Brevet FR2485718A1 — publié le 19811231

La présente invention se rapporte à un interféro- mètre à deux étages, notaimient pour des mesures numériques de longueurs. L'interféromètre à deux étages crée deux ima- ges d'interférence pour déterminer la direction des varia- tions de longueurs Le brevet DD 111,993 décrit un interféromètre optique pour créer deux images d'interférence dans lequel un diviseur de rayons présente, de part et d'autre de sa sur- face diviseuse et de façon sensiblement parallèle à cette dernière, une surface diviseuse supplémentaire qui est par- tiellement réfléchissante. Ces surfaces renvoient des com- posants lumineux des deux faisceaux lumineux partiels de l'image d'interférence et les font interférer à nouveau. Dans cet interféromètre à deux étages connu et basé sur le principe de "Michelson", il est prévu,pour la détermination optimale du point de référence de la mesure interférométrique, un prisme de couplage dont la présence nécessite cependant un trajet fortement asymétrique du fais- ceau lumineux à l'intérieur de l'interféromètre. Cet interféromètre connu ne permet pas d'obtenir la position la plus favorable pour le point de référence ni la symétrie dans la partie exposée aux influences météoro- logiques de l'interféromètre. De ce fait, il n'est pas pos- sible d'effectuer des mesures stables Dar rapport au point zéro pendant des temps plus longs, par exemple, à l'intérieur d'une plage de résolution comprise entre 10-8 et 109, étant donné que les éléments de l'interféromètre déterminant le trajet lumineux permettent une variation différente de la longueur du trajet optique du faisceau de mesure et du fais- ceau de référence lors d'une apparition de perturbations ther- miques. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients inhérents à l'état de la technique connu et d'augmenter la précision des systèmes de mesure interféromé- triques en rendant symétrique le faisceau lumineux dans des interféromètres à deux étages et dans des systèmes de mesure interférométriaues de façon à obtenir à l'intérieur de l'in- terféromètre un trajet optique dont la longueur est indépen- dante des influences extérieures tout en obtenant des trajets 2 2485718 parallèles pour le faisceau de mesure et le faisceau de ré- réfence. Ces problèmes sont résolus conformément à l'inven- tion pour un interféromètre à deux étages comportant un di- viseur de rayons,qui présente de part et d'autre de sa sur- face diviseuse de rayons, une surface diviseuse de rayons supplémentaires et partiellement réfléchissante du fait qu'un élément déflecteur d'une seule pièce ou composé de plusieurs prismes pouvant être ajustés, indépendamment les uns des au- tres, est disposé à l'extrémité du diviseur de rayons en regard des réflecteurs de mesure et de référence, que l'élé- ment déflecteur présente des surfaces réfléchissantes à effet optique et rendant parallèles les faisceaux lumineux tout en formant, de préférence, des angles identiques avec le plan d'interférence et que la surface de sortie des rayons de l'é- lément déflecteur s'étend perpendiculairement par rapport au plan d'interférence. Il est alors avantageux que le diviseur de rayons présente à son extrémité,en regard des réflecteurs de mesure 2Q et de référence, une surface de coupe sur laquelle est dis- posé l'élément déflecteur et qui s'étend perpendiculairement au plan d'interférence. Une solution dont la réalisation technologique est simple est caractérisée en ce que les différents prismes com- posant l'élément déflecteur sont disposés symétriquement par rapport au plan d'interférence et sont réunis pour former un élément déflecteur, les surfaces de sortie des rayons des différents prismes étant situées sensiblement dans un plan qui est perpendiculaire au plan d'interférence. Il est particulièrement avantageux lorsque la sur- face formant le plan d'interférence et les surfaces diviseu- ses de rayons s'étendant parallèlement à cette dernière sont prolongées dans le sens du trajet des faisceaux de mesure et de référence et que les prismes de découplage renvoyant et assurant le parallélisme des faisceaux lumineux sont dispo- sés sur les prolongements, non réfléchissants partiellement, de ces surfaces. La présente invention permet d'obtenir des trajec- 3 2485718 toires parallèles pour le faisceau de mesure et le faisceau de référence dans des interféromètres à deux étages et une symétrie entre les trajets de ces faisceaux à l'intérieur du diviseur de rayons. De ce fait les appareils équipés d'in- terféromètres de ce type présentent une plus grande précision parce que la longueur du trajet optique dans les faisceaux de mesure et de référence à l'intérieur de l'interféromètre reste constante même pour des temps de mesure prolongés et malgré des variations de température. Un autre avantage ré- 1Q side dans le fait que le trajet de l'ensemble des faisceaux de l'interféromètre n'est pas influencé par de faibles bas- culements de l'interféromètre. La conception des différents éléments de l'interféromètre est simple. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit, Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au des- sin annexé. La fig. 1 montre un diviseur de rayons avec un prisme déflecteur en une seule pièce. La fig. 2 représente un diviseur de rayons avec un prisme déflecteur composite. La fig. 3 représente un diviseur de rayons à sur- faces prolongées. L'interféromètre à deux étages représenté aux fi- gures 1 et 2 et utilisé notamment pour mesurer des lon- gueurs et des translations comporte avantageusement un la- ser, en tant que source lumineuse 1, un diviseur de rayons 2 avec une surface diviseuse de rayons, réfléchissant par- tiellement et servant de plans d'interférence 3 pour créer deux faisceaux lumineux séparés 4 et 5, et des réflecteurs disposés dans le trajet de ces faisceaux 4 et 5. Un réflec- teur de mesure 6 pouvant être déplacé est disposé dans le trajet du faisceau lumineux 4 et un réflecteur de référen- ce 7 est disposé, de façon immobile, dans le trajet du faisceau lumineux 5, ces réflecteurs étant réalisés avan- tageusement sous forme de réflecteurs triples, Le diviseur de rayons 2 présente de part et d'autre du plan d'inter- férence 3 une surface diviseuse supplémentaire et partiel- 2 2485718 lement réfléchissante 8 et 9. Ces surfaces s'étendent pa- rallèlement et symétriquement par rapport au plan d'interfé- rence 3. Sur son côté en regard des réflecteurs de mesure et de référence 6, 7, le diviseur de rayons 2 présente une surface de couse 10, sur laquelle est disposé un élément déflecteur 13 cui est réalisé en une seule pièce (fig. 1) ou se compose de plusieurs prismes 11 et 12 (fig. 2) pou- vant être ajustés indépendamment l'un de l'autre. L'élément déflecteur 13 comporte des surfaces optiques réfléchissan- tes 14, 15 qui forment, de préférence, des angles identi- ques avec le plan d'interférence 3. Ces angles sont calcu- lés de façon que les trajets 4 et 5 des faisceaux de mesu- re et de référence soient parallèles. Dans la forme de réa- lisation suivant le fig. 2, il est possible d'ajuster, dans certaines limites, les surfaces de réflexion 14 et 15 en agissant sur l'épaisseur des couches de ciment entre les prismes 11, 12 et entre la surface de coupe 10 et les prismes 11, 12. La surface de sortie des rayons 16 de l'élément déflecteur 13 s'étend perpendiculairement au plan d'interférence 3. Dans le montage suivant la fig. 2, les surfaces de sortie des rayons 17, 18 des prismes 11, 12 sont calculées pour qu'elles se trouvent à peu près dans un plan qui est perpendiculaire au plan d'interférence 3. Une forme de réalisation particulièrement avanta- geuse du diviseur de rayons 19 d'un interféromètre à deux étages est représentée à la fig. 3. Comme sela ressort de cette figure, le diviseur de rayons se compose de deux pla- ques 20 et 21 à plans parallèles et dont les surfaces 22, 23 et 24 sont partiellement réfléchissantes dans la zone formant le diviseur de rayons. Ces surfaces 22, 23 et 24 sont prolongées en direction des réflecteurs de mesure et de référence 6 et 7, ces prolongements n'étant pas réfléchis- sants partiellement. Des prismes de découplage 27 et 28 déviant les faisceaux lumineux et assurant le parallélisme de ces derniers sont prévus au niveau des prolongements des surfaces 22 et 24. La surface 23 représente le plan d'in- terférence analogue à la surface 3 des formes de réalisa- tion suivant les fig. 1 et 2. 2485718 Le réglage et la symétrie des trajets des faisceaux de mesure et de référence à l'intérieur de l'interféromètre peuvent être obtenus,dans l'exemple de réalisation suivant la fig. 3, grâce à un ajustement des prismes de découplage 27 et 28, l'un par rapport à l'autre, en les déplaçant le long des prolongements des surfaces 22 et 24 et en les fai- sant basculer en jouant sur l'épaisseur de la couche de ci- ment. Le fonctionnement de l'interféromètre à deux éta- ges est décrit ci-après en référence à la forme de réalisa- tion illustrée par la fig. 3, les fonctionnements des formes de réalisation suivant les fig. 1 et 2 étant analogues. Le faisceau lumineux émis par une source lumineuse 1, un laser, et dirigé avec précision, est introduit dans la partie supérieure du diviseur de rayons 2, 19 par l'in- termédiaire d'un prisme de couplage 29 disposé à côté du diviseur de rayons. Le prisme de couplage 29 a pour objet de créer des directions identiques pour le faisceau lumineux incident et les faisceaux lumineux 4 et 5 ce qui présente un avantage pour certains cas de mesure. Cependant, le fais- ceau lumineux peut, en principe, également être introduit dans le diviseur de rayons 2, 19 par l'intermédiaire du prisme 30. Le faisceau incident traverse la couche divi- seuse de la surface 23 ou il est divisé en deux faisceaux lumineux 4 et 5 représentant les faisceaux de mesure et de référence, Ces faisceaux lumineux 4 et 5 quittent l'inter- féromètre en passant par les prismes de découplage 27 et 28 et ils sont amenés à interférer en étant renvoyés par le ré- flecteur de mesure 6 et le réflecteur de référence 7 dans la partie inférieure du diviseur de rayons 2, 19 et dans la couche diviseuse de la surface 23 représentant le plan d'interférence. Les faisceaux partiels, contenant déjà l'in- formation d'interférence, arrivent ensuite, selon le principe connu à deux étages, par l'intermédiaire des surfaces 22, 23 et des prismes 30, 31, aux récepteurs de signaux 32 et 33 out en tant que composante lumineuse réfléchie par les cou- ches diviseuses 22, 24,à la surface 23 pour interférer 6 2485718 une deuxième fois au niveau du plan de cette surface 23 et arriver ensuite aux récepteurs de signaux 34 et 35, 7 24 8 5 7 18 REVFlDICATIONS 1 vInterféromètre à deux étages, notamment pour mesurer des longueurs, qui comporte une source lumineuse? un diviseur de rayons présentant en tant que plan d'interférence une surface diviseuse de rayons partiellement réfléchissante pour créer deux faisceaux lumineux séparés, un réflecteur de mesure disposé dans le trajet du premier faisceau lumineux et un réflecteur de référence disposé dans le trajet du deu- xième faisceau lumineux, le diviseur de rayons présentant de part et d'autre de la surface formant le plan d'interférence une surface diviseuse supplémentaire réfléchissante partielle- ment, ces surfaces étant situées symétriquement par rapport au plan d'interférence, caractérisé en ce qu'un élément dé- flecteur (13) d'une seule pièce ou composé de plusieurs pris- mes (11, 12) pouvant être ajustés, indépendamment les uns des autres, est disposé à l'extrémité du diviseur de rayons (2) en regard des réflecteurs de mesure (6) et de référence (7), en ce que l'élément déflecteur (13) présente des surfaces ré- fléchissantes (14, 15) à effet optique et rendant parallèles les faisceaux lumineux (4,5) tout en formant, de préférence, des angles identiques avec le plan d'interférence (3) et en ce que la surface de sortie (16) des rayons de l'élément déflec- teur (13) s'étend perpendiculairement par rapport au plan d'interférence (3). 2 - Interféromètre à deux étages suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que le diviseur de rayons (2) présente à son extrémité en regard des réflecteurs de mesure (6) et de référence (7) une surface de coupe (10) sur laquel- le est disposé l'élément déflecteur (13, 11, 12) et qui s'ê- tend perpendiculairement au plan d'interférence (3). 3 - Interféromètre à deux étages suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les différents prismes (11, 12) composant l'élément déflecteur (13) sont disposés symétriquement par rapport au plan d'interférence (3) et sont réunis pour former un élément déflecteur (13), les surfaces de sortie (17, 18) des rayons des différents prismes (11, 12) étant situées sensiblement dans un plan qui est perpendiculaire au plan d'interférence (3). 8 2485718 4 - Interféromètre à deux étages suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que la surface (23) formant le plan d'interférence et les surfaces diviseuses de rayons (22, 24) s'étendant parallèlement à cette dernière sont prolongées dans le sens du trajet des faisceaux de mesure (4) et de ré- rérence (5) et en ce que les prismes de découplage (27, 28) renvoyant et assurant le parallélisme des faisceaux lumineux (4, 5) sont disposés sur les prolongements, non réfléchissants partiellement, de ces surfaces.