Brevet FR2329972A1 — publié le 19770527

La présente invention concerne un appareil de mesure du déplacement d'un premier organe par rapport à un second, suivant un mouvement selon un degré de liberté dans un plan donné, le mouvement pouvant être rectiligne ou rotatif. Plus précisément, l'invention concerne un appareil du type qui comporte des réseaux métrologiques. On utilise couramment divers types de tels appareils dans des domaines tels que la commande des machines-outils. Ces types connus d'appareils comprennent deux réseaux de même périodicité ou presque, montés respectivement en position fixe par rapport aux deux organes dont le déplacement relatif doit être mesuré ; un-réseau fonctionne par transmission et l'autre par transmission ou réflexion, la combinaison des-réseaux étant éclairée par une source lumineuse convenable alors qu'un dispositif est sensible aux variations de la lumière trans- mise ou réfléchie par la combinaison des réseaux, lorsque les réseaux se déplacent l'un par rapport à l'autre.Un cer tain nombre de problèmes se pose pour la réalisation et L'utilisation de ces types connus d'appareils et notamment celui de l'éclairement très collimaté de l'ensemble des réseaux et celui du maintien très précis de la distance entre les réseaux, avec dans certains cas, le problème de l'utilisation deux très faible ,spacement entre les réseaux. Comme ces problèmes sont partioulièrement importants lors de l'utilisation de r6seauxfins, on a- couramment utilisé des réseaux-de dimension plus grande que celle qui est nécessaire à l'obtention directe de la résolution-voulue dans la mesure, cette résolution. étant. obtenue par des techniques d'interpolation qui introduisent cependant elles-mames des sources potentielles d'erreurs. L'invention repose sur l'utilisation des propriétés de formation d'une image par un réseau en ce qui 'concerne un obJet optique à périodicité spatiale, et plus préscisément un dispositif permettant la résolution de certains ou de la totalité des problèmes indiqués précédemment, si bien que des appareils relativement simples peuvent entre réalisés facilement avec un degré de résolution qui peut autre obtenu sans mi se en oeuvre de techniques d'interpolation. Plus précisément, l'invention concerne un appareil de mesure du déplacement d'un premier organe par rapport à un second, de manière correspondant à un mouvement à un degré de liberté dans un plan donné, l'appareil comprenant un réseau monté en position fixe par rapport au premier organe et ayant des traits présentant une périodicité spatiale dans le sens du déplacement, un dispositif d'éclairement du réseau comprenant un dispositif monté en position fixé par rapport au second organe et formant un objet optique ayant une périodicité spatiale dans la direction considérée, ce dispositif d'éclairement étant espacé de façon sensiblement uniforme par rapport au réseau, si bien que ce dernier forme une image de ltobjet qui a une périodicité spatiale dans la direction considérée et qui se trouve à une distance'sen- siblement uniforme du réseau et se déplace par rapport au second organe lors du déplacement relatif entre les deux organes ; un photodétecteur reçoit la lumière du dispositif d'éclairement, après formation de l'image par le réseau, et comprend une structure à périodicité spatiale dans ladite direction, le détecteur étant monté en position fixe par rapport au second organe, la dispositirn des divers éléments étant telle que la structure du photodétecteur coopère avec l'image en donnant une variation cyclique du signal de sortie du photodétecteur lorsque les deux organes se déplacent l'un par rapport à l'autre. Il faut noter que, dans le présent mémoire, le terme "lumière" recouvre les radiations ultraviolettes et infrarouges aussi bien que visibles. Il faut noter que, dans un appareil selon l'inventlon, un déplacement relatif donné entre les deux organes provoque un déplacement relatif plus important entre l'image et le second organe. Normalement, le réseau, l'objet optique et la structure périodique sont disposés de manière outils se trouvent tous dans des planssensiblement parallèles à un plan donné. Dans un mode de réalisation avantageux,le réseau fonctionne par réflexion et ltobjet optique et la structure périodique sont placés pratiquement dans le même planS les périodicités spatiales du réseau, de I'obJet optique et de la structure périodique étant pratiquement les mêmes. Gracie à cette disposition, un déplacement relatif donné des deux organes provoque un déplacement double de limage par rapport au second organe si bien qu'un déplacement relatif entre les deux organes correspondant à un cycle de la périodicité spatiale du réseau fait apparattre deux cycles de variation dans le signal de sortie du photodétecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma montrant les principes de base de l'invention - les figures 2 et 3 sont des schémas représentant des variantes du dispositif représenté sur la figure 1 - la figure 4 est une perspective schématique d'un appareil selon l'invention - la figure 5 est une perspective schématique dtune partie de l'appareil de la figure 4 ; et - la figure 6 représente le circuit électrique de l'appareil de la figure 4. La figure I permet la compréhension du principe de base de l'invention, dans sa forme la plus simple. Dans lten- semble représenté sur la figure 1, la lumière d'une lampe 1, concentrée par une lentille 2, passe dans trois réseaux linéaires 3, 4 et 5 fonctionnant par transmission et atteint une cellule photoélectrique 6. Les réseaux 3 et 4 sont montés dans des plans parallèles séparés par une distance u, les braits des réseaux étant parallèles, le réseau 4 ayant une fréquence spatiale f1 et le réseau 3 une fréquence spatiale f2. Le réseau 3 peut tre considéré comme un objet optique à périodicité spatiale qui éclaire de façon diffuse le réseau 4. On suppose d'abord que les conditions sont telles que les effets de diffraction peuvent être négligés lorsqu'on considère les propriétés de formation image du réseau 4. On peut montrer, par propagation rectiligne de la lumière, qu'une image virtuelle est formée par le réseau 4 dans un plan parallèle à celui-ci à une distance v du réseau 4, cette distance étant donnée par l'équation f2/f1 = v/(u + v) (1) L'image a une fréquence spatiale f3 donnée par l'équation @3@@1 = u/(u + v) (2) On montre aussi sulun déplacement d'amplitude d du réseau 4 par rapport au réseau 3 parallèlement aux plans de ces réseaux et perpendiculairement à leurs traits provoque un déplacement parallèle de l'image-dont ll'amplitude I) est donnée par équation D = d(1 + v/u) (3) On note ainsi que, lorsque le réseau 5 a la fréquence spatiale f3 et est monté parallèlement aux réseaux 5 et 4 à la distance v du réseau 4, ses traits étant parallèles à ceux des réseaux 3 et 4, l'image formée par le-réseau 4 interagit avec le réseau 5 et donne une variation cyclique de l'intensité de la lumière atteignant la cellule 6 lorsque les réseaux 3 et 4 se déplacent l'un par rapport à l'autre parallèlement à leursplanset perpendiculairement à leurs traits. De plus, lorsque le réseau 5 est fixe par rapport au réseau 3, l'importance du mouvement relatif peut étre déduite du signal transmis par la cellule 6. On note d'après l'équation (1) qu'une image virtuelle ne se forme pas lorsque les réseaux 3 et 4 ont la même fréquence spatiale. On note aussi que, lorsque fî = 2f2, v est égal à u et équation montre que, dans ce cas, f3 est égal à 2 Dans ce cas, il est commode que l'ensemble de la figure 1 soit modifié par utilisation d'un réseau fonctionnant par réflexion qui remplace le réseau 4 de manière que le plan image coîncide avec le plan du réseau 3 Grace à cette disposition, l'ensemble décrit peut entre limité à une structure à deux réseaux seulement et non pas à trois, bien que l'un des réseaux joue un rôle double (c'est-à-dire celui des réseaux 3 et 5 de la figure i), car il forme un objet optique à périodicité spatiale d'une part et une structure à périodicité spatiale avec laquelle l'image peut interagir d'autre part. On décrit dans la suite des exemples particuliers d'appareils selon cette modification. Si la lumière parvenant sur le réseau 3 était parfaitement collimatée,il ne se formerait pas image virtuelle ; de plus, il faut noter que, dans le cas de lumière partiellement collimatée, des images virtuelles ne peuvent.pas se former convenablement pour des distances u sensiblement égales à (N - 1/2)/f1f2, N étant un nombre entier et X étant la longueur d'onde moyenne de la lumière utilisée. En général, le contraste de l'image virtullediminue lorsque la distance v augmente, car l'hypothèse selon laquelle la lumière se propage en ligne droite est de moins en moins valable. On considère maintenant le cas des conditions dans lesquelles le réseau 4 joue le rtle dtun réseau de diffraction ; dans ce cas, une image d'interférence est formée. Celle-ci est placée à la distance V du réseau 4, V étant donné par l'équation f2/f1 = 2V/(u- + V) (4) Cette image a une fréquence spatiale F3 donnée par l'équation: F3/f1 = 2u/(u + V) (5) Une équation de la même forme que l'équation (3) s'applique à l'image d'interférence obtenue avec un réseau de diffraction, et une variation cyclique de l'intensité de la lumière atteignant la cellule 6 peut à nouveau être obtenue par montage convenable du réseau 5. L'équation (4) indique qu'une image d'interférence est formée lorsque V est égal à u et lorsque les réseaux 3 et 4 ont la meme fréquence spatiale ; l'équation (5) montre que dans ce cas, l'image a la même fréquence spatiale que les réseaux 3 et 4.Il est donc commode dans ce cas que l'appareil de la figure 1 soit modifié par remplacement du réseau 4 par un réseau fonctionnant par réflexion, un seul réseau pouvant à nouveau être utilisé dans les fonctions des réseaux 3 et 5 de la figure 1. Si la lumière parvenant sur le réseau 3 était parfaitement collimatée, aucune image d'interférence ne se formerait. il est donc essentiel que la lumière parvenant sur le réseau 3 soit au moins partiellement diffuse. En pratique, un éclairement véritablement diffus du réseau 3 est difficilement réalisable et il faut noter que, dans le cas de lumière partiellement collimatée, des images d'interférence ne peuvent pas se former convenablement pour des distances u sensiblement égales à (N - 1/2)/f1f2. De plus, le contraste d'une image d'interférence formée est si faible que l'image est inutilisable lorsque la valeur de la distance u est inférieure à vr2/2kms #m étant la longueur d'onde maximale de la lumière utilisée et w étant le pas du réseau 4, car, dans ce cas, la lumière utilisée n'est pas diffractée de façon importante. Dans le cas de la disposition décrite, les réseaux 3, 4 et 5 sont tous montés de manière que leurs traits soient parallèles si bien que l'interaction de l'image et du réseau 5 formant la variation cyclique d'intensité lumineuse peut étre considérée comme un effet dt"obturation". Evidemment, d'autres procédés sont possibles. Ainsi, les traits du réseau 4 peuvent être légèrement inclinés- par rapport à ceux des réseaux 3 et 5 si bien que, lorsque 1'image interagit avec le réseau 5, il se forme des franges de moiré qui peuvent étire détectées par plusieurs cellules photoélectriques disposées sur la longueur d'une frange unique de moiré.Dans une variante, le réseau 5 peut avoir une fréquence spatiale légèrement différente de celle de l'image produite par le réseau 4 de manière que des franges de Vernier se forment et puissent entre détectées d'une manière analogue à celle qui est utilisée dans le cas des franges de moiré. La discussion précédente s'applique aussi au cas des réseaux radiaux utilisés pour la mesure dtun déplacement rotatif ; dans ce cas,- fj, f2 et w sont les paramètres relatifs au rayon moyen des réseaux. le contraste diminue alors évidemment . le contraste de l'image diminue cependnt dans ce cas par rapport à celui obtenu avec un réseau linéaire, dans une mesure qui dépend de la variation du pas dans l'ouverture optique utilisable de l'appareil. Les figures 2 et 3 représentent deux variantes de l'appareil de la figure 1, comprenant toutes deux un réseau 7 fonctionnant par réflexion, remplaçant le réseau 4 fonctionnant par transmission. Dans l'appareil représenté sur la figure 2, la lumière de la lampe 1 est concentrée par la lentille 2 et elle est réfléchie par un miroir semi-réfléchissant 8 de manière qu'elle passe à travers un réseau 3 dn- dice" fonctionnant par transmission et éclaire ainsi le réseau réfléchissant 7 d"'échelle". La lumière réfléchie par le réseau 7 repasse à travers le réseau 3 et elle est transmise par le miroir semi-réfléchissant 8 et parvient à la cellule photoélectrique 6.Dans l'appareil de la figure 3, la lumière de la lampe est réfléchie par le miroir 9 et est concentrée par la lentille 2, puis, après passage à travers le réseau 3, elle tombe sur le réseau 7. La lumière réfléchie par ce dernier traverse à nouveau le réseau 3 et atteint la cellule 6 par l'intermédiaire d'une lentille 10 et drun miroir 11. Les éléments 1, 9, 2, 3, 10, Il et 6 sont montés rigidement et forment la tête 12 de lecture, le rôle du dispositif étant la mesure des déplacements transversaux relatifs de la tête 12 et du réseau 7. Dans les deux appareils décrits, les fréquences spatiales des réseaux 3 et 7 et leur espacement sont choisis évidemment en fonction des principes décrits précédemment. Dans des variantes des appareils des figures 2 et 3, le détecteur photosensible formé par la combinaison du réseau 3 et de la cellule 6 peut être remplace le cas échéant par une structure périodique unique combinant les fonctions d'un réseau fonctionnant par transmission et d'un photodétecteur à périodicité spatiale, la structure comprenant un arrangement d'éléments photosensibles associés respectivement aux traits Qu réseau de manière qu'ils reçoivent la lumière qui a été réfléchie par le réseau 7. Une telle structure est par exemple du type décrit dans le brevet britannique nb 1 231 029. Dans le cas de ces variantes, le dispositif d'éclairement du réseau fonctionnant par transmission peut étre évidemment analogue à celui qui est utilisé pour lté- clairement du réseau-3 sur la figure 1. On peut considérer une autre variante qui convient en principe aux dispositifs dans lesquels un réseau un fonctionnant par transmission ou par réflexion forme ltimage, cette variante comprenant le remplacement du réseau 3 éclairé par une source séparée par un dispositif comprenant un arrangement d'éléments photoémissifs constituent l'objet optique à périodicité spatiale. Dans le cas où un réseau fonctionnant par réflexion forme l'image, l'arrangement d'éléments photoémissifs peut faire partie d'une structure à périodicité spatiale comprenant aussi un arrangement d'éléments photosensibles imbriqués avec l'arrangement photFemissif. On considère maintenant le mode de réalisation des figures 4 et 5 qui représentent un appareil qui comprend une tête 13 de lecture montée rigidement sur un organe 14, et un réseau linéaire réfléchissant 15 rigidement monté sur une face usinée 16 d'un organe 17. L'organe 14 est mobile par rapport à l'organe 17, parallèlement au plan du réseau 15 et perpendiculairement à ces traits, organe 17 coulissant dans un canal 18 formé dans organe 17 sous la commande d'une vis mère 19 ; le mouvement résultant de la tête 13 par rapport au réseau 15 permet le déplacement relatif des organes 14 et 17 dans la direction voulue et sur la longueur qui doit ventre mesurée. Le déplacement relatif peut correspondre au mouvement d'un élément d'une machine-outil qui doit entre commandée. La figure 5 est une perspective d'une partie de la tête 13 de la figure 4 et elle représente un réseau linéaire 20 d'in dice-fonctionnant par transmission et monté convenablement dans la tête 13 de manière qu'il soit disposé en face du réseau 15, l'espacement des réseaux 15 et 20 étant uniforme. Quatre ensembles identiques 21 sont fixés par une colle convenable sur la face arrière du réseau 20 et comprennent chacun un dispositif photoémissif 22 à semi-conducteur et un pEso- todétecteur 23 à semi-conducteur, enrobés dans une résine synthétique et comportant des fils transmettant l'énergie à la "lampe" 22 et transmettant les signaux de sortie du photodétecteur 23. La lumière émise par la lampe 22 traverse le réseau 20 e; elle est réfléchie par le réseau 15 avec formation deune image dans le plan du réseau 20.La lumière réfléchie passant à travers le réseau 20 tombe sur les photodétecteurs 23 qui sont sensibles essentiellement à la lumière émise par la-lampe 22 associée dans le même ensemble 21 si bien que le signal de sortie de chaque photodétecteur 23 varie cycliquement lors du déplacement relatif des organes 14 et 17. Le réseau 20 est monté dans la tette 13 de manière que,ses traits soutent légèrement inclinés par rapport à ceux du réseau 15 si bien que l'image formée-par ce dernier provoque l'apparition de franges de moiré lorsque.la lumière interagit avec le réseau 20. Les ensembles 21 sont montés sur le réseau 20 de manière que les quatre photodétecteurs 23 soient disposés sur une seule frange de moiré si bien que les phases des variations cycliques des photodétecteurs 23, dues au déplacement relatif des organes 14 et 17, diffèrent progressivement par quantités élémentaires de 900. Le schéma électrique de la figure 6 illustre un procédé de mise en oeuvre des signaux de sortie du photodétecteur 23 pour la -détermination du sens et de l'importance du déplacement relatif des organes 14 et 17. Dans le circuit de la figure 6, les signaux des détecteurs 23 sont amplifiés par des amplificateurs adaptés 24 et les signaux amplifiés du premier et du troisième détecteur 23 de la séquence de phases sont soustraits par un circuit 25 de différence dont le signal de sortie parvient à une bascule 26 de Schmidt qui assure la conformation du signal et transmet alors un signal A. Les signaux amplifiés des deux autres photodétecteurs 23 sont soustraits par un circuit 27 de différence dont le signal est conformé par une bascule 28 de Schmidt qui transmet le signal B. Il faut noter que, lors du déplacement relatif des organes 14 et 17, les variations résultantes des amplitudes des signaux A et B sont en quadrature de--phase. Les signaux A et B parviennent à deux bascules J-K 29 et 30, le signal A parvenant à ltentrée d'horloge 31 de la bascule 29 et à l'en- trée 32 d'effacement de la bascule 30, alors que le signal B parvient à l'entrée d'effacement 33 de la bascule 29 et à entrée d'horloge 34 de la bascule 30. Chacune des bascules 29, 30 a ses deux entrées J et K reliées à une borne 35 qui est maintenue à l'étant logique 1. La sortie Q de la bascule 29 est reliée à 11 entrée de comptage 36 d'un compteurdécompteur 37, et la sortie Q de la bascule 30 est reliée à l'entrée 38 de décomptage du compteur 37. Le signal transmis par le compteur 37 peut titre présenté par un dispositif alphanumérique convenable 39. L'effet de la transmission des signaux A et B dans les bascules 29 et 30 comme décrit est que seule une bascule peut transmettre un signal au compteur 37, pour un sens donné de déplacement relatif des organes 14 et 17 ; ce comportement est dA au fait que l'autre bascule reçoit toujours un signal à son entrée d'effacement lors de l'apparition d'un Signal à son entrée d'horloge, si bien que la variation du signal à la sortie Q n'est pas possible. La bascule qui transmet un signal, c'est-à-dire la bascule 29 ou 30, dépend du sens de la différence de phases des signaux A et B, déterminée par le sens du déplacemens relatif des organes 14 et 17. Le nombre d'impulsions transmis au compteur 37 par la bascule convenable est évidemment proportionnel à l'importance du déplacement. Dans l'appareil des figures 4 et 5, les fréquences spatiales des réseaux 15 et 20 et la distance entre ces réseaux sont évidemment choisies en fonction des principes décrits précédemment. Par exemple, lors de ltutilisation, pour la réalisation des lampes 22, de photodiodes infrarouges en arséniure de gallium ayant une émission maximale à 940 nm et comme détecteur 23 des phototransistors au silicium NPN, dans le cas de la formation d'une image d'interférence, les réseaux 15 et 20 peuvent avoir par exemple une fréquence spatiale de 190 traits par millimètre et peuvent & re séparés par 2 cm alors que, dans le cas d'une image vir tuile,une disposition convenable met en oeuvre des fréquences spatiales de 100 et 50 traits par centimètre pour les réseaux 15 et 20 et un espacement de 2 cm. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure du déplacement d'un premier organe par rapport à un second, suivant un mouvement correspondant a un degré de liberté dans un plan donné,l'appareil étant du type qui comprend un réseau monté en position fixe par rapport au premier organe et ayant des traits présentant une périodicité spatiale dans le sens du déplacement, et un dispositif d'éclairement du réseau, ledit appareil étant caractérisé en ce que le dispositif d'éclairement est monté en position fixe par rapport au second organe et forme un objet optique présentant une périodicité spatiale dans la direction du déplacement et à une distance sensiblement uniforme du réseau, si bien que celui-ci forme une image de l'objet qui présente une périodicité spatiale dans la direction du déplacement et qui se trouve à une distance sensiblement uniforme du réseau, cette image se déplaçant par rapport au second organe lors du déplacement relatif dans ladite direction des deux organes, et un détecteur photosensible reçoit la lumière du dispositif d'éclairement après formation d'image par le réseau, ce détecteur comprenant une structure à périodicité spatiale dans ladite direction et étant monté en position fixe par rapport au second organe, la disposition étant telle que la structure interagit avec l'image et provoque une variation cyclique du signal de sortie du photodétecteur lors du déplacement relatif des deux organes dans ladite direction. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau, ltobjet et la structure se trouvent tous dans des plans sensiblement parallèles à un plan donné. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réseau fonc-tionne par réflexion et l'objet et la struc ture se trouvent pratiquement dans le même plan, les périedi- cités spatiales du réseau, de l'objet et de la structure étant toutes pratiquement identiques. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif qui forme l'objet est un réseau fonctionnant par transmission, et le dispositif d'éclairement comprend au moins une source lumineuse qui éclaire le réseau fonctionnant par transmission du côté opposé à celui--du réseau réfl-é chissant. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure est aussi formée par le réseau fonctionnant par transmission et le photodétecteur comprend au moins une cellule photoélectrique destinée à recevoir la lumière qui a été réfléchie par le réseau réfléchissant puis transmise par le réseau fonctionnant par transmission. 6. Appareil 'selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure comprend un arrangement d'éléments photosensibles associés respectivement aux traits du réseau fonctionnant par transmission de manière qu'ils reçoivent la lumière qui a été réfléchie par le réseau réfléchissant. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la source lumineuse éclaire de façon diffuse le réseau fonctionnant par transmission. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif formant l'objet comprend un arrangement d'éléments photo-émissifs. 9. Appareil salon la revendication 8, caractérisé en ce que le réseau est réfléchissant et 1'arrangement d'éléments photo-émissifs fait partie d'une structure à périodicité spatiale comprenant aussi un arrangement d'éléments photosensibles imbriqué à l'arrangement d'éléments photo-émissifs.