Brevet FR2448731A1 — publié le 19800905

La présente invention concerne un autocollimateur du type comprenant un objectif et un micromètre d'émission constitué par une fente mince éclairez, et dont ltorgane détecteur de la position de l'image de retour du micromètre est constitué par un réseau de photodiodes. On connait différentes formes de réalisation d'autocollimateurs photo-électriques à une ou deux voies de mesure, c'est-à-dire permettant de mesurer soit la rotation d'un miroir autour d'un seul axe de rotation, soit les rotations de deux miroirs autour de deux axes de rotation, de tels autocollimateurs pouvant être différentiels ou non, c'est-à-dire permettant de mesurer l'écart angulaire de deux miroirs, ou l'angle de rotation d'un seul miroir, cette rotation étant, dans ce dernier cas, rapportée à une direction de référence liée au corps même de l'autocollimateur. Quel que soit leur forme de réalisation, c'est-à-dire à une ou deux voies, différentiels ou non, les appareils de ce type constituent des instruments de grande précision -de ltordre de la seconde d'arc- si bien que le choix entre l'une ou l'autre de ces formes de réalisation. est le résultat d'un compromis entre les deux impératifs qui peuvent être le champ de mesure et la bande passante. En effet, si l'on recherche un champ de mesure relativement étendu, il est nécessaire de faire travailler l'autocollimateur en appareil de zéro, donc de lui adjoindre un déviateur optomécanique, comme par exemple, un diasporamètre, une lame à faces parallèles ou encore un système électro-optique ou acousto-optique, dont le déplacement, mesuré par des moyens appropriés, mesure la valeur de la rotation angulaire cherchée. Mais, d'un autre côté, la présence d'un servo-mécanisme a pour conséquence la limitation de la bande passante à quelques Hertz.Pour des raisons inverses un autocollimateur à large bande passante ne peut comporter de déviateur opto-mécanique et le champ de mesure est alors limité à quelques minutes d'arc, et dans les cas les plus favorables à quelques dizaines de minutes d'arc. L'apparition sur le marché, à une époque récente, des réseaux de photodiodes, permet maintenant de modifier les termes de ce compromis et de réaliser des autocollimateurs différentiels ou non, ayant à la fois un champ important et une large bande passante ; mais dans l'état actuel des choses, pareil avantage, n'est acquis d'une part, qu'au prix d'une limitation de la précision, et, d'autre part, qu'en ce qui concerne les autocollimateurs à une seule voie. La présente invention apporte un remède à cette double limitation en fournissant des autocollimateurs différentiels ou non, à une seule ou à deux voies ayant à la fois un champ important, une bande passante largement étalée et d'une grande précision. Un autocollimateur selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte : un micromètre d'émission constitué par une fente mince éclairée par une source lumineuse, disposé au foyer d'unobjectif placé en regard d'au moins un miroir cible associé à l'objet dont le déplacement angulaire est à mesurer et un organe détecteur de la position de l'image disposé dans le plan focal de l'objectif et constitué par un réseau de photodiodes. Afin d'éviter toute ambiguité dans la lecture des résultats de mesure, la valeur de l'angle de rotation du miroir cible est déduite du comptage des impulsions de balayage du réseau de photodiodes par le faisceau de retour du miroir entre l'origine dudit réseau et la première impulsion correspondant à une photodiode éclairée. De manière avantageuse et pour éliminer toute source d'erreur qui pourrait provenir du fait de la largeur de la fente d'émission et/ou d'une éventuelle défocalisation, la valeur de la rotation du miroir cible est déduite du comptage des impulsions de balayage du réseau de photodiodes par le faisceau de retour du miroir entre l'origine dudit réseau et la première impulsion correspondant à une photodiode éclairée, d'une part, et du comptage desdites impulsions entre l'origine dudit réseau et la dernière impulsion correspondant à une photodiode éclairée!d'autre part. Un autocollimateur différentiel selon l'invention, est caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un second miroir cible, un séparateur interposé à la sortie de leobjec- tif entre ce dernier et ledit second miroir, ledit séparateur étant avantageusement consituté par un cube de Lummer dont la face semi-transparente est incliné à 45" sur l'axe optique de l'objectif et en direction de celui-ci. Comme l'autocollimateur à une seule voie, l'autocollimateur différentiel selon l'invention est caractérisé par le fait que l'angle que font entre eux ces deux miroirs cibles est déduit d'un comptage effectué entre les impulsions fournies par l'image de la fente d'émission correspondant à l'un des miroirs et les impulsions fournies par l'image de la fente d'émission correspondant à l'autre -miroir. Selon une autre forme de réalisation, un modulateur de faisceau est interposé entre la sortie de l'objectif et les deux miroirs, les mesures de variations angulaires relatives à chacun d'eux étant effectuées alternativement sur l'une des voies et sur l'autre. Le même résultat peut être atteint, selon l'invention, en introduisant un décalage systématique de trajet du faisceau de retour entre les deux miroirs, de manière que chaque image occupe une plage d'emplacement prédéterminée sur le réseau de photodiodes. Avantageusement, le décalage de trajet des faisceaux de retour des deux miroirs est réalisé par l'interposition d'un prisme sur chaque voie optique. L'autocollimateur différentiel selon l'invention permet la discrimination des trajets des faisceaux correspondant à chacun des deux miroirs. A cet effet, on effectue en avant de l'objectif une séparation dichrolque du faisceau issu de l'autocollimateur et la même séparation dichrolque à l'intérieur de l'autocollimateur avant son plan focal, chacun des deux faisceaux résultant de cette séparation dichrolque balayant un réseau de photodiodes, les deux réseaux de photodiodes correspondant étant conjugués l'un de l'autre par rapport au plan focal. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description faite ci-après en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique d'un micromètre de réception utilisant un réseau de photodiodes - la figure 2 représente la forme du signal de balayage de ce réseau en fonction du temps - la figure 3 représente la forme du signal formé par le balayage en un signal enveloppe puis en signal carré - la figure 4 représente une vue schématique d'un autocollimateur différentiel selon l'invention - la figure 5 représente la forme générale des signaux délivrés par l'appareil de la figure 4 ; et - la figure 6 représente une forme de réalisation possible d'un autocollimateur selon l'invention. Sur ces figures, les mêmes signes de références représentent les mêmes éléments. En se référant d'abord aux figures 1, 2 et 3, un autocollimateur selon l'invention peut etre constitué de la manière suivante. Il comporte essentiellement un réseau de photodiodes 1 placé dans le plan focal d'un objectif 2, et un autocollimateur constitué, par exemple, par un cube de Lummer 3 disposé entre le réseau 1 et l'objectif 2, et une fente fine 4 uniformément éclairée par tout moyen connu approprié, tel qu'une ampoule (non représentée). Le système optique tel que ci-dessus réalisé est associé au miroir cible lié à l'ob- jet dont on veut mesurer le déplacement.L'image de la fente 4 dans le système formé par le cube de Lummer, dont la face semiréfléchissante est inclinée à 450 sur l'axe optique de l'objec- tif et en direction du réseau i, l'objectif 2 et le miroir cible, se forme au retour sur ce même réseau de photodiodes, dans lequel seules certaines photodiodes sont éclairées par cette image, c'est-à-dire par le faisceau lumineux, issu du miroir à travers l'objectif et le cube de Lummer et délivrent un signal lors du balayage du réseau par ce faisceau, signal qui est fonction du temps. Un réseau de photodiodes est, en effet on le sait, constitué par un ensemble de diodes de faibles surfaces, placées côte à côte et espacées d'une distance généralement très faible appelée "pas",-un tel pas pouvant être, par exemple de 15 ou 25 microns. Il existe des réseaux comprenant ainsi alignées plus de mille diodes. L'état de charge de chaque photodiode est mesuré séquentiellement. Si leur balayage par un faisceau lumineux à la fréquence de 1 MHz et si le réseau comprend mille diodes, l'état de chaque diode est mesuré tous les 1/1000 de seconde et la mesure obtenue est proportionnelle à l'énergie lumineuse reçue par chaque photodiode pendant ce 1/1000 de seconde. C'est un réseau se présentant de la manière que l'on vient d'indiquer que comporte l'autocollimateur selon l'invention et que balaie le faisceau lumineux issu du miroir cible avec lequel il coopère. On a représenté sur la figure 2 la forme générale du signal issu du système de balayage en fonction du temps.Le début du balayage se situe en 5 à une extrémité du réseau ; dans la région 6, les diodes, éclairées par le faisceau, fournissent un certain nombre d'impulsions, correspondant à leur position ; enfin, le balayage se termine en 7 à l'autre extrémité du réseau. Ainsi, un comptage commencé en 5 et arrêté en 6 permet de connaître la position de l'image par rapport à l'origine. Si l'on désigne par d la valeur de l'écart séparant deux photodiodes successives, ou pas de réseau, et par f la valeur de la focale de l'objectif, la plus faible variation a d'angle qu'il est possible de mesurer est tgAa = d/2f = (puisque d est très petit vis à vis de f), et si n est le nombre total de photodiodes du réseau, la variation d'angle la plus élevée qu'il soit possible de mesurer est n.a = n.d/2F. En général, et comme représenté sur la figure 2, du fait de la largeur de la fente d'émission et des défocalisations éventuelles, plusieurs photodiodes du réseau sont éclairées simultanément, ce qui risque d'entacher d'erreur le résultat final. On remédie avantageusement à cet état de choses en comptant les impulsions de balayage, d'une part, depuis l'ori- gine 5 jusqu'à la première photodiode éclairée et d'autre part, depuis l'origine jusqu'à la dernière photodiode éclairée. On en déduit par différence le nombre de photodiodes éclairées au cours du balayage. On peut également pour connaître ce nombre, comme représenté sur la figure 2, transformer le signal fourni par le balayage en un signal analogique enveloppe (figure 3a), puis grâce à un seuil en un signal carré (figure 3b).Le comptage est alors effectué d'une part entre le début du réseau et le front de montée de ce signal carré et, d'autre part, entre le début du réseau et le front de descente. De cette manière, on peut effectuer une certaine interpolation dans la mesure du déplacement de l'image de la fente d'émission fourni par le système optique ci-dessus décrit. Bien entendu, dans ce même système le réseau de photodiodes est associé à un ensemble électronique de captage et de traitement des signaux reçus par le réseau de photodiodes, et d'enregistrement des résultats de mesure, ensemble qui est de tout type connu approprié. L'autocollimateur ci-dessus décrit peut être modifié de manière à constituer un autocollimateur différentiel. Ce résultat est obtenu, comme représenté sur la figure 4, en disposant un séparateur 8 qui peut être, par exemple, un cube de Lummer, entre l'objectif 2 et un premier miroir M1 lié à l'objet dont on veut mesurer le déplacement et entre ce même objectif 2 et un second miroir M2. La face semi-réfléchissante du cube de Lummer 8 est inclinée à 45" sur l'axe optique de l'objectif 2 et en direction du miroir M1 ; un miroir auxiliaire m parallèle à la face semi-transparente du cube de Lummer 8 est interpose entre ce dernier et le second miroir M2, celui-ci recevant alors, par l'intermédiaire dudit miroir auxiliaire m, la partie du faisceau collimaté issue de l'autocolli- mateur et réfléchie par la face semi-transparente du cube de Lummer 8 > tandis que le miroir M1 reçoit la partie de ce faisceau collimaté qui traverse le cube de Lummer 8 sans être réfléchie. Le séparateur 8 permet ainsi d'envoyer le faisceau collimaté issu de l'autocollimateur simultanément sur le miroir M1 et le miroir M2. Le signal délivré du fait du balayage du réseau de photodiodes par le faisceau de sortie de l'autocollimateur présente alors l'aspect représenté surla figure 5, c'est-à-dire comporte deux zones de regroupement d'impulsions correspondant l'une au balayage par le faisceau réfléchi par le miroir M1 > l'autre au balayage par le faisceau réfléchi par le miroir M2. Le comptage des photodiodes éclairés par chacun desdits faisceaux est alors effectué entre la première impulsion correspondant, d'une part, à l'image de retour due au miroir M1 et la première impulsion correspondant à l'image de retour due au miroir M2 et, d'autre part, les dernières impulsions correspondan tes. Pour éviter toute ambiguité ou toute confusion entre les impulsions dues à l'un ou l'autre des deux faisceaux, il suffit de donner aux miroirs M1 et M2 une position initiale relative telle que l'image due à M1 se forme toujours dans un certain secteur du réseau et l'image due à M2 dans un autre secteur de ce même réseau. I1 est toutefois possible aussi d'éviter de recourir à ce moyen tout en levant toute ambiguité ou confusion entre les impulsions dues à l'un ou l'autre des deux miroirs. A cet effet, on peut interposer entre les miroirs M1 et M2 d'une part, et le séparateur 8 d'autre part, un modulateur de faisceau (non représenté), c'est-à-dire un dispositif mécanique de type connu permettant d'envoyer le faisceau lumineux tantôt sur le miroir M1 tantôt sur le miroir M2 ce qui permet de mesurer alternativement la position angulaire du miroir M1 et celle du miroir M2. On peut ainsi en déduire la position relative de l'un par rapport à l'autre par le calcul de la différence de leurs positions respectives. Un tel dispositif peut être constitué de différentes manières, et être extérieur au collimateur. C'est ainsi, par exemple, qu'il peut être constitué par un jeu de volets manoeuvrés de manière qu'ils interrompent alternativement les faisceaux lumineux vers le miroir M1 et vers le miroir M2. I1 peut également être constitué par un disque muni d'un ou plusieurs orifices et entraîné en rotation autour de son axe, la position de l'orifice ou des orifices, et sa vitesse de rotation étant tels que lorsqu'un des deux faisceaux n'est pas occulté, c'est-à-dire que son trajet passe par ledit orifice, l'autre faisceau le soit. Dans le cas d'un autocollimateur différentiel utilisant un réseau de photodiodes, on peut, selon l'invention viser directement sur l'un des miroirs, M1 > par exempleoet, sur l'autre, M2, par l'intermédiaire d'un trièdre trirectangle 9, dont l'une des l'une des facesestconstituéeparuncubecomportant une sur- face semi-transparente et un toit optique.Comme représenté sur la figure 6, le trièdre trirectangle 9 formé comme ci-dessus indiqué est disposé sur le trajet du faisceau réfléchi par la face semi-transparente du cube de Lummer 8 formant séparateur, entre celui-ci et le miroir M2, la face semi-transparente dudit trièdre trirectangle étant inclinée à 450 sur l'axe du faisceau réfléchi par la face semi-transparente du cube 8 et en direction du miroir M2. Pour distinguer les signaux en provenance de l'un ou l'autre des deux miroirs sur le réseau de photodiodes, on crée, entre les deux faisceaux de retour et, selon l'invention, un décalage optique systématique tel que l'image de retour de chaque miroir occupe une plage bien déterminée du réseau de photodiodes. Ce décalage peut être aisément obtenu en interposant un prisme (non représenté) sur l'une des voies optiques ou un prisme sur chacun des deux voies optiques. Dans ce cas, on interpose un prisme (non représenté) entre le séparateur 8 et le miroir M1 et/ou un prisme entre le séparateur 8 et le miroir M2. Selon l'invention, cette discrimination peut être obtenue également, en effectuant une séparation dichroïque entre les deux miroirs. laquelle est obtenue sur la première face semi-transparente du trièdre trirectangle, chacune des voies de retour ainsi créée coopérant avec un réseau de photodiodes. A cet effet, l'autocollimateur comporte un premier séparateur di chronique 10 disposé devant l'objectif 2 et entre ce dernier et le miroir M1, séparateur dont la face semi-transparente est inclinée à 45" sur l'axe optique de l'objectif en direction du miroir M1, et un second séparateur dichroïque Il associé à l'autocollimateur 3, disposé entre celui-ci et, d'autre part, un premier réseau la de photodiodes coopérant avec la voie de retour correspondant au miroir M1 et, d'autre part, un second réseau lb de photodiodes coopérant avec la voie de retour correspondant au second miroir M2, les deux séparateurs dichroiques 10 et Il donnant les mêmes bandes passantes que le séparateur 8 disposée devant l'objectif, et les deux réseaux de photodiodes étant conjugués par rapport au plan focal de l'objectif. Comme dans le cas de l'autocollimateur à une voie décrit plus haut, chacun des deux réseaux de photodiodes est associé à un ensemble électronique de captage, de traitement des signaux qu'ils reçoivent > et de coordination des résultats ensembles qui peuvent être de tout type connu approprié. Il est bien entendu, que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra, apporter des équivalents techniques à ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention lequel est défini comme ci-après revendiqué. REVENDICATIONS 1. - Autocollimateur digital de visée d'un miroir cible, caractérisé par le fait qu'il comporte un micromètre d'émission constitué par une fente mince éclairée par une source lumineuse, et disposée au foyer d'un objectif placé en regard d'au moins un miroir cible associé à l'objet dont le déplacement angulaire est à mesurer et un organe détecteur de la position de l'image disposé dans le plan focal de l'objectif et constitué par un réseau de photodiodes. 2. - Autocollimateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour la lecture des résultats de mesure, la valeur de l'angle de rotation du miroir cible est déduite du comptage des impulsions de balayage du réseau de photodiodes par le faisceau de retour du miroir entre l'origi- ne dudit réseau et la première impulsion correspondant à une photodiode éclairée. 3. - Autocollimateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la valeur de la rotation du miroir cible est déduite du comptage des impulsions de balayage du réseau de photodiodes par le faisceau de retour du miroir entre l'origine dudit réseau et la première impulsion correspondant à une photodiode éclairée, d'une part, et du comptage desdites impulsions entre l'origine dudit réseau et la dermière impulsion correspondant à une photodiode éclairée,d'autre part. 4. - Autocollimateur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un second miroir cible, un séparateur interposé à la sortie de l'objectif entre ce dernier et ledit second miroir, ledit séparateur étant avantageusement constitué par un cube de Lummer dont la face semi-transparente est incliné à 450 sur l'axe optique de l'objectif et en direction de celui-ci, et qu'ainsi on réalise un autocollimateur différentiel à deux voies. 5. - Autocollimateur différentiel selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'angle que font entre eux les deux miroirs cibles est déduit d'un comptage effectué entre les impulsions fournies par l'image de la fente d'émission correspondant à l'un des miroirs et les impulsions fournies par l'image de la fente d'émission correspondant à l'autre miroir. 6. - Autocollimateur différentiel selon les revendications 4 et 5 > caractérisé par le fait qu'un modulateur de faisceau est interposé entre la sortie de l'objectif et les deux miroirs, les mesures de variations angulaires relatives à chacun d'eux étant effectuées alternativement sur l'une des voies et sur l'autre. 7. - Autocollimateur différentiel selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on introduit un décalage systématique de trajet du faisceau de retour entre les deux miroirs, de manière que chaque image occupe une plage d'emplacement prédéterminée sur le réseau de photodiodes. 8. - Autocollimateur différentiel selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le décalage de trajet des faisceaux de retour des deux miroirs est réalisé par l'interposition d'un prisme sur chaque voie optique. 9. - Autocollimateur différentiel selon les revendications 4et 5, caractérisé par le fait quepour ladiscrimibation des trajets des faisceaux correspondant à chacun des deux mi rois, on effectue en avant de l'objectif une séparation di chronique du faisceau issu de I'autocollimateur et la même séparation dichroïque à l'intérieur de l'autocollimateur avant son plan focal, chacun des deux faisceaux résultant de cette séparation dichrolque balayant un réseau de photodiodes, les deux réseaux de photodiodes correspondant étant conjugués l'un de l'autre par rapport au plan focal. 10. - Autocollimateur différentiel selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comporte en avant de l'objectif un premier séparateur dichrolque, un trièdre trirectangle interposé entre ledit premier séparateur et le second miroir cible, un second séparateur dichroïque interposé simultanément entre le cube de Lummer ces l'autocollimateur et un premier réseau de photodiodes et entre ledit cube de Lummer et un second réseau de photodiodes, les plans dans lesquels sont disposés les deux dits réseaux étant conjugués par rapport au plan focal de l'objectif.