaphragme et le deuxième objectif et orientée de manière à pouvoir renvoyer une partie du faisceau de retour réfléchi par ledit miroir de contrôle et focalisé par le deuxième objectif, vers des moyens de détection de la lumière qui sont placés en dehors du trajet du faisceau allant du diaphragme vers le deuxième objectif et qui sont reliés à des moyens de visualisation. 5) Dispositif optique, selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les moyens de détection sont constitués par une caméra de télévision et les moyens de visualisation sont constitués par un poste récepteur de télévision. 6) Dispositif optique, selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que sur la caméra de télévision constituant les moyens de détection se forme, d'une part, une image obtenue à partir du faisceau de retour réfléchi par le miroir de contrôle, focalisé par le deuxième objectif et refocalisé par un troisième objectif agrandisseur et, d'autre part, une image d'un repère de centrage fixe, ces deux images étant superposées au niveau de la caméra. 7) Dispositif optique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est du type à gaz et comporte un tube émetteur monté à demeure dans un tube de support, le montage dudit tube émetteur dans le tube de support étant tel que l'axe dudit tube de support coricide avec celui du faisceau émis par le tube émetteur.