Brevet FR2530802A1 — publié le 19840127

La présente invention se rapporte à des procédés et appareils pour mesurer optiquement des distances linéaires et elle a trait plus particulièrement à l'emploi de fi- gures de franges de moiré pour effectuer de telles mesures linéaires. Dans de nombreux processus industriels et scienti- fiques, il est nécessaire de mesurer avec exactitude et pré- cision des distances linéaires Dans certains processus in- dustriels,il est souvent nécessaire de connaître le change- ment du niveau de liquides Par exemple, le processus de croissance de cristaux au cours duquel le tirage du cristal est commandé par le niveau de la phase liquide nécessite des déterminations précises et rapides des changements-de niveau du liquide On peut également effectuer certaines mesures, telles que le rythme de variation d'un volume d'eau qui se refroidit dans un récipient ouvert,en mesurant le changement de niveau du liquide De même, on mesure des distances li- néaires-pour déterminer l'épaisseur de corps réfracteurs de phase, tels que des lentilles ou même des plaques transpa- rentes ou vitres pour fenêtres ou regards. Lorsqu'on détermine l'épaisseur exacte de vitres ou le niveau précis d'un liquide contenu dans un-récipient en uti- lisant les procédés et/ou équipements de la technique anté- rieure, on se heurte à-certains problèmes Par exemple, l'exécution de ces mesures linéaires à l'aide de moyens mé- caniques pose un problème immédiat Les mesures mécaniques sont habituellement effectuées à un point o à des points fixes du liquide ou de la plaque transparente ou vitre Ces points peuvent ne pas être réellement représentatifs des di- mensions En outre, l'exécution des mesures engendre des er- reurs Par exemple, le liquide peut être chaud ou corrosif et ainsi agir défavorablement sur les instruments de mesure. En outre, la tension superficielle de l'interface liquide- solide a une influence sur le niveau du liquide D'autres problèmes peuvent se présenter; par exemple, le liquide peut présenter des ondulations et, de ce fait, la mesure peut ne pas indiquer le niveau moyen De même, lorsqu'on mesure 1 '6- paisseur d'un solide, la mesure peut être effectuée à un point ou il y a, par exemple, une bulle d'air qui rend l'n- paisseur différente de l'épaisseur moyenne. Des procédés optiques conviennent à cette fin étant donné qu'ils sont non intrusifs et qu'ainsi il n'y a aucun contact entre l'appareil de mesure et le liquide ou le so- lide Cependant, les procédés optiques de la technique anté- rieure sont relativement couteux, étant donné qu'ils néces- sitent, en général, l'emploi d'une lumière cohérente Il est relativement onéreux de maintenir dans une installation in- dustrielle un appareil interférométrique stable à -> près, condition qui eÉt requise pour les mesures interférométriques. En outre, dans le domaine micrométrique, la surface d'un li- quide est rarement stable Par conséquent, une condition que devraient satisfaire l'appareil pour être d'une utilisation pratique est qu'il ne devrait pas être local mais qu'il de- vrait couvrir une grande partie de la superficie du liquide ou de la vitre qui est mesuré afin de ne pas être influencé par de petites fluctuations dues à la présence de bulles d'air ou d'ondelettes accidentelles. La présente invention a notamment pour but de pallier ces problèmes, entre autres, et de réaliser un appareil de mesure optique qui utilise une lumière non cohérente et qui couvre une grande partie de la superficie du liquidé ou du solide qui est mesuré. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de réaliser un nouvel appareil et un nouveau procédé perfectionnés pour mesurer des distances linéaires au moyen desquels les inconvénients ci-dessus mentionnés sont consi- dérablement atténués voire supprimés et au moyen desquels l'objectif ci-dessus énoncé est atteint. Conformément à la présente invention, il est prévu un appareil pour effectuer des mesures linéaires, cet appareil comprenant: une source de lumière collimatée; une distance inconnue définie par des surfaces situées respectivement au début et à la fin de la distance inconnue; un premier réseau disposé entre la source de lumière collimatée et lesdites surfaces; un second réseau positionné de façon à recevoir la lu- mière collimatée provenant desdites surfaces après que cette lumière a atteint ces surfaces en provenance du premier ré- seau; -les premier et second réseaux étant déplacés en rota- tion l'un par rapport à l'autre d'un angle e; un écran disposé après le second réseau pour recevoir des figures de franges de moiré; et des moyens pour déplacer les figures de moiré en fonction de ladite distance inconnue de sorte que la me- sure de la valeur du déplacement permet de déterminer ladite distance inconnue. Suivant une caractéristique de l'invention, il est pré- vu un procédé pour mesurer le changement de niveau de la surface d'un liquide qui consiste:à obtenir une première figure de moiré alors que le niveau de la surface du liquide est à une première position, la -lumière collima- tée étant projetée à travers un premier réseau et réfléchie par la surface située dans la première position à travers un second réseau pour produire une première -figure de moiré sur l'écran,puis à projeter une seconde figure de moiré sur l'écran mais après qu'il se soit produit un changement de niveau du liquide. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un procédé pour déterminer l'épaisseur d'une plaque transparente en verre ou analogue ou d'un objet de phase, par exemple, qui consiste à placer la plaque transpa- rente entre deux réseaux de Ronchi pour produire une première figure de moiré sur l'écran puis à déplacer en rota- tion la plaque transparente dont l'épaisseur est mesurée, cette rotation modifiant la figure de moiré Si l'on connait l'indice de réfraction de la matière transpa- rente,le changement de la figure de moiré provoqué par la rotation de la plaque transparente dont on mesure l'épaisseur peut être utilisé pour mesurer l'épaisseur de la plaque. Alternativement, on peut utiliser le procédé employé pour déterminer l'épaisseur de la plaque de verre ou ana- logue pour déterminer l'indice de réfraction du verre dans le cas o l'on connait l'épaisseur du verre mais non son indice de réfraction - De même, on peut employer le procédé utilisé pour me- surer le changement de niveau d'un liquide pour étudier la cinétique d'évaporation de liquides en refroidissement Ainsi, on peut calculer la chaleur de vaporisation en déterminant le changement de -figure de moiré provoqué par un changement du niveau du liquide par intervalles de temps donnés et à des températures données. D'une manière générale, un procédé selon l'invention utilisant des figures de franges de moiré pour ef- fectuer des mesures linéaires comporte les étapes qui con- sistent à collimater une lumière émise par une source lumi- neuse, à transmettre la lumière collimatée à travers un ré- seau sur une première surface, à projeter la lumière réflé- chie par la première surface à travers un second réseau sur un écran pour produire une première figure de moiré, à modifier la position de la surface de la distance inconnue de façon ainsi à produire une seconde figure de moi- ré qui est différente de la première figure de moi- ré, à déterminer les différences entre les première et se- conde ficgures de moiré et à utiliser ces différences pour déterminer la distance inconnue. On comprendra mieux le fonctionnement et l'utilisation de la présente invention à la description qui va suivre de modes de réalisation préférés considérés à la lumière des dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 est une-représentation schématique d'un pre- mier mode de réalisation d'un appareil pour mesurer les chan- gements de hauteur de liquides; la Fig 2 représente un exemple d'une figure de moiré obtenue en utilisant l'appareil de la Fig 1; la Fig 3 est une vue qui représente une figure de moiré produite par réflexion à partir de la surface de l'eau d'un bain déterminé et montre le changement de fi- gure produit par un changement du niveau de l'eau; les Fig 4 a et 4 b sont des vues schématiques de l'appa- reil utilisé pour mesurer l'épaisseur d'une plaque transpa- rente ou l'indice de réfraction de la plaque; et la Fig 5 est une représentation d'un appareil plus élaboré conçu pour déterminer le changement de hauteur d'un liquide. Sur la vue schématique de la Fig 1, on a représenté un appareil de mesure de distance qui comprend une source de lu- mière 12 qui fournit dé la lumière à un collimateur 13 Le faisceau de lumière collimatée défini par les limites 14 et 16 dudit faisceau traverse un premier réseau, de préférence un réseau de Ronchi, désigné par la référence G 1 La lumière transmise par le réseau frappe la surface d'un liquide si- tuée à un premier niveau puis à un second niveau, ces ni- veaux étant représentés respectivement par une ligne 17 et une ligne 18 La ligne 17 représente le niveau supérieur et la ligne 18 le niveau inférieur La distance entre le niveau 17 et le niveau 18 est désignée par la référence H C'est cette distance qui est mesurée par l'appareil. La lumière collimatée qui traverse le réseau G 1 est ré- fléchie par la surface du liquide puis traverse un réseau G 2. La lumière réfléchie par la surface 17 est représentée par des lignes 19 et 21 On a également représenté la lumière réfléchie par la surface 18 qui est délimitée par des lignes 22 et 23. La lumière qui traverse le réseau G 2 frappe un écran 24. L'écran est représenté dans le plan YZ de même que les ré- seaux G 1 et ' 2 figure de moiré projetée sur l'écran a été représentée sur la Fig 2. Sur la Fig 2, le réseau G 1 et le réseau G 2 sont repré- sentés comme faisant entre eux un angle G te pas de chacun des réseaux est désigné par la référence P La figure de moiré a un réseau dont le pas est égal à 'ô On notera que le réseau G'1 représenté sur la Fig 2 est l'image du ré- seau G 1 qui est réfléchie par la surface supérieure du li- quide En outre, bien que les réseaux G'1 et G 2 soient repré- sentés comme se chevauchant, on comprendra que le degré de chevauchement varie lorsque le niveau du liquide change Le changement de hauteur du liquide provoque un déplacement de la figure de franges de moiré formée par les réseaux G 1 et G 2 Ce déplacement a été représenté par exemple sur la Fig 3 au sommet de laquelle on a représenté une figure de franges qui est décalée par rapport à la figure représentée dans la partie inférieure de la Figure La figure de franges de moiré 26 représentée en haut de la Figure est obtenue lorsque la hauteur du liquide est égale à h 1, la figure 27 est obtenue lorsque la hau- teur est inférieure,et égale à h 2 L'importance du décalage est une fonction du changement de hauteur du liquide. Le décalage T des figures de franges de moiré pour les petites valeurs de l'angle e, est égal ou approxi- mativement égal à 2 H coso, formule dans laquelle t' est l'angle d'incidence Le changement de la hauteur est égal au décalage des franges de moiré ou à os - La sensibilité de la mesure est déterminée par la réso- lution du décalage des franges de moiré, le pas de la figure de moiré finale étant égal à P' qui est égal à p Ainsi, la sensibilité est déterminée par la fraction du pas P' qui peut être résolue ou conformément à l'équation: 2 Hmin coso( F e Etant donné que P' est égal à e, le changement minimal détec- )p table du niveau de liquide est H min = 2 F Cosv( Ainsi, par exemple, pour détecter un changement de niveau de 10 micro- mètres, il est nécessaire d'utiliser des réseaux ayant un pas de 5 lignes au millimètre,c'est-à-dire F = 10. On notera que le procédé décrit ici est différent du procédé de déflectomètrie de moiré décrit notamment dans les demandes de brevets déposées le même jour que la présente demande au nom de la demanderesse sous les titres "Marqueurs de fréquences", "Procédé et appareil pour mesurer l'indice de réfraction de fluides" et "Niveau optique" Dans la déflec- tométrie de moiré, les réseaux sont tous deux situés dans le trajet du faisceau réfléchi Dans un tel agencement, au- cun changement de la figur de moir n'est observé à la suite du changementde niveau du liquide Seules les inclinaisons de la surface sont observées Cependant, l'agen- cement décrit ici est également un déflectomètre et si la surface n'est pas stable, une figure déformée est pro- jetée sur l'écran 24 On peut démontrer que le déplacement de la figure de franges de moiré d'une quantité h est dûe à a dérivée Pde la surface à ce point, donné par la formule = h tdans laquelle a est la distance parcourue 2 à par le faisceau de lumière collimatée entre les deux réseaux. Dans la déflectométrie de moiré, le facteur de grossisse- ment est déterminé par l'angle e et par la distance f Par contre, dans le procédé décrit ici, la distance n'a pas d'influence sur la sensibilité On calcule la plus petite dérivée détectable dans cet appareil du fait de son action déflectométrique au moyen d'une équation semblable à l'équa- tion précédente utilisée pour calculer H min,à savoir Pl On peutains Hmin= - Ainsi, vmin est égale à On peut ainsi ré- duire le "bruit" provoqué par le mouvement de la surface en réduisant la distance A Une lecture du bruit peut cependant être avantageuse du fait qu'elle est indicative de la planéi- té de la surface mesurée. L'appareil et le procédé représentés sur les Fig 4 a et 4 b sont utilisés pour mesurer l'épaisseur T d'une plaque transparente, telle qu'une vitre de fenêtre Il existe deux facteur inconnus impliqués dans cette mesure, à savoir l'6- paisseur T et l'indice de réfraction N dont l'un doit être connu La Fig 4 a représente la figure obtenue initia- lement lorsque la lumière collimatée traverse tout d'abord le réseau G 1 puis est défléchie ou réfractée dans la plaque. La Fig 4 b représente la plaque après qu'elle a été déplacée en rotation pour changer l'angle d'incidence de d en O ( 2 La lumière collimatée est représentée sur la Fig 4 a par une ligne 29 qui traverse le réseau G 1 et frappe la vitre 28 à un angle c 1 par rapport à la perpendiculaire Dans le verre, la lumière est réfractée de la ligne 29 à la ligne 31 Le faisceau lumineux est ainsi défléchi d'une distance qu'il quitte le verre par rapport à l'emplacement o il se serait trouvé s'il n'avait pas été réfracté Le faisceau lu- mineux sort de la vitre à un angle o( 1 par rapport à la per- pendiculaire L'importance de la déflexion est une fonc- tion de l'épaisseur T, de l'indice de réfraction de la vitre et de l'angle d'incidence " 1 La lumière traverse le réseau G 2 et est projetée sur l'écran S sur lequel est formée une figure de moiré par la lumière qui a traversé les deux réseaux G 1 et G 2. Sur la Fig 4 b, la vitre est représentée après qu'elle a été déplacée en rotation de sorte que l'angle d'incidence 2 est différent de l'angle d'incidence i Par conséquent, la distance J 2 est également différente de la distance Y et il y a un décalage de la figure de franges de moi- ré projetée sur l'écran S. Du fait-du changement dans la distance J, de en la figure de moiré, se déplace d'une manière semblable au déplacement représenté sur la Fig 3 On peut démontrer que l'indice de réfraction Ainsi, si l'on connait l'indice de ré- fraction de la vitre, on peut alors déterminer son épaisseur. Si l'on connait l'épaisseur, on peut alors déterminer l'in- dice de réfraction. Au cours d'une mesure effectivement réalisée, on a uti- lisé deux réseaux ayant un pas P de 0,125 mm On a placé une vitre de "Plexiglass" (marque) de 8 mm d'épaisseur dans une disposition parallèle aux plans des réseaux Ensuite, on a déplacé la vitre jusqu'à ce qu'un déplacement d'une frange complète P' soit observée Ceci s'est produit à un angle de 2,95 Ainsi, dans l'équation Y était égale à P Ensuite, on a calculé que N était égal à 1,435 6 x 10 On décrira maintenant une version plus élaborée de l'appareil que l'on a décrit ci-dessus en se référant à la Fig 1, version que l'on a utilisée pour étudier la ciné- tique d'évaporation d'un liquide de refroidissement (eau) à l'air libre L'appareil a permis d'effectuer une mesure précise de la diminution du niveau du liquide. L'appareil utilisé a été schématiquement représenté sur la Fig 5 Sur cette figure, une lumière collimatée 36 est dirigée vers la surface du liquide contenu dans le ré- cipient 35 à travers un premier réseau de Ronchi G 1 La lu- mière frappe la surface du liquide à un angle o et est, na- turellement,réfléchie suivant cet angle i La lumière ré- fléchie est projetée à travers un second réseau de Ronchi G 2, un filtre 38 et une fente 37 sur une photodiode 42 Le si- gnal de sortie de la photodiode 42 est transmis par un con- ducteur 40 à un amplificateur 41 La sortie de l'amplifica- teur est reliée à un enregistreur 43 par un conducteur 44. La fente limite la partie de la figure de franges de moiré transmise à la photodiode à une unique frange Le filtre 38 dont la bande passante est centrée sur 632,8 mm empêche au rayonnement ambiant de parvenir à la photodiode 36 L'enregistrement de l'enregistreur fournit des données d'amplitudes par rapport au temps à partir des signaux de sortie de la photodiode 36 et d'un thermocouple 39 - Les réseaux G et G sont perpendiculaires à la direc- 1 2 tion de propagation des faisceaux lumineux, le réseau G 1 étant perpendiculaire à la direction du faisceau incident tandis que le faisceau G 2 est perpendiculaire au faisceau réfléchi Dans ce mode de réalisation, comme dans l'appareil de la Fig 1, la sensibilité de la mesure visuelle est limi- tée par la résolution optique L'intensité de la lumière réfléchie par la surface du liquide est améliorée grâce à l'emploi d'un miroir porté par un flotteur Le thermocouple 39, de préférence en-chromel-alumel, est immergé dans le li- quide pour fournir des indications instantanées de la tempé- rature à l'enregistreur 43. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif op- tique a été constitué par une source de lumière collimatée comprenant un laser au He Ne de 5 milliwatts dont le faisceau a été agrandi par un collimateur, tel qu'une lunette Les réseaux de Ronchi G et G 2 avaient un pas de 0,25 mm et un rapport d'ouverture de 0,5 L'angle e était petit L'angle d'incidence o était de 21 Le déplacement des franges était contrêlé par une photodiode 36 dont l'ouverture était limitée, comme décrit, par une fente 37 de façon à ne cou- vrir qu'une seule frange. On peut utiliser les appareils et procédés décrits ici à des fins expérimentales, pour des mesures de laboratoire ainsi qu'à des fins industrielles On a ainsi décrit de nou- veaux appareils et procédés relativement bon marché pour me- surer des niveaux de liquide et l'épaisseur d'objets ré- fracteurs Les appareils et procédé ne nécessitent pas les soins extrêmes ni l'emploi d'équipements de précision qui étaient jusqu'à présent nécessaires lorsqu'on utilisait l'interférométrie pour effectuer des mesures semblables. En outre, il n'est pas nécessaire d'utiliser une-lumière cohérente Par conséquent, on a décrit ci-dessus des appa- reils et procédé nouveaux et originaux et particulièrement intéressants. Bien qu'on ait décrit ci-dessus les principes de l'in- vention en se référant à des appareils et à des applications spécifiques, il est bien entendu que cette description n'a été donnée qu'à titre de simple exemple et qu'elle ne doit pas être considérée comme limitant la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1 Un appareil à effet de moiré pour effectuer des me- sures linéaires,caractérisé en-ce qu'il comporte: une dis- tance inconnue définie par des surfaces ( 17, 18), une source ( 12, 13) de lumière collimatée, un premier réseau (G 1) dis- posé entre la source de lumière et les surfaces, un second réseau (G 2) positionné de façon à recevoir la lumière colli- matée provenant desdites surfaces après-que cette lumière a atteint lesdites surfaces en provenance du premier réseau, les premier et second réseaux étant déplacés en rotation l'un par rapport à l'autre d'un petit angle (e), un écran ( 24; S) disposé au-delà du second réseau pour recevoir-une figure de moiré produite par les premier et second réseaux; et des moyens-pour déplacer la figure en fonction de ladite distance inconnue de sorte que la mesure de l'importance du déplacement est utilisable pour détermi- ner ladite distance inconnue. 2 Appareil à effet de moiré selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces précitées sont constituées par une première surface ( 17) de liquide et par une seconde surface ( 18) de liquide, les première et seconde surfaces de liquide étant celles d'un même liquide contenu dans un réci- pient. 3 Appareil à effet de moiré selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que les premier et second réseaux sont des réseaux de Ronchi (G 1, G 2) - 4 Appareil à effet de moiré selon L'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que des moyens ( 37, 42) sont prévus pour déterminer le moment o les figures de moiré ont été déplacées d'une frange. Appareil à effet de moiré selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens servant à déterminer le dé- placement d'une frange comprennent une fente ( 37) et des moyens photosensibles ( 42) pour déterminer les changements de la lumière qui traverse cette fente. 6 Appareil à effet de moiré selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens photosensibles sont consti- tués par une photodiode ( 42). 7 Appareil à effet de moiré selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces précitées sont les sur- faces qui délimitent l'épaisseur d'une plaque transparente ( 28). 8 Appareil à effet de moiré selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour déplacer la -figu- re font tourner la plaque transparente de façon à chan- ger l'angle d'incidence de la lumière sur ladite plaque. 9 Appareil à effet de moiré selon l'une des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que des moyens de filtrage ( 38) sont disposés après l'écran et avant les moyens photo- sensibles ( 42) pour éliminer par filtrage le rayonnement indésiré. 10 Procédé pour effecter desmesures linéaires de distances inconnues en utilisant des figures de moiré, ce pro- cédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: à collimater une lumière émise par une source de lumière; à envoyer la lumière collimatée à travers un réseau (G 1) vers des premières sur- faces qui définissent ladite distance inconnue, à envoyer la lumière provenant desdites surfaces à travers un second réseau (G 2) pour produire une figure de moiré; à déplacer la figure en fonction de ladite distance in- connue; à mesurer l'importance du déplacement; et à utiliser l'importance mesurée du déplacement pour déterminer la dis- tance inconnue. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce- qu'il comporte l'étape qui consiste à diriger la lumière collimatée vers la surface d'un liquide contenu dans un ré- cipient, ledit procédé pour effectuer une mesure linéaire étant un procédé pour déterminer les changements de niveau du liquide dans le récipient. 12 Procédé selon l'une des revendications 11 et 10, carac- térisé en ce qu'il comporte l'étape qui consiste à faire réfléchir la lumière par la surface du liquide et à changer le niveau du liquide pour déplacer la figure 13 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape qui consiste à faire flotter un mi- roir sur le liquide pour accroître l'intensité de la lu- mière réfléchie.