Brevet FR2332516A1 — publié le 19770617

La serte invention concerne un appareil pour la mesure interféremétrique d'angles et de longueurs. @@ est connu des @@@areil@ permettant la mesure numérique d'angles. Ils comportent des disques à réseaux de traits ou des dis@ues à code compliqués. Pour mesurer des longueurs on se sert de mires à traits (échelles matérielles) ou bien on fait ar@el à des procédés interféremétrioues utilisant une longueur d'onde lumineuse en tant ou'unité de mesure (échelles immatérielles). Des exigences sévères en ce qui concerne le pouvoir de résolution et la précision de mesure entraînent des dépenses correspondantes pour la fa@rication de mires à traits (dans le cas@@es échelles matérielles) ou pour la correction des variations d'indice de réfraction d'origine atmosphérique (dans le cas des échelles immatérielles). En outre, ces appareils sont dans bien des cas trop grands, ce oui gene en particulier leur utilisation mobile (par exemple dans le cas d'appareils géodésiques). La présente invention crée un appareil pour la mesure interférométrique d'angles et de longueurs équipé de guides d t ondes optiques La solution apporte à ce problème suivant la présen- te invention, pour un appareil destiné à la mesure interférométrique d'angles et de longueurs à l'aide de moyens emprun- tes à l'optique intégrée, consiste en ce que, afin de permet- tre la mesure de la longueur d'une voie courbée à volonté, l'appareil comprend un guide d'ondes s'étendant suivant cette voie, un coupleur pour introduire de l'énergie lumineuse en un endroit quelconque du Guide d'ondes et un dispositif interférométrique. Lorsqu'il s'a@it de mesurer des angles il est avanta geu@@@@e le guide d'ondes soit annulaire, s'étende suivant une voie circulaire et soit déplacable, avec le dispositif interférométrique, autour du centre de cette voie circulaire par rapport au coupleur destiné à l'intr@duction de l'énergie lumineuse. Un appareil pour mesurer des longueurs est avantageusement constauit de telle sorte qu'une partie du guide d'ondes s'étende suivant une droite et soit mobile, avec le dispositif interférométrique, en ligne droite par rapport au coupleur. L'appareil suivant l'invention utilise des @uides d'ondes intégrés en tant que parcours de la lumière pour un système de mesure interférométrique. Cela permet, d'une part, de se dispenser de la fabrication coûteuse de mires n traits de haute précision et supprime, d'autre part, également les influences perturbatrices de l'atmosphère sur la longueur d'onde lumineuse (à température constante du guide d'ondes). Il devient ainsi possible de construire des appareils beaucoup plus petits présentant une faible consommation d'énergie mais en même temps un très haut degré de précision de mesure et (dans le cas de goniomètres) une larme nlage de mesure L'invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide de trois exemples de réalisation illustres aux dessins annexés. La fig 1 représente un appareil suivant l'invention pour la mesure d'angles. La fig. 2 représente un coupleur pour l'introduction de l'énergie lumineuse. La fig. 3 représente un appareil suivant l'invention pour la mesure de longueurs La fig 1 montre le principe de fonctionnement d'un appareil goniométrique à incréments Un guide d'ondes 1 disposé en forme de cercle est ouvert en un endroit déterminé. les deux extrémités 2 et 3 de la zone d'ouverture sont transformees en un dispositif interférométrique comportant quatre diviseurs 4, 5, 6, 7 et quatre transducteurs photo-électriques 8, 9, 10, 11.De la lumière cohérente est introduite par l'intermédiaire d'un coupleur 12 de telle sorte qu'elle passe chaque fois pour moitie dans le sens des aiguilles d'une montre et pour moitié dans le sens contraire- te couplage de la lumière ne se réalise qu'à l'intérieur de la zone étroitement limitée du coupleur En tant qu'éléments de couplage peuvent être utilisés toute une série de dispositifs connus comme par exemple des prismes, des @éseaux de diff@acti@@, des réseaux à ultrasons et analogues. La fig. 2 mortre,pour le cas spécial d'un couplage par prismes, le mécanisme du couplage de deux faisceaux lumineux dirigés en sens opposé l'un par rapport à l'autre. Un faisceau lumineux cohérent 13 est divisé par un prisme diviseur 14 et un @éflecteur 15 15 en deux faisceaux 18 et 19 passant par deux prismes de couplage 16 et 17. Entre la base des deux prismes de couplage et un guide d'ondes 20 se trouve une étroite fente avec un guide dont l'indice de réfraction ry est inférieur à l'indice de réfraction n du guide d'ondes et a celui n des trismes de couplage. Si la fente est suffisamment 4 étroite, des portions des faisceaux 18 et 19 peuvent la traverser et se propager dans le guide d'ondes à condition qu'en même temps l'indice de réfraction n3 d'un support 21 soit plus petit que l'indice de réfraction n. Alors nue le coupleur et la source lumineuse sont montés rigidement dans l'espace, le système de guide d'ondes peut tourner, avec le dispositif interférométrique, autour de l'axe 22 (fig.1). 'une manière générale les parcours de lumière 23 et 24 a partir de la zone de couplage jusqu'au diviseur sont de longueurs differentes- Leur différence dépend de l'orientation angulaire du diviseur par rapport à la zone de couplage 12 et du rayon r du cercle du guide d'ondes Le même principe de mesure interférométrique d'un parcours au moyen de guides d'ondes est également applicable à des systèmes de translation pour lesquels un exemple de réalisation est représenté à la fig. 3. Etant donno nue l'indice de réfraction n ne dépend plus que de la température du guide d'ondes, oui peut être maintenue constante d'lune manière relativement simple, tous les procédés compliqués destinés à la correction automatique d'indices de réfraction, comme par exemple ceux nécessaires à des mesures de précision effectuxes avec des interféromètres a laser classiques, se trouvent supprimés. La longueur de parcours utilisable dans le guide d'ondes est déterminée par l'état de cohérence de la source de rayonnement et par l'atténuation du guide d'ondes pour une réserve d'atténuation donnée. tans le cas de systèmes de mesure à translation la plage de mesure est déterminée, suivant la fig. 3, par exemple par la moitié de la longueur du guide d'ondes. En conséquence, la lonueur de cohérence doit être à peu pros le double de cette demi-longueur. Dans le cas de systèmes de mesure r@tatoires la longueur de cohérence 1K doit être égale à la périphérie. Si l'on pose pour la périphérie U = 1Y- . n . d (1) on obtient pour la longueur de cohérence nécessaire où n représente l'indice de réfraction du guide d'ondes d représente le diamètre moyen du guide d'ondes annulaire #@ @ représente la longueur d'onde sous vide m représente un facteur d'interpolation et # d0 représente le pouvoir de résolution angulaire de l'ap pareil, compte tenu du facteur d'interpolation m. A condition que m soit choisi de manière appropriée il est possible, même pour un pouvoir de résolution élevé de l'angle, de prévoir une longueur de cohérence relativement faible. Etant donné que, d'autre part, la longueur de cohérence est liée à la largeur de bande par la relation on obtient, en combinaison avec l'équation (a), pour la largeur de bande nécessaire ##0 du rayonnement la valeur suivante Pour # #0 = 1", m = 40 et #0 = 900 nm il faudrait que ##0 présente la valeur 0,06 nm. Cette valeur peut être obtenue su moyen de lasers a semi-conducteurs. Elle peut cependant également être obtenue au Troyen de filtres 9 barde étroite réalisée sous une forme intégrée.Il est alors possible de travailler avec une diode intégrée en des conditions non monochromatiques (largeur de bande : environ 40 nm). Grâce au filtre la largeur de bande requise serait obtenue avec une perte d'énergie encore acceptable et on pourrait par conséquent partir d'une simple source lumineuse non cohérente. Pour les valeurs chiffrées indiquées ci-dessus en ce qui concerne # d0, m, # 0, # #0 le diamètre d'un tel guide d'ondes annulaire pourrait être réduit à quelques millimètres. Etant donné que, en cutre, l'ensemble du dispositif interférométrique à l'exception des détecteurs photoélectriques D1 ...... D4 peut être fabriqué de manière intégrée, on trouve ainsi réunies les conditions nécessaires à la construction de têtes de mesure extrêmement petites présentant une très faible absorption de puissance. REVENTICATIONS 1 - Appareil destiné à la mesure znterférométrinue d'angles et de longueurs â l'aide de moyens e-pruntAs à l'or- tique intégrée, caractérisé en ce nue, afin de permettre la mesure de la longueur d'une voie courbée à volonté, i] comprend un guide d'ondes s'étendant suivant cette voie, un coupleur pour introduire de l'éenergie lumineuse en un endroit quelconque du guide d'ondes et un dispositif interférométrique. 2 - Appareil pour la mesure d'angles suivant la revendication 1, caractérisé en ce aue le- guide d'ondes est annulaire, s'étend suivant une voie circulaire et est déplaçble, avec le dispositif interférométrique, autour du centre de cette voie circulaire par rapport au coupleur. 3 - Appareil pour mesure de longueurs suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie du guide d'ondes stétend suivant une droite et est déplaçable avec le dispositif interférométrique en ligne droite par rapport au coupleur.