Brevet FR2274023A1 — publié le 19760102

La présente invention concerne un procédé et un dispositif optique de mesure de déplacements-qui utilise l'interférence de rayons diffractés par un réseau. I1 existe des systèmes de mesure utilisant des réseaux de diffraction dans lesquels on fait interférer des faisceaux diffractés d'ordre O et 1 ou -1 et O par exemple. Ces systèmes présentent l'inconvénient de nécessiter une double diffraction à travers le réseau et ne peuvent fonctionner qu'avec une lumiere monochromatique et des faisceaux lumineux homogènes ce qui est extremement difficile réaliser. I1 existe d'autres systèmes de mesure de positionnement par diffraction, toutefois pour obtenir une bonne résolution il est nécessaire de faire interférer entre-eux des faisceaux diffractés d'ordre +n et-n élevés, par exemple ) 3, pour disposer d'une fréquence suffisante. Toutefois ces faisceaux diffractés d'ordre élevés ne contiennent que peu d'énergie, de sorte que l'on est conduit à adopter une géométrie particulière du réseau pour renforcer sélectivement 11 énergie contenue dans les faisceaux utilisés. Ceci conduit à la réalisation de réseaux très compliqués et de pas relativement grand. Enfin les dispositifs connus nécessitent l'utilisation d'une source de lumière monochromatique, tel un laser. En effet avec les ordres de diffraction élevés la dispersion de la lumière blanche devient trop- grande. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif de mesure de position par diffraction utilisant une source de lumière blanche, doncusximple et peu onéreux, ainsi qu'un réseau facile à réaliser ne nécessitant aucune géométrie particulière. Le procédé de mesure des déplacements relatifs entre deux organes mécaniques,dont l'un porte un réseau de diffraction selon la présente invention,se distingue par le fait qu'on projette sur ce réseau de diffraction, à partir d'une source lumineuse portée par l'autre organe mécanique, deux faisceaux incidents cohérents, symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à celui du réseau ; qu'on recombine, symétriquement par rapport à ce plan perpendiculaire, au moins un faisceau de diffraction d'ordre + n d'un des des faisceaux incidents avec au moins un faisceau de diffraction d'ordre -n de l'autre faisceau incident pour les faire interférer entre eux deux à deux, et qu'on détecte la modulation ainsi obtenue dans au moins un de ces faisceaux recombinés qui donne une mesure des déplacementsrelatifs des deux organes mécaniques. La présente invention à également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit comprenant un réseau de diffraction porté par un organe mécanique, qui se distingue par le fait qutil comporte une source lumineuse portée par l'autre organe mécanique, des moyens pour projetter sur ce réseau deux faisceaux incidents cohérents provenant de cette source, symétrique par rapport à un plan perpendiculaire au réseau ; des moyens pour recombiner, symétriquement par rapport au plan perpendiculaire, au moins un faisceau de diffraction d'ordre +n d'un des faisceaux incidents avec au moins un faisceau de diffraction d'ordre -n de l'autre faisceau incident pour les faire interferer entre eux deux à deux ; et des moyens de détection de la modulation ainsi obtenue dans au moins un des faisceaux recombinés. Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple d'une part le principe de la présente invention et d'autre part un mode d'application de celle-ci. La figure 1 illustre comment on recombine à l'aide d'un prisme de Posters les faisceaux diffractés d'ordre + n et - n entre eux. La figure 2 est un schéma électro-optique d'une réalisation du dispositif. La figure 3 illustre les signaux déiivrés par le dispositif. La figure 4 est un schéma d'une variante de fonctionnement du dispositif. Le présent procédé de mesure se distingue par le fait qu'on fait interférer deux à deux entre eux des faisceaux diffractés d'ordre +n et -n provenant de deux faisceaux incidents différents. Ces faisceaux incidents sont issus d'une meme source lumineuse,et sont cohérents entre eux et symétriques par rapport à un plan perpendiculaire au plan du réseau de diffraction. Si en outre on s'arrange pour que les faisceux incidents et réfléchis subissent le meme nombre de réflexions, il est alors possible de travailler en lumière non monochromatique, par exemple en lumière blanche ce qu'aucun des systèmes connus à ce-jour ne permet. Dans le schéma du dispositif de l'invention représenté sur la figure 1, deux faisceaux incidents 21 et 22 issus d'une même source 20 et cohérents entre eux, symétriques par rapport à la normale au réseau 31, convergent sur celui-ci. Les deux faisceaux 21 et 22 créent respectivement après diffraction les faisceaux 23 et 24, d'ordre -1, et les faisceaux 25 et 26, d'ordre +1. Les faisceaux diffractés d'ordre supérieur existent mais ne sont pas représentés sur la figure 1. L'un des objets de la présente invention est de faire fonctionner le dispositif en lumière blanche et par conséquent, de fournir des moyens pour faire interférer les spectres de diffraction des faisceaux d'ordre -1 et d'ordre +1, de telle sorte que l'interférence ait lieu pour toute les longueurs d'onde. Ce problème est résolu par exemple par l'utilisation du prisme de Kosters 18. Les deux faisceaux 24 et 25, respectivement 23 et 26, atteignent le prisme 18, se recombinent sur la face semi réfléchissante 19 et quittent le prisme symétriquement sous forme de faisceaux recombinés 27 et 28, respectivement 29 et 30. Pour que l'interférence soit complète sur l'un des faisceaux recombinés par exemple 27, il faut que la différence du nombre de réflexion du faisceau incident 21 du faisceau diffracté 25, par apport au nombre de réflexion du faisceau incident 22 et du faisceau dif fracté 24 soit égale à zéro ou à sun nombre pair. On crée les faisceaux 21 et 22 à partir d'un faisceau unique 20 par décomposition à l'aide d'un prisme de Kösters,afin qu'ils subissent un nombre de réflexions différent de un. Le prisme de Kosters est utilisé également pour faire interférer les faisceaux diffractés. Le dispositif de la figure 1 montre les interférences des faisceaux diffracté d'ordre +1 et, mais il est entendu que le système fonctionne de la même façon avec les rayons diffractés d'ordre supérieurs en les faisant interférer deux à deux. L'interférence obtenue sur les faisceaux 27, 28, 29, et 30 dépend seulement de la position du réseau par rapport aux fais ceaux incidents. En effet chaque faisceau diffracté est affecté d'un déphasage # =2 # n x d n = numéro de l'ordre x = déplacement du réseau d = pas du réseau Si l'on fait interférer un faisceau d'ordre +1 et un faisceau d'ordre -1, le déphasage relatif #r = #+ 1 - # -1 = 2 # x/d - (-2 # x/d ) = 4 # x/d montre que l'interférence décrit deux périodes complètes lorsque le réseau est déplacé d'un pas. Si l'on fait interférer un faisceau d'ordre +2 et un faisceau d'ordre -2, le déphasage relatif tu = montre que l'interférence décrit quatre périodes complètes lorsque le réseau est déplacé d'un pas ; et ainsi de suite. Le dispositif de la figure 1 fonctionne en lumière blanche, mais il est entendu que lton peut éclairer le système en lumière mono chromatique et cohérente sans rien changer à son fonctionne ment La réalisation préférée de l'invention est représentée sur la figure 2. L'image du filament d'une lampe 1 est focalisée par une lentille 2 sur le réseau 31 dont les traits sont perpendiculaires au plan de la figure. Le faisceau incident 20 est divisé par la face semi réfléchissante 19 du prisme de Kosters 18, en deux faisceaux 21 et 22 symétriques par rapport à l'axe du prisme et par rapport à la normale au réseau. Les deux faisceaux 21 et 22 diffractent sur le réseau et l'on recueille les faisceaux 24 faisceau diffracté d'ordre -1 du faisceau 22, et 25, faisceau diffracté d'ordre +1 du faisceau 21 pour les recombiner dans le prisme 18.Les faisceaux 24 et 25 interfèrent sur la face semi réfléchissante 19 et quittent le prisme symétriquement, sous forme de faisceaux recombinés 27 et 28, chacun des faisceaux recombinés 27 et 28 est formé de la somme de la moitié du faisceau 24 et de la moitié du faisceau 25. Belon les phases relatives des deux faisceaux 24 et 25, les faisceaux 27 et 28 ont un maximum ou un minimum d'intensité lumineuse. Lorsque l'on déplace le réseau les faisceaux 27 et 28 sont modulés en intensité lumineuse. Pour détecter le sens de déplacement du réseau, une méthode classique a été utlisée. Le faisceau 20 est polarisé rectilignement par un polariseur 3 dont la direction de polarisation est parallèle aux traits du réseau. Le faisceau diffracté 25 traverse une lame A dont dont-l"orientation est telle que la polarisation rectiligne à l'entrée est transformée en une polarisation circulaire à la sortie. Le faisceau diffracté 24 traverse une lame compensatrice 5 dont l'épaisseur est telle qu'elle compense l'aug mentation de la longueur du chemin optique du faisceau 25 dûe à la traversée de la lame Dans les faisceaux 27 et 28 quittant 4. symétriquement le prisme 18,on a deux faisceaux composants superposés, l'un polarisé rectilignement, l'autre polarisé circulairement. Ceci donne deux systèmes d'interférence, polarisés à 900 l'un par rapport à l'autre et déphasés de 900, que l'on peut séparer par des analyseurs. Le faisceau 27 est focalisé par une lentille 6 et à travers la lamelle semi réfléchissante 7 sur les cellules photoélectriques 10 et 11. Les analyseurs 8 et 9 sont orientés à 450 et symétri quement par rapport à la direction de polarisation du polarisateur 3 de telle sorte que les cellules photoélectriques 10 et 11 reçoivent chacunes l'un des deux systèmes d'interférence précités. Lorsque l'on déplace 1 réseau, les signaux électriques I 10 et I 11, donnés par les cellules 10 et 11 sont représentés sur la figure 3. Le faisceau 28 est focalisé par la lentille 12 et à travers la lamelle semi réfléchissante 13 sur les cellules photoélectrique 16 et 17. Les analyseurs 14 et 15 sont orientés à 45 0 et symétriquement par rapport à la direction de polarisation du polarisateur 3 de telle sorte que les cellules photoélectriques 16 et 17 reçoivent chacunes l'un des deux systèmes d'interférence précité. Pour faciliter le traitement électronique des signaux électriques délivrés par les cellules, on utilise une méthode connue qui consiste à faire interférer les faisceaux 24 et 25 sur une face semi réfléchissante 19 constituée d'une couche diélectrique. En effet,lors de cette recomposition,les faisceaux 27 et 28 subissent un déphasage relatif de 1800. Lorsque l'on déplace le réseau, les signaux électriques I 16 et I 17 donnés par les cellules 16 et 17 sont représentés sur la figure 3. La différence des signaux I 16-I 10 etI17-I Il donne deux signaux Ia et Ib, déphasés de 90 et symétriques par rapport au zéro, indépendamment de la lumière totale et du contraste d'interférence. Le comptage électronique du nombre de passages à zéro des signaux Ia et Ib fournit l'indication du déplacement. La phase relative des signaux Ia et Ib, + 900 ou -900, fournit l'indication du sens du déplacement. Dans le cas d'un éclairage en lumière monochromatique et cohérente une variante de l'invention est représentée sur la figure 4. Du fait de la monochromaticité de la lumière, on peut alors faire interférer deux faisceaux diffractés d'ordre quelconque. Si nl et n2 sont respectivement les ordres des faisceaux diffractés qui interférent, le nombre de périodes complètes décrites par interférence lorsque l'on déplace le réseau de un pas est donné par = 2n1 -9Tn2 c'est à dire 4 tsi nl = +1 et n2 = - 1 ou 25rsi nl = +1 et n2 = Dans le dispositif représenté sur la figure 4,on utilise un faisceau incident 1 normal au réseau 2. Le faisceau 1 est diffracté en un faisceau 3, d'ordre-leten faisceau 4, d'ordre +1, que l'on fait interférer sur une lamelle semi réfléchissante 6. Le faisceau 4 atteint la lamelle 6 par réflexion sur le miroir 5. Les faisceaux composés 7 et 8, oùse réalise l'interférence, voient leur intensité lumineuse modulée par le déplacement du réseau. Tout ce qui a été précédemment dit au sujet du dispositif de la figure 2 reste applicable ici, notamment les propriétés des faisceaux 7 et 8 quittant symétriquement la lamelle 6 constituée d'une couche diélectrique et l'obtention de deux modulations déphasées de 90 par l'ensemble polarisateur, la lame > 4 et ana- 4 lyseurs. Dans la première forme d'exécution décrit, on a fait usage d'un prisme de Kösters,car cela permet une réalisation simple, mais il est évident que le meme résultat peut être obtenu avec des jeux de miroirs réfléchissants et semi-transparents. Pour travailler en lumière blanche,ce qui est avantageux, il faut que le chemin parcouru et le nombre de réflexion des faisceaux incidents et des faisceaux diffractés soient identiques et que les faisceaux incidents soient cohérents. Les principaux avantages offerts par le dispositif décrit sont : - L'utilisation des ordres de diffraction les moins élevés, - 1 de préférence, car ils contiennent beaucoup d'énergie, - la forme géométrique identique des sillons du réseau qui est sans importance, ce qui n'est par le cas si l'on utili se des ordres élevés, qui ne contiennentXassez d'énergie que si les sillons ont des géométries déterminées délicates à réaliser, - la possibilité de rendre négligeables les imperfections de pas du réseau car celles-ci jouent un rôle d'autant plus petit que l'ordre de diffraction est petit, - l'utilisation de pas de réseau très petit, par exemple 2 )zm, ce qui permet une résolution fine, par exemple 0,5 pin ou 1 Fm, sans interpolation, et sans nécessiter l'utili sation d'ordres de diffraction élevés, - la possiblité d'utiliser une source de lumière quelconque; le système fonctionne en lumière blanchie, ce qui ne serait pas possible avec des ordres de diffraction élevés, la dispersion devenant trop importante. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure des déplacements relatifs entre deux organes mécaniques dont l'un porte un réseau de diffraction, caractérisé par le fait qu'on projette sur un réseau de diffraction à géométrie constante, à partir d'une source lumineuse portée par l'autre organe mécanique, deux faisceaux incidents cohérents, symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à celui du réseau ; qu'on recombine, symétriquement par rapport à ce plan perpendiculaire, au moins un faisceau de diffraction d'ordre + n d'un des faisceaux incidents avec au moins un faisceau de diffraction d'ordre - n de l'autre faisceau incident pour les faire interférer entre eux deux à deux, n étant plus petit que 3 et de préférence égal à 1 et qu'on détecte la modulation ainsi obtenue dans au moins un de ces faisceaux recombinés qui donne une mesure des déplacements relatifs des deux organes mécaniques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de lumière est une source de lumière blanche et par le fait que la différence du nombre de réflexion d'un faisceau incident et du faisceau diffracté correspondant par rapport au nombre de réflexion de l'autre faisceau incident et du faisceau diffracté correspondant est égale à zéro ou à un nombre pair. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I comprenant un réseau de diffraction porté par un organe mécanique, caractérisé par le fait que le réseau de diffraction présente une géométrie constante ; par le fait qu'il comporte une source lumineuse portée par l'autre organe mécanique, des moyens pour projetter sur ce réseau deux faisceaux incidents cohérents provenant de cette source, symétriques par rapport à un plan perpendiculaire au réseau ; des moyens pour recombiner, symétriquemert par rapport au plan perpendiculaire, au moins un faisceau de diffraction d'ordre + n d'un des faisceaux incidents avec au moins un faisceau de diffraction d'ordre - n de l'autre faisceau incident pour les faire interférer entre eux deux à deux, n étant inférieur ou égal à 3, de préférence égal à 1 ; et des moyens de détection de la modulation ainsi obtenue dans au moins un des faisceaux recombinés. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un prisme de Posters dont l'interface semi-tranparente sépare un rayon provenant d'une source lumineuse en deux faisceaux incidents, et recombine deux à deux les faisceaux diffractés d'ordre - n d'un des faisceaux incidents avec les faisceaux diffractés d'ordre + n respectivement de l'autre faisceau incident. 5. Dispositif selon les revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une cellule photo-électrique sensible à la modulation d'un faisceau diffracté recombiné.