Brevet FR2524633A1 — publié le 19831007

La présente invention peut être appliquée par- tout o la grandeur d'ordre physique ou technique à mesurer provoque une modification d'un trajet optique C'est le cas, par exemple, pour toutes les mesures de longueurs et c'est également valable pour les mesures d'indice de ré- fraction, de pression, de composition de gaz et pour la mesure d'une force dont l'action a pour effet de modifier la géométrie et les dimensions d'un corps. L'invention offre notamment la possibilité d'ex- plorer directement avec des ondes stationnaires, sans trou- ble et point par point, les objets ayant une bonne surface réfléchissante, par exemple tous les éléments utilisés pour la construction d'instruments d'optiques tels que lentilles, prismes, miroirs, les surfaces dont on veut vérifier la pla- néité ou d'autres objets quelconques à mesurer - On connaît des dispositifs de mesure comme, par exemple, celui du document DE 1 623 277, qui décrit un "Interferometer insbesondere zur Lângenmessung, bei welchem ein ber eine Me Bstrecke geleitetes Teilb Undel mit einem anderen Teilb Undel zur Interferenz gebracht wird" (Interfé- romètre, notamment pour la mesure de longueurs, dans lequel un faisceau partiel interfère avec un autre faisceau par- tiel), ou celui du document DE 1 673 843, qui décrit un "Verfahren zur simultanen interferometrischen Messung von zwei Lângen mittels monochromatischer Lichtbindel, welche in Teileranordnungen jeweils einer Intensitâtsaufteilung in Referenz bzw Me Obindel unterliegen und bei welchen die rlcklaufenden Mes bzw Referenzb Undel in denselben Teile- reinrichtungen zur Bildung von intensitâtsmodulierten Lich- tblndeln vereinigt werden" (Procédé pour la mesure simul- tanée, au moyen d'un interféromètre, de deux longueurs par des faisceaux de lumière monochromatique qui subissent, dans des dispositifs de subdivision, une répartition d'in- tensité dans des faisceaux de référence et de mesure et dans lequel les faisceaux de référence et de mesure se réunis- sent, sur leur trajet de retour, dans les mêmes dispositifs de subdivision, pour former des faisceaux lumineux d'inten- sité modulée), ou encore celui du document DE 1 773 541, qui décrit un "Vorrichtung zur Messung der Andersung einer optischen Weglânge mit Hilfe eines Interferometers, bei dem ein durch eine Strahlungsquelle erzeugtes elektromagnetis- ches Strahlbflndel mit Hilfe von optischen Mitteln in zwei râumlich getrennte Teilb Undel gespaltet wird, die wieder zusammengef Ugt werden und auf einen strahlungsempfindli- chen, ein Ausgangssignal liefernden Detektor fallen" (Dis- positif de mesure de la variation de la longueur d'un tra- jet optique au moyen d'un interféromètre dans lequel un faisceau de rayonnement électromagnétique produit par une source de rayonnement est subdivisé par des moyens optiques en deux faisceaux partiels séparés dans l'espace qui sont ensuite réunis et tombent sur un détecteur sensible au ra- yonnement et fournissant un signal de sortie). Ces interféromètres et d'autres appareils analo- gues présentent la caractéristique commune de comporter, quelque part sur le passage des rayons à l'intérieur de l'interféromètre, une couche de séparation qui subdivise le faisceau lumineux initial en deux faisceaux partiels, le faisceau de mesure et le faisceau de référence qui parcou- rent des distances différentes et sont ensuite réunis. L'interférence résulte alors de la superposition de deux rayonnements qui se propagent dans le même sens. L'inconvénient de ces interféromètres réside dans la nécessité d'avoir un trajet de rayonnement de référence. Il en résulte que, d'une part, on ne peut pas donner à l'in- terféromètre des dimensions réduites et que, d'autre part, le trajet du rayonnement de référence peut introduire des erreurs dans les résultats des mesures de l'interféromètre car, lorsqu'on observe des variations dans les différences de trajet à la sortie de l'interféromètre, on ne peut jamais savoir si elles proviennent du trajet de mesure ou du trajet de référence. Le but de l'invention est de permettre la réalisa- tion d'un interféromètre dans lequel le trajet des rayons de mesure, le trajet des rayons de référence et le dispositif d'exploration photoélectrique soient réunis dans une unité intégrée et dans lequel il n'y ait pas d'autres trajets de rayons qui soient perpendiculaires les uns aux autres, de sorte que l'encombrement de l'interféromètre se réduise à la place nécessaire au rayon lumineux Il devient alors possible, du fait que l'interféromètre constitue un sys- tème optique de construction simple et de dimensions ré- duites, de l'utiliser à des mesures pour lesquelles, jus- qu'à présent, on ne pouvait pas appliquer l'interféromètre. De plus, les opérations de mesure ne sont plus gênées par un déplacement angulaire possible du miroir de mesure, de sorte que lorsque l'objet à mesure présente de bonnes propriétés de réflexion on peut l'explorer direc- tement au moyen des rayons de mesure sans être astreint à un réglage précis par rapport aux rayons de mesure. La suppression du trajet de rayons de référence fait également disparaître des résultats des mesures les erreurs qui, dans les interféromètres connus, sont intro- duites par le trajet de référence dans les résultats des mesures. L'objet de l'invention est de permettre la réa- lisation d'un interféromètre ayant des dimensions aussi réduites que possible et constituant une construction opti- que simple. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait qu'entre une source lumineuse monochromatique et un miroir de mesure on produit une onde stationnaire Entre la source monochromatique et le miroir de mesure, l'installation com- prend un étalon d'exploration Cet étalon d'exploration est constitué par deux surfaces planes parallèles qui sont orientées perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde stationnaire La distance entre ces surfaces est égale à K, K étant un nombre impair quelconque et X, la longueur d'onde du rayonnement monochromatique Les sur- faces de l'étalon d'exploration sont munies de couches par- tiellement translucides et photoélectriquement actives Ces couches fonctionnent donc comme des récepteurs photoélec- triques lorsqu'elles explorent les noeuds et les ventres de l'onde stationnaire En donnant une valeur déterminée à la distance entre les surfaces, on obtient des signaux électriques ayant un déphasage de 90 qui, comme on le sait, permettent l'enregistrement, avec un signe exact, du passage des noeuds et des ventres à travers les surfa- ces de l'étalon d'exploration par application du procédé de comptage automatique en avant et en arrière. On sait que l'arrivée d'un rayon lumineux sur une surface réfléchissante produit un brusque déphasage de Si l'angle d'incidence est de 900, il y a interfé- rence de deux rayons qui se propagent en sens opposé et formation d'une onde stationnaire Les noeuds de l'onde stationnaire se situent à des distances de n A en avant de * 2 la surface du miroir, représentant tous les nombres en- tiers et les maxima se situant à des distances de K; en avant de la surface du miroir, K représentant tous les nom- bres impairs Si l'on imagine alors un plan parallèle à la surface du miroir placé à l'intérieur de l'onde station- naire et si l'on déplace ce plan dans la direction de l'on- de stationnaire, il sera traversé successivement par les noeuds et par les ventres de l'onde stationnaire et le ré- sultat sera le même si le plan reste fixe et si le miroir se déplace en lui restant parallèle Si l'on imagine, de plus, un deuxième plan, parallèle au premier, placé à l'in- térieur de l'onde stationnaire de telle manière que la dis- tance entre les deux plans soit égale à K 4, et si le mi- roir se déplace également par rapport à lui, les deux plans seront traversés successivement par les noeuds et par les maxima de l'onde stationnaire et la succession de ces pas- sages s'effectuera avec un déphasage de 9 O' Il en sera de même si le miroir est fixe et si les deux plans se dé- placent dans la direction de l'onde stationnaire tout en restant parallèle au miroir et à la même distance l'un de l'autre Lorsque le miroir est orienté perpendiculairement à l'onde stationnaire, la répartition des intensités dans les plans formés par les surfaces de l'étalon d'exploration est constante Par contre, lorsque le miroir est orienté obliquement, les fronts d'onde sont réfléchis sous un cer- tain angle par rapport aux fronts d'onde incidents et la répartition des intensités dans les plans des surfaces de l'étalon d'exploration prend une allure périodique sinusol- dale Les amplitudes des signaux émis par les récepteurs de l'étalon d'exploration diminuent à mesure que l'angle d'inclinaison ' devient plus petit et ces amplitudes de- viennent nulles lorsque la valeur enregistrée par le récep- teur est de l'ordre de la répartition des intensités pério- diques sinusoïdales Pour une surface de récepteur photo- électriquement active supposée circulaire et de diamètre a, le tableau suivant indique les valeurs de l'angle d'incli- naison o du miroir pour lesquelles la distance correspon- dant à l'ordre de grandeur dans le plan de la surface du récepteur est égale au diamètre du récepteur. o Dans ces conditions, lorsque l'objet à mesurer pré- sente une bonne surface réfléchissante, l'objet à mesurer lui-même peut assumer le rôle de miroir sans qu'un réglage précis par rapport aux rayons incidents soit nécessaire. L'invention est décrite ci-dessous au moyen de plusieurs exemples de réalisation en se référant au dessin. La fig 1 représente un étalon d'exploration cons- titué par une plaque de verre. La fig 2 représente un étalon d'exploration com- prenant une couche d'air. Les fig 3 et 4 représentent l'ensemble de l'in- terféromètre à ondes stationnaires. La fig 1 représente l'onde stationnaire produite au contact du miroir de mesure 3 par les rayons lumineux venant de la gauche A l'intérieur de la zone de l'onde stationnaire 1, l'installation comprend un étalon d'explo- ration 2 qui est constitué ici par une plaque de verre. L'étalon d'exploration est limité, dans la direction de l'onde stationnaire 1, par les surfaces 12 et 13 qui sont parallèles l'une à l'autre et situées à -une distance de K.À l'une de l'autre Les surfaces 12 et 13 sont recou- vertes de couches partiellement translucides et photoélec- triquement actives qui émettent des signaux électriques qui correspondent à la position que les surfaces 12 et 13 occu- pent à chaque instant à l'intérieur de la zone de l'onde stationnaire 1 On voit sur la fig 1 que l'amplitude du signal électrique émis par la surface 12 est nul alors que la couche qui recouvre la surface 13 produit une amplitude maximale Lorsque le miroir de mesure 3 se déplace dans le sens de la flèche et que l'étalon d'exploration 2 reste fixe, les couches photoélectriquement actives recouvrant les surfaces 12, 13 émettent donc des signaux déphasés de 900 qui permettent de déterminer, en unités de longueur d'onde du rayonnement monochromatique utilisé, d'après le procédé de comptage en avant et en arrière, le trajet opti- que parcouru à partir du miroir de mesure 3 Dans le cas d'une multiplication par quatre du nombre des impulsions, une avance d'un cran du compteur correspond à une variation de trajet optique de La fig 2 représente un autre mode de réalisation de l'étalon d'exploration 2 situé à l'intérieur de la zone de l'onde stationnaire 1 Cet étalon est constitué par deux couples de coins constitués respectivement par les coins 2 4 et 2 5 et par les coins 2 7 et 2 8 Les couches partiellement translucides et photoélectriquement actives se trouvent sur la surface 12 du coin 2 5 et sur la surface 13 du coin 2 7 Entre les surfaces 12 et 13, l'étalon d'explo- ration comporte une couche d'air La distance entre les surfaces 12 et 13 est égale à K T et l'écartement est as- suré par la pièce de maintien à distance 2 6 Cette pièce de maintien à distance 2 6 est constituée de préférence par un matériau ayant un faible coefficient de dilatation, par exemple par de l'Invar Ce mode de construction de l'étalon d'exploration permet de placer les surfaces 12 et 13 très près l'une de l'autre De ce fait, on évite pratiquement tout écart par rapport à la différence de phase de 90 des signaux électriques émis par suite des variations de la distance entre les surfaces 12 et 13 De plus, le coef- ficient de dilatation de l'Invar étant presque identique à la variation de la longueur d'onde dans l'air due à un changement de température, cette source d'erreurs est éga- lement éliminée. La fig 3 représente un mode de réalisation de l'interféromètre à ondes stationnaires Le rayonnement de la source monochromatique 9, qui peut de préférence être un laser, se réfléchit sur lui-même au niveau du mi- roir de mesure 3, de sorte qu'une onde stationnaire s'éta- blit entre la source lumineuse 9 et le miroir de mesure -3 Le décalage des ventres et des noeuds de l'onde sta- tionnaire 1 lors du déplacement du miroir 3 qui, lorsque l'objet à mesurer a une bonne surface réfléchissante, peut être lui-même le miroir de mesure, est enregistré par l'é- talon d'exploration 2 Entre la source lumineuse 9 et l'étalon d'exploration 2 l'installation comprend une plaque , de en matériau à double eéfraction Cette plaque 10, de, produit, à partir de la lumière polarisée linéaire- ment, une lumière polarisée circulairement qui est réflé- chie par le miroir de mesure 3 et traverse une deuxième fois la plaque de La lumière qui arrive de la direc- tion de la source lumineuse 9 provenant de la plaque de est polarisée, par rapport à la lumière arrivant de la sour- ce lumineuse 9 dans un plan décalé de 900, de sorte qu'il ne peut pas y avoir d'effets d'accouplement au retour entre ' l'onde stationnaire 1 et la source lumineuse 9. La fig 4 représente un autre mode de réalisation de l'interféromètre à ondes stationnaires Le rayonnement monochromatique traverse un triple prisme 11 qui est placé d'une manière dissymétrique par rapport au rayon incident. De ce fait, le rayon est décalé latéralement et parallèle- ment à lui-même et arrive sur le miroir 14 qui produit l'onde stationnaire 1 Lors du déplacement du triple prisme 11, l'onde stationnaire 1 parcourt deux-fois la distance de décalage de sorte que, dans le cas d'une multiplication par quatre de l'impulsion résultant d'un accroissement de trajet, la distance de décalage correspondante est La plaque 10, de, empêche tout effet d'accouplement de retour entre l'onde stationnaire 1 et la source lumineuse 9. REVENDICATIONS 1 Interféromètre à ondes stationnaires pour la mesure de différence de trajets optiques, constitué par une source lumineuse monochromatique et par des éléments assu- rant une double réfraction et une réflexion, caractérisé en ce qu'entre la source lumineuse monochromatique ( 9) et un miroir de mesure ( 3) il y a une onde stationnaire ( 1) et qu'à l'intérieur de la zone de cette onde stationnaire ( 1) l'installation comporte un étalon d'exploration ( 2) en matériau optiquement transparent qui est constitué par deux surfaces ( 12, 13) planes et parallèles l'une à l'autre qui sont orientées à l'intérieur de la zone de l'onde station- naire de telle manière qu'elles soient perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde stationnaire ( 1) et que la distance gui sépare l'une de l'autre ces deux surfa- ces ( 12) et ( 13) soit constante et égale à K et en ce que les surfaces ( 12), ( 13) de l'étalon d'exploration ( 2) sont munies de couches partiellement translucides et photo- électriquement actives. 2 Interféromètre à ondes stationnaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étalon d'explora- tion ( 2) est constitué par une plaque de verre. 3 Interféromètre à ondes stationnaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étalon d'explora- tion ( 2) comporte une couche d'air et est constitué par deux couples de coins ( 2 4), ( 2 5) ou ( 2 7), ( 2 8) et en ce que l'écartement entre les surfaces ( 12), ( 13) munies de couches partiellement translucides et photoélectriquement actives est assuré par un matériau ayant un faible coefficient de dilatation, par exemple par de l'Invar. 4 Interféromètre à ondes stationnaires selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre la source lumi- neuse monochromatique ( 9) et l'étalon d'exploration ( 2) l'ins- tallation comporte une plaque de >, en matériau provoquant une double réfraction optique. Interféromètre à ondes stationnaires selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un miroir ( 14) produit l'onde stationnaire ( 1) et que sur le trajet des rayons de l'onde stationnaire ( 1) l'installation comporte un triple prisme ( 11).