Brevet FR2530805A1 — publié le 19840127

La présente invention se rapporte à des instruments,tels que des niveaux, pour mesurer l'horizontalité de surfaces plates et, plus particulièrement, à des instruments optiques et à des procédés optiques utilisant la déflectométrie de moiré pour mesurer l'horizontalité de surfaces plates. La nécessité de mesurer la position-de niveau ou hori- zontalité de surfaces plates est importante dans de nombreux domaines de la technique Dans certains domaines techniques, par exemple, dans l'industrie de la construction, des me- sures de faible précision sont suffisantes Cependant, dans d'autres domaines techniques, il est nécessaire d'utiliser des appareils de mesure ayant une résolution élevée Par exemple, il est nécessaire d'utiliser des niveaux définis avec précision dans les travaux optiques dans lesquels des niveaux ayant une résolution d'au moins 10 3 radians sont fréquemment utilisés. Le niveau le plus usuel est basé sur le mouvement d'une bulle d'air dans un tube transparent scellé contenant un li- quide Le tube est généralement placé sur une règle à base plate Un inconvénient de tels niveaux est leur étroite gamme dynamique Par exemple, un niveau conçu pour l'exécu- tion de mesures de haute précision ne convient pas pour des mesures de faible précision Par conséquent, il est souvent nécessaire de disposer d'un jeu de niveaux, les mesures de haute précision étant effectués avec une règle relativement longue La règle relativement longue rend nécessaire lors- qu'on mesure le niveau à deux angles orthogonaux de disposer d'un grand espace libre, généralement supérieur par exemple à 200 cm 2. Il semblerait que les techniques interférométriques conviennent pour mesurer le niveau lorsqu'une haute préci- sion est requises cependant, de telles techniques ne semblent pas avoir été appliquées en pratique peut être du fait que la grande stabilité mécanique requise pendant la mesure inter- férométrique est) 107 m Dans les applications indus-. trielles, un tel facteur de stabilité est habituellement une condition irréalisable Ainsi, il n'y a actuellement aucun "niveau" disponible qui puisse être utilisé pour fournir la haute résolution et la grande précision requises pour les travaux optiques et qui effectue également les mesures de niveau à un coût d'instrumentation minimal et ne néces- site qu'un espace libre minimal pour l'exécution de la mesure. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de réaliser de nouveaux instruments et procédés perfec- tionnés pour mesurer l'horizontalité de surfaces au moyen desquels les inconvénients ci-dessus mentionnés sont consi- dérablement diminués -voire supprimés. Conformément à la présente invention, il est prévu un niveau optique pour déterminer l'horizontalité d'une surface mesurée, ce niveau comprenant: des moyens réfléchissants solides disposés sur la sur- face mesurée; des moyens réfléchissants liquides disposés sur la sur- face mesurée; une source de lumière collimatée positionnée de manière à diriger un faisceau de lumière collimatée vers les moyens réfléchissants solides et vers les moyens réfléchissants li- quides; une paire de réseaux montés dans le trajet de la lumière réfléchie par les moyens réfléchissants solides et par les moyens réfléchissants liquides; les réseaux étant séparés l'un de l'autre d'une dis- tance /b et faisant entre eux un angle e; un écran disposé à la suite des réseaux de façon que les figures de franges de moiré produites par la lumière réfléchie par les moyens réfléchissants solides et par les moyens réfléchissants liquides y soient projetées de telle sorte que l'on peut déterminer l'horizontalité de la surface mesurée en mesurant les différences entre les figures de moiré formées par la lumière réfléchie par les moyens réfléchissants solides et par les moyens ré- fléchissants liquides. Suivant encore une autre caractéristique, l'invention a pour objet un procédé pour mesurer l'horizontalité d'une surface, ce procédé consistant: à collimater la lumière d'une source de lumière; à diriger le faisceau de lumière collimatée vers une surface réfléchissante solide disposée sur la surface me- surée; à diriger la lumière collimatée vers des moyens réflé- chissants liquides disposés sur la surface mesurée; à diriger le faisceau de lumière collimatée réfléchie par la surface réfléchissante solide à travers une paire de réseaux de Ronchi espacés l'un de l'autre d'une distance / et formant entre eux un angle 9 de façon à produire une pre- mière -figure de franges-de moiré q à projeter cette première figure sur un écran; à enregistrer la première figure à diriger la lumière collimatée réfléchie par les moyens réfléchissants liquides à travers ladite paire de ré- seaux de Ronchi pour produire une seconde figure de franges de moiré; à enregistrer la seconde figure de franges de moiré; à mesurer le décalage entre les première et seconde figures de franges de moiré; et à déterminer l'horizontalité de la surface à partir de ce décalage. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on utilise de la glycérine contenue dans un récipient en tant que moyens réfléchissants liquides. Suivant encore une autre caractéristique de l'inven- tion, les deux figures de franges de moiré sont en- gendrées simultanément. Suivant encore une autre caractéristique de l'inven- tion, on utilise l'agencement de niveau optique pour déter- miner l'angle d'inclinaison de la surface mesurée. On comprendra mieux le fonctionnement et l'utilisation de la présente invention à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré considéré à la lumière des des- sins annexés dans lesquels: la Fig 1 est une représentation schématique de l'équi- pement servant à mesurer la position de niveau ou horizonta- lité d'une surface mesurée; la Fig 2 a représente une photographie montrant les figures de moiré obtenues à partir d'un réflecteur liquide et d'un réflecteur solide lorsque la surface mesu- rée est de niveau; la Fig 2 b représente une photographie des figures de franges de moiré obtenues à partir du réflecteur liquide et du réflecteur solide lorsque la surface mesurée n'est pas de niveau; la Fig 3 a représente les figures de franges de moiré obtenues à partir du réflecteur solide et du réflecteur liquide de la Fig 1 lorsque la surface mesurée est de niveau dans le plan X'Y'; et la Fig 3 b représente les figures de franges de moiré obtenues à partir du réflecteur solide et du ré- flecteur liquide lorsque la surface mesurée n'est pas du niveau suivant l'axe X' dans le plan X'Y'. Le niveau optique de l'invention a été représenté schématiquement sur la Fig 1 sur laquelle il a été désigné par la référence générale 11 La surface mesurée dont l'ho- rizontalité ou angle d'inclinaison est déterminé a été dé- signée par la référence 12 Un réflecteur solide, tel qu'un miroir 13,est placé sur la surface 12 Des moyens réfléchis- sants liquides,tels qu'un récipient 14 contenant un liquide 16,sont placés sur la surface 12 Une source 17 de lumière collimatée, qui comprend une source 18 de lumière et un col- limateur 19, est positionnée de façon à diriger un faisceau de lumière collimatée,désigné par la référence générale 21, à la fois vers le réflecteur solide et vers le réflecteur liquide Deux réseaux,désignés par les références G et G 1 2 ' sont positionnés de telle sorte que la lumière réfléchie par le réflecteur solide et par le réflecteur liquide 16 tra- verse les réseaux G 1 et G 2 et est projetée sur un écran S. Le faisceau de lumière réfléchie a été désigné par la réfé- rence générale 22. Aux fins de l'illustration et de la description les réseaux G 1 et G 2 et l'écran S sont représentés comme étant dans un plan ZY Le plan ZY est perpendiculaire au plan XZ et au plan YX Les réseaux G 1 et G 2 sont espacés l'un de l'autre dans le plan XY d'une distance A La surface mesu- rée est représentée comme faisant un angle P sur 12 horizon- tale L'angle d'incidence de la lumière collimatée qui frappe le réflecteur solide 13 est représenté comme étant un angle ". D'une manière générale, bien qu'il existe de nombreux cas dans lesquels les agencements et procédés que l'on dé- crira puissent être utilisés, il existe deux circonstances uusuelle dans lesquelles les instruments, les agencements et les procédés seront utilisés; l'une est lorsqu'une sur- face est mise de niveau et l'autre est lorsque l'angle d'in- clinaison de la surface est mesuré. Lorsque les agencements et procédés sont utilisés pour mettre de niveau la surface mesurée, la figure de franges de moiré est projetée sur l'écran et on l'observe pendant que l'on effectue le réglage On actionne les moyens de réglage de la surface jusqu'à ce que les franges de moi- ré obtenues à partir du réflecteur solide et à partir du réflecteur liquide se correspondent exactement Ceci est re- présenté par exemple sur la Fig 2 a sur laquelle les lignes épaisses relativement larges, désignées lignes 26, forment la figure de franges de moiré projetée par le ré- flecteur solide et les lignes 27 relativement minces forment la figure de franges de moiré projetée à partir du réflecteur liquide En modifiant la distance à, on modifie d'une manière correspondante la sensibilité Ainsi, il est possible d'obtenir la sensibilité désirée - Sur la Fig 2 a,les deux figures de franges de moiré se correspondent exactement, ce qui indique que la surface mesurée est exactement horizontale Sur la Fig 2 b, par contre, les lignes 26 et 27 ne se correspondent pas et, en fait, les lignes 27 sont situées à mi-distance entre les lignes 26, indiquant un défaut de concordance grossier. Lorsqu'on utilise l'agencement d'instrument ou niveau de la Fig 1 pour mesurer l'angle d' inclinaison de la surface mesurée, on utilise des moyens de mémoire tels qu'un appa- reil photographique pour enregistrer les première et seconde figures de franges Une image de figure de franges de moiré projetée sur l'écran S est prise avec un équipement de photographie représent 6 schématiquement par l'appareil photographique 28 On obtient des photographies, telles que celles représentées sur les Fig 2 a et 2 b En me- surant le décalage des lignes des figures de franges de moiré, on peut déterminer de manière précise l'angle d'inclinaison de la surface mesurée, c'est-à-dire l'écart angulaire entre l'horizontale et la position effective de la surface mesurée Etant donné que la surface peut être in- clinée le long de deux axes, par exemple, la surface horizon- tale étalon est le plan X'Y' représenté sur la Fig 1 Si la surface est inclinée suivant l'axe Y' (déplacée en rotation autour de l'axe X'), comme représenté sur la Fig 1, et si les raies des réseaux sont parallèles à l'axe, on _btient les images représentées sur les Fig 2 a et 2 b Si la surface est inclinée suivant l'axe X' (déplacée en rotation autour de l'axe Y'),il est nécessaire de faire tourner les raies des réseaux de 90 dans le plan des réseaux de manière à obtenir les figures de franges de moiré représentées sur les Fig 3 a et 3 b Les Fig 3 a et 3 b représentent les figures de franges de moiré obtenues lorsque la sur- face mesurée est déplacée en rotation autour de l'axe Y', telle que vue dans le plan X'Z'. Sur les Fig 3 a et 3 b les lignes plus fortes et plus épaisses 31 sont les lignes engendrées par la réflexion à partir du réflecteur solide 13 Les lignes plus minces et plus fines 32 sont les lignes réfléchies par le réflecteur liquide On peut déterminer quantitativement l'écart angu- laire effectif de la surface mesurée dans le plan X'Z' avec une grande précision au moyen de la photographie de la Fig. 3 b On peut réaliser un alignement de la surface en obser- vant les lignes de la figure de franges de moiré projetée sur l'écran pendant qu'on effectue les réglages né- cessaires. On notera que l'écran S est, de préférence, un écran semitransparent pour faciliter la prise de photographies telles que celles représentées à titred'exemple L'angle e est choisi petit de façon que e soit approximativement égal à sin e ou à tg e. La surface du liquide reste horizontale et, par consé- quent, les franges de moiré engendrées à partir du liquide et projetées sur l'écran représentent l'orientation étalon. Les franges engendrées par le réflecteur solide sont diffé- rentes de celles engendrées par le réflecteur liquide du fait de l'angle 4 entre la surface mesurée et l'horizontale. Un faisceau collimaté incident sur la surface du niveau à un angle t est réfléchi au même angle Lorsque la surface est inclinée d'un angle f, le faisceau réfléchi est dépla- cé en rotation d'un angle 2/ par rapport à sa position d'o- rigine Par conséquent, si la surface mesurée est inclinée d'un angle /,le faisceau est réfléchi par le réflecteur li- quide et par le réflecteur solide à l'angle relatif de 2 (d provoquant une translation des franges de moiré de h = Ainsi, on peut calculer l'angles en mesurant la valeur h et en partant des valeurs connues de e et de a. Cependant, il est plus simple de mesurer le déplacement h des franges en unités de pas de la figu X de moi- c'est-à-dire de mesurer le déplacement relatif des franges, ce déplacement relatif est: q = hl, formule dans laquelle p' est la figure de moiré Le pas p' est lié au pas des réseaux par l'équation: p' = -Ainsi, q = he ou eqp/ 2 A - Ainsi, par exemple, on peut calculer l'angle de l'exemple représenté sur la Fig 2 Le déplacement est égal à un demi-pas Le pas p des réseaux utilisés était de 0,25 mm. La distance entre les réseaux G 1 et G 2 était de 92 mm. L'angle calculé en utilisant l'équation définissant l'angle a été de 6,79 x 10-4 radians La surface mesurée avait -4 été effectivement réglée à ul angle de 6,75 x 10 Ainsi, la précision de l'appareil est très satisfaisante Ces me- sures sont celles prises dans le plan Y'Z' Des mesures orthogonales peuvent être importantes pour déterminer l'in- clinaison de la surface dans le plan X'Z' sans avoir à tou- cher à la surface On obtient ce résultat en faisant tour- ner les réseaux G 1 et G 2 simultanément de 900 dans le plan YZ Ainsi, ql p tg O( formule dans laquelle qj est le déplacement dans la direc- tion perpendiculaire. Pour effectuer la démonstration d'une mesure de l'angle on a déplacé les réseaux de la Fig 1 en rotation de 90 . La Fig 3 a représente une photographie de l'image réfléchie par le réflecteur liquide et par le réflecteur solide lors- que l'angle AL = 00 L'angle d'incidence c a été mesuré comme étant de 1, 279 radians Sur la Fig 3 b, l'angle fil a été modifié de 2,26 x 10-3 radians Le déplacement relatif q| selon la Fig 3 b est égal à 0,5 p est égal à 0,25 mm et Aû est égal à 92 mm, comme pour les calculs de la Fig 2 b. La valeur/; calculée est de 2,257 x 10 3 radians, ce qui est une mesure extrêmement précise On peut obtenir une plus grande sensibilité en accroissant la distance S En résumé, on a décrit ci-dessus un nouveau niveau op- tique qui peut fonctionner avec une source de lumière non cohérente et dans des conditions de stabilité mécanique re- lativement peu sévères Dans les mesures décrites, la source de lumière collimatée était un laser à l'hélium et au néon de 0,5 milliwatts équipé d'un collimateur à miroir de 7,6 cm. Cet agencement constituait une source de lumière collimatée suffisamment intense La glycérine s'est avérée constituer un liquide approprié du fait de sa forte viscosité La forte viscosité contribue à empêcher la formation de vagues qui, sinon,déformeraient les figures de franges de moiré. Il entre également dans le cadre de l'invention d'utiliser un un miroir flottant sur un liquide en tant que moyens réflé- chissants liquide. Bien qu'on ait décrit ci-dessus les principes de l'in- vention en se référant à un appareil 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 instrument optique pour déterminer l'horizontalité d'une surface, cet instrument étant caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens réfléchissants solides ( 13) disposés sur la surface mesurée; des moyens réfléchissants liquides ( 16) disposés sur la surface mesurée; une source ( 17) de lumière collimatée ( 21) positionnée de manière à diriger un faisceau de lumière collimatée vers les moyens réfléchissants solides et également vers les moyens réfléchissants liquides; des moyens (G 1, G 2) pour engendrer une première figure de franges de moiré à partir de la lumière réfléchie par les moyens réfléchissants solides et pour engendrer également une seconde figure de franges de moiré à partir de la lumière réfléchie par les seconds moyens réfléchissants liquides; et des moyens (S) pour permettre d'observer simul- tanément les première et seconde figures de franges de moiré afin de déterminer l'horizontalité de la surface me- surée à partir du déplacement de la seconde figure de franges de moiré par rapport à la première figure de franges de moiré. 2 Instrument optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens servant à produire des première et se- conde figures de franges de moiré sont des premier et second réseaux de Ronchi (G 1, G 2) séparés l'un de l'autre d'une distance et qui sont angulairement décalés l'un par rapport à l'autre d'un angle e. 3 Instrument optique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un écran (S) est disposé après les premier et se- cond réseaux pour recevoir les figures de franges de moiré. 4 Instrument optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que des moyens de mémoire ( 28) sont prévus pour enre- gistrer de manière permanente les première et seconde fi- gures de franges de moiré. 5 Instrument optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de mémoire sont constitués par un appa- reil photographique ( 28). 1 1 6 Instrument optique selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que les moyens réfléchissants liquides sont constitués par un récipient ( 14) contenant de la glycé- rine ( 16). 7 Instrument optique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens réfléchissants solides sont constitués par un miroir ( 13). 8 Procédé pour déterminer l'horizontalité d'une surface mesurée, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: à engendrer un faisceau de lumière collimatée ( 21); à diri- ger le faisceau de lumière collimatée vers des moyens réflé- chissants solides ( 13) disposés sur ladite surface mesurée et vers des moyens réfléchissants liquides ( 16) disposés sur ladite surface mesurée; à utiliser la lumière collimatée ré- fléchie par les moyens réfléchissants solides ( 13) pour en- gendrer une première figure de franges de moiré; à utiliser la lumière collimatée réfléchie par les moyens ré- fléchissants liquides ( 16) pour engendrer une seconde figu- re de franges de moiré; et à déterminer l'horizontalité de la surface en déterminant le décalage entre les première et seconde figures de franges de moiré. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on modifie l'attitude de la surface mesurée jusqu'à ce que les première et seconde figures de franges de moiré soient alignées. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on détermine le décalage des première et seconde figures de moiré, par rapport à une disposition alignée et, à par- tir de cette détermination, on calcule l'angle d'inclinaison de la surface mesurée.