Brevet FR2430109A1 — publié le 19800125

L'invention concerne un dispositif démission dtun faisceau laser destiné à définir un axe de référence dans l'espace. La métrologie utilise de plus en plus des moyens optiques. On pourra pour cela se reporter par exemple à la demande de brevet 77-21099 du 8 Juillet 1977 déposée par la demanderesse. Cette demande de brevet a pour objet un dispositif permettant de mesurer facilement et rapidement les erreurs de rectitude d'une glissière avec une très grande précision. Le dispositif décrit dans cette demande comprend un moyen d'émission d'un faisceau optique, plus exactement dtun faisceau laser, fin, parallèle à la glissière et définissant l'axe optique de référence. Le moyen de mesure des écarts est un détecteur photoélectrique frappé par le faisceau laser et fournissant des signaux représentatifs de ltécart de la position du point d'impact du faisceau par rapport à une position de référence. Bien entendu, dans de tels dispositifs de mesure, il est nécessaire que le système de référence soit le plus précis possible. Par rapport à un système de référence mécanique, un système de référence par voie optique présente déjà l'important avantage d'être plus précis, pour deux raisons - la lumière se propage en ligne droite. Cette droite est parfaite dans le vide et dans un air calme et de température homogène. La turbulence de l'air fait "danser le faisceau", mais elle peut être minimisée si lZon fait passer le faisceau dans un tube et si l'on filtre le signal émis par la cellule. - Une très grande rigidité mécanique est obtenue en rassemblant tous les éléments optiques sur un bloc de marbre largement dimensionné. Il reste toutefois qu'un laser n'émet pas un faisceau de direction stable dans le temps. L'objet de la présente invention est précisément de réduire les déviations du faisceau et de mesurer celles qui subsistent avec précision. L'invention concerne un dispositif démission d'un faisceau laser destiné à définir un axe de référence dans ltespace. Ce dispositif comporte - un émetteur de faisceau laser proprement dit monté sur un support fixe - un objectif afocal placé dans l'axe du faisceau. Selon l'invention, l'objectif afocal est monté sur le même support fixe, tout en étant indépendant de l'émetteur et thermiquement isolé de celui-ci. En outre, ce dispositif d'émission comporte des moyens pour mesurer les déviations du faisceau dans le temps par rapport à une direction initiale. Les moyens de mesure des déviations comportent deux détecteurs photoélectriques frappés chacun par une partie du faisceau, une partie étant prélevée en amont de ltobjectif afocal et ltautre en aval de celui-ci, chaque détecteur fournissant des signaux analogiques fonctions de l'écart du point d'impact du faisceau sur le détecteur par rapport au point d'impact initial. L'invention concerne également un procédé de mesure des déviations qui utilise les moyens ci-dessus. Pour mieux comprendre l'invention, on se référera maintenant à la figure annexée. Un marbre 1 constitue la véritable référence fixe à laquelle toutes les mesures seront implicitement rapportées. Le marbre est en effet connu pour sa grande rigidité et son très faible coefficient de dilatation thermique. On pourra le faire reposer sur le sol par trois vis de calage suivant le principe du "traitpoint-plan" qui assure une liberté complète de dilatation sans engendrer de contraintes internes. Sur le marbre i est monté un laser 2. Ce laser peut être monté par exemple sur le marbre par l'intermédiaire de trois vis de calage en "trait-point-plan". Le laser 2 émet un faisceau F. A la suite de l'émetteur de faisceau laser 2, sur le même marbre 1 se trouve un objectif afocal 3 placé dans l'axe du faisceau F. Cet objectif 3 a pour effet de dilater le faisceau F d'un coefficient K, ce coeffident K dépendant des caractéristiques de l'objectif. Cet objectif a trois fonctions : tout d'abord, comme il est très légèrement convergent par réglage, il permet au faisceau F de rester de section sensiblement constant sur tout son trajet. En outre, un diaphragme, non représenté, est placé au foyer commun des deux groupes de lentilles constituant l'objectif afocal 3 ; ce diaphragme épure le faisceau F. L'objectif afocal 3 est, selon la caractéris tique principale de l'inventions monté sur un support fixé au marbre 1 mais indé- pendant de l'émetteur 2 et thermiquement isolé de celui-ci, contrairement aux dispositifs d'émission de faisceau laser utilisés jusqu'à présent, dans lesquels l'objectif afocal était solidaire de l'émetteur de faisceau laser proprement dit. Les déviations du faisceau F étant dues essentiellement aux déformations thermiques du laser, en séparant émetteur du faisceau laser de l'objectif afocal, on limite ces déviations. Toutefois si ces déviations sont limitées, il n'est pas possible de les annuler complètement. Le déplacement du faisceau laser dans l'espace se décompose en une translation et une rotation. Comme le faisceau F est destiné à être utilisé comme axe de référence et que l'on ne peut pas supprimer complètement les déviations de ce faisceau, on peut tout de même essayer de mesurer ces déviations afin de pouvoir corriger les résultats des mesures effectuées à laide de cette référence optique. Pour mesurer ces déviations, translation et rotation, on utilisera les propriétés de l'objectif afocal, à savoir que l'objectif afocal multiplie les translations du faisceau par un coefficient K et qu'il divise les déviations angulaires par ce meme coefficient K. Les moyens de mesure des déviations comportent deux détecteurs photoélectriques 4 et 4' destinés à être frappés chacun par une partie du faisceau F, une partie étant prélevée en amont de l'objectif afocal 3 et l'autre en aval de celuici. Au moyen des lames semi-réfléchissantes 5 et 5', 5 étant placée en amont de l'objectif afocal 3 et 5' en aval, on prélève sur le faisceau F deux faisceaux F1 et F2. Les faisceaux F1 et F2 viennent frapper respectivement les détecteurs photoélectriques 4 et 4'. On remarquera que l'on a dévié le faisceau F1 au moyen d'une lame réfléchissante 5" dans le but de donner au dispositif un encombrement plus réduit mais il pourrait tout aussi bien conserver une direction perpendiculaire au faisceau F. Chaque détecteur 4 (ou 4') peut être constitué par exemple d'une cellule photoélectrique à quatre quadrants qui fournit deux signaux analogiques proportionnels à l'écart du point d'impact du faisceau sur le détecteur par rapport à un point d'impact initial. L'un des signaux Sx (ou S'x) est proportionnel à l'écart dans une direction et l'autre signal Sy (ou S'y) est proportionnel à l'écart dans une direction perpendiculaire. Si le faisceau est horizontal, ces deux signaux correspondent respectivement aux déviations dans un plan horizontal et dans un plan vertical. Sur la figure, on s'est placé dans un plan horizontal ; on ne voit danc que les déviations dans ce plan, Sx et S'x. Sy et S'y correspondent donc aux déviations dans un plan vertical. Si, toujours dans le plan de la figure, Tx est la translation et &alpha; x la rotation du faisceau F à la sortie de l'émetteur 2 du faisceau laser, I1 est sim &alpha;x ple d'écrire les deux équations suivantes : Sx = Tx + &alpha;xL et S'x = KTx + K 1, L et I étant les distances à l'émetteur 2 des détecteurs 4 et 4'. De ce système de deux équations à deux inconnues il est aisé de déduire Tx et Les signaux Sx et S'x peuvent etre lus sur des écrans non représentés, la résolution du système de deux équations à deux inconnues Tx et &alpha;x étant alors effec- tuée manuellement. On peut également placer à la suite des cellules 4 et 4' un calculateur qui donnera directement Tx etx. Si l'on place le détecteur 4 à une distance L grande par rapport à la translation on pourra simplifier la première équation qui pourra devenir Sx =&alpha; XL d'où l'on déduira facilementQ(x. De la même façon, si l'on place le détecteur 4' à une distance 1 faible, on pourra simplifier la deuxième équation qui deviendra S'x = KTX et déduire aisément Tx. On pourra se placer ensuite dans un plan perpendiculaire à celui de la figure et déterminer I et y à partir de Sy et S'y, de la meme façon que précé devent On verra sur la figue que l'on a représenté le faisceau F3 qui constitue un axe de référence optique qui pourra être utilisé par exemple pour des mesures de rectitude, les faisceaux F1 et F2 ne constituant que des faisceaux de contrôle servant à mesurer la stabilité angulaire du laser. Les déviations du faisceau F entratnent des déviations du faisceau F3, dont on tiendra compte dans les mesures de rectitude effectuées en prenant pour référence ce faisceau. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple mais elle pourrait faire l'objet de nombreuses variantes par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi, les cellules à quatre quadrants peuvent être remplacées par des combinaisons de cellules indépendantes arrangées en barrettes ou matrices. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'émission d'un faisceau laser destiné à définir un axe de référence dans l'espace, comportant - un émetteur de faisceau laser proprement dit monté sur un support fixe - un objectif afocal placé dans l'axe du faisceau, caractérisé par le fait que l'objectif afocal est monté sur le même support fixe tout en étant indépendant de l'émetteur et thermiquement isolé de celui-ci. 2.- Dispositif d'émission selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens pour mesurer les déviations du faisceau dans le temps par rapport à une direction initiale. 3.- Dispositif d'émission selon revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de mesure des déviations comportent deux détecteurs photoélectriques frappés chacun par une partie du faisceau, l'une étant prélevée en amont de l'objectif afocal et l'autre en aval de celui-ci, chaque détecteur fournissant des signaux analogiques fonctions de l'écart du point d'impact du faisceau sur le détecteur par rapport au point d'impact initial. 4.- Dispositif d'émission selon revendication 3, caractérisé par le fait que les détecteurs photoélectriques fournissent chacun deux signaux analogiques proportionnels aux écarts Sx et = (respectivement S'x et S'y) dans deux directions orthogonales, du point d'impact du faisceau par rapport au point d'impact initial, et qu'il est prévu un calculateur permettant, à partir de ces écarts, de déterminer la translation (Tx, Ty) et la rotation (o(x, y) du faisceau dans ces deux ditections. 5.- Procédé de mesure des déviations du faisceau optique du dispositif selon revendication 4, caractérisé par le fait qu'iL consiste à déduire la translation Tx et la rotation i x du faisceau dans une des directions et la translation Ty et la rotationcg y dans la direction perpendiculaire, en résolvant les deux systèmes de deux équations à deux inconnues suivants ( Sx = Tx + &alpha;x.L ( S'x= K.Tx +##.1 ( Sy = Ty + &alpha;y.L ( S'y=K.Ty+ CK K L et 1 étant les distances à l'émetteur des détecteurs placés respectivement en amont et en aval de l'objectif afocal.