Brevet FR2541001A1 — publié le 19840817

La présente invention concerne des projecteurs op- tiques et plus particulièrement des projecteurs qui projet- tent des faisceaux lumineux sur un objet et déterminent la position de l'objet en détectant une caractéristique de la lumière réfléchie et qui, en outre, ont pour fonction de di- minuer les effets des instabilités de pointage dans la sour- ce lumineuse lorsqu'on utilise la lumière laser. On utilise communément la triangulation optique pour déterminer la position dans l'espace d'un point sur un objet Une catégorie de systèmes de triangulation optique utilise très souvent des systèmes à deux lentilles: un sys- tème de lentilles de projection pour projeter un faisceau lumineux vers un objet, et un système de lentilles de récep- tion pour recevoir la lumière réfléchie. L'information provenant de la position de la lu- mière reçue est utilisée pour déterminer la position de l'objet. D'autres catégories de systèmes optiques projet- tent de la lumière vers l'objet et détermine la position de l'objet en détectant le degré de focalisation de la lumière réfléchie après qu'elle a été transformée par un système de lentilles. En général, ces deux types de système de projec- tion optique sont complexes En outre, lorsque ces systèmes -2 - utilisent une lumière laser ils sont soumis à l'influence d'une caractéristique inhérente à beaucoup de sources lumi- neuses laser, c'est-à-dire les instabilités de pointage Les instabilités de pointage se réfèrent aux déviations angulai- S res sporadiques et imprévisibles du faisceau lumineux laser par rapport à son trajet idéal. La présente invention a pour objets de réaliser un projecteur optique nouveau et perfectionné; un projecteur optique nouveau et perfectionné qui utilise les techniques de triangulation optique et une seule lentille pour, à la fois, projeter un faisceau lumi- neux vers un objet et pour recevoir la lumière réfléchie par cet objet; un projecteur nouveau et perfectionné qui détec- te la présence d'un objet en un point prédéterminé dans l'espace; - un projecteur optique nouveau et perfectionné qui projette une lumière vers un objet et produit un signal en réponse pour déterminer si le point o la lumière est ré- fléchie par l'objet est situé à un foyer particulier de la lentille; un projecteur opt-ique nouveau et perfectionné qui diminue les effets des instabilités de pointage dans les lasers. Selon un mode de réalisation de l'invention, un faisceau lumineux est projeté vers un premier côté d'une lentille non parallèle vers l'axe optique de la lentille La lentille focalise le faisceau lumineux vers un objet situé en un point sur un deuxième côté de la lentille La lumière réfléchie à ce deuxième point (par opposition à un point si- tué à proximité) sera refocalisée par la lentille vers un photodétecteur Un dispositif relié au photodétecteur engen- dre un signal indiquant si la lumière était réfléchie au se- cond point, et donc si l'objet est situé à ce second point. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, un mode de réalisation de la présente invention; Figures 2 et 3, l'invention de la figure 1 rece- S vant des rayons lumineux réfléchis par deux objets placés différemment; Figure 4, une illustration schématique d'un la- ser; Figure 5, le mode de réalisation de la présente invention représenté Figure 1 utilisé pour mesurer le rayon d'un rotor d'un moteur à turbine; Figure 6, un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Figure 1, on a représenté un mode de réalisation de l'invention dans lequel une lentille biconvexe symétrique a un axe optique 6 Un deuxième type d'axe est important dans cette description, à savoir un axe tel que l'axe 9 qui s'étend à partir de la lentille 3 et coupe l'axe optique 6 en un point 12 qui, dans le mode de réalisation décrit ici, est situé à une distance de la lentille 3 égale à deux fois la longueur focale ( 2 F) L'axe 9 est ici appelé un axe de projection et il détermine un premier trajet suivi par les faisceaux lasers décrits ensuite Les principaux foyers 15 et 18 sont situés sur l'axe optique 6 à des distances mar- quées F sur des côtés opposés par rapport à la lentille 3. Il existe -aussi des points, appelés ici points focaux dou- bles 12 et 22, situés sur l'axe optique 6 et qui sont placés chacun à une distance de la lentille 3 égale à deux fois la distance entre la lentille 3 et les foyers 15 et 18 C'est à-dire, que les quatre distances F sont identiques. Un photodétecteur à deux éléments comportant un premier et un second photodétecteurs 24 A et 24 B ayant un in- tervalle 24 C entre eux, est placé de telle sorte que le pre- mier 12 des deux points focaux doubles est contenu à l'inté- rieur de l'espace 24 C Ainsi, la lumière qui est focalisée -4- au premier point focal double 12, tels les rayons 27 et 29, éclairera à la fois les deux photodétecteurs 24 A-24 B On dit que les rayons 27 et 29 éclairent à la fois les deux photo- détecteurs malgré le fait que ces rayons sont représentés comme se coupant en un point discret situé entre les photo- détecteurs 24 A-:B pour la raison suivante: il est bien connu que la section droite d'un faisceau laser est une distribu- tion d'intensité lumineuse variable ayant une largeur théo- rique infinie, mais diminuant rapidement en intensité au delà de frontières, telles que les frontières indiquées par les rayons 27 et 29 Ainsi, les photodétecteurs 24 A et 24 B reçoivent chacun un-certain éclairage même si, figure 1, on n'a pas représenté la lumière contenue entre les rayons 27 et 29 comme frappant ces photodétecteurs La combinaison particulière d'une différence nulle entre les signaux de sortie (la différence nulle étant un signal nul) provenant des deux photodétecteur 24 A et 24 B, avec un signal fini pro- duit par chacun des détecteurs, indique que les rayons lumi- neux 27 et 29 sont focalisés au premier foyer double 12. L'apparition de cette combinaison particulière peut' être constatée par un observateur examinant les signaux ou par un circuit électronique connu. Une source lumineuse, tel qu'un laser 29, projette un faisceau lumineux 31 A vers un premier moyen de réflexion, tel un premier miroir 32, qui réfléchit un faisceau lumineux 31 B vers un deuxième moyen de réflexion, tel un miroir 34, qui réfléchit un faisceau de guidage 31 C le long de l'axe de projection 9 Le faisceau de guidage 31 C est, de préférence, centré sur l'axe de projection Du fait que l'axe de projec- tion 9 traverse l'axe optique 6 et intersecte le premier point focal double 12 et du fait que le faisceau de guidage 31 C suit l'axe de projection 9, le faisceau de guidage 31 C est focalisé par la lentille 3 vers un point situé à deux longueurs focales le long de l'axe optique de l'autre côté de la lentille 3, à savoir, vers le deuxième point focal double 22 C'est-à-dire, du fait des propriétés générales des lentilles telles que la lentille biconvexe 3, tous les rayons lumineux entrant dans la lentille 3 qui passent dans le, ou qui émanent du, premier point focal 12, seront foca- lisés par le second point focal double 22 comme représenté pour les rayons 36 A-B Tous les rayons lumineux qui ne pas- sent pas dans le, ou n'émanent pas du, premier point focal 12, ne seront pas focalisés vers le deuxième point focal double 22. En outre, du fait des caractéristiques de récipro- cité des lentilles, les rayons lumineux entrant dans la len- tille 3 et provenant du second point focal double 22, tels les rayons lumineux 38 A-B qui sont réfléchis par un objet , seront de la même manière refocalisés vers le premier point focal double 12 comme les rayons 27 et 29 Pour se ré- péter, les rayons lumineux passant dans (ou, de manière équivalente émanant de) l'un des doubles points focaux 12 ou 22 seront focalisés vers l'autre double point focal récipro- que Puisque le faisceau de guidage 31 C se déplace comme s'il émanait du premier point focal double 12, le faisceau de guidage 31 C sera focalisé vers le second point focal dou- ble 22. Si un objet 40 est présent exactement au second point focal double 22, la lumière réfléchie sous la forme des rayons 38 A-B émanant de ce second point focal double 22, sera recueillie par la lentille 3 et focalisée sous la forme des rayons 27 et 29 vers les photodétecteurs 24 A-B situés au premier point focal double 12 Le signal nul produit par les photodétecteurs 24 A-B indique que les rayons lumineux 38 A-B étaient réfléchis par le second point focal double 22 et, par déduction, que l'objet 40 est situé là. Si la réflexion par l'objet a lieu en un point au- tre que le second point focal double 22, la lumière réflé- chie ne sera pas focalisée précisément au premier point fo- cal double 12 En particulier, comme représenté figure 2, la 6 - lumière réfléchie par un objet 45, qui est plus proche de la lentille 3 que le second point focal double 22, sera focali- sée par la lentille 3 sous la forme des rayons 48 A-B qui, de manière prédominante, éclairent le premier photodétecteur 24 A A l'inverse, comme représenté figure 3, la lumière ré- úléchie par un objet 49, qui est plus éloigné de la lentille que le second point focal double 22, sera focalisé sous la forme des rayons 51 A et B qui, de manière prédominante, éclairent le second photodétecteur 24 B' Ainsi, les signaux produits par les photodétecteurs 24 A-B indiquent si la ré- flexion par l'objet 40 a lieu au second point focal double 22 et, si cela n'est pas, si la réflexion a lieu en un point plus proche de (intérieur) ou plus éloigné de (extérieur) la lentille 3 que le second-point focal 22. On remarquera que l'une des raisons pour que l'un quelconque des photodétecteurs 24 A ou B des figures 2 ou 3 soit respectivement éclairé par un objet extérieur ou inté- rieur au second point focal double 22, tient à ce que le faisceau de guidage limité par les rayons 36 A et 36 B ne se propage pas exactement le long de l'axe optique 6, mais se propage de manière décalée par rapport à cet axe C'est-à dire, que l'axe de projection 9 est non parallèle à l'axe optique 6 et frappe la lentille 3 de manière décalée (l'axe optique 6 frappe la lentille 3 en son centre) En conséquen- ce le faisceau de guidage 36 est situé en-dessous de l'axe optique 6 dans la région interne (région I) et au-dessus de l'axe optique 6 dans la région externe (région II) Les pho- todétecteurs 24 A-B, par la lumière réfléchie qu'ils reçoi- vent, constatent si la réflexion par l'objet a lieu dans la région I et en-dessous de l'axe optique 6, ou dans la région II et au-dessus de l'axe optique 6. La réduction des effets des instabilités de poin- tage de laser sera décrite maintenant Le laser 29, figure 1, peut être considéré, comme représenté figure 4, comme une source ponctuelle lumineuse 60 contenue entre deux frontiè- -7- res qui peuvent être des miroirs ou des diviseurs de fais- ceaux 63 et 64 La source ponctuelle 60 projette un faisceau laser 66 à travers le diviseur de faisceau 63 et le long demais pas nécessairement en coïncidence avec, un axe laser 68 C'est-à-dire que le faisceau laser 66 peut, de manière aléatoire, tourner autour de la source ponctuelle 60 et ain- si suivre les trajets 66 A-B Le manque de coïncidence cons- tante avec l'axe laser 68 est appelé instabilité de pointage. Les effets de rotation des instabilités de pointa- ge peuvent être diminués en plaçant le laser 29 figure 1, de telle sorte que la somme de la distance 71, à savoir la dis- tance entre les points de réflexion 73 et 75 sur les miroirs 34 et 32, avec la distance 78, à savoir la distance entre la source ponctuelle 60 et le point de réflexion 75 sur le mi- roir 32, est égale à la distance 81, à savoir la distance entre le premier point focal 12 et le point de réflexion 73 sur le second miroir 34 Le placement du laser 29 comme dé- crit a pour effet de placer la source pontuelle 60, qui est le centre de rotation du faisceau projeté 66, à une origine virtuelle, à savoir au premier point focal double 12 En conséquence, les instabilités de pointage ont pour effet de faire tourner le faisceau lumineux de guidage 31 C autour de cette origine virtuelle, et cette rotation ne change pas la focalisation du faisceau lumineux 36 vers le second point focal double 22: le faisceau lumineux de guidage, en effet, émane du premier point focal double 12 quelque soit la rota- tion En conséquence, l'effet des instabilités de pointage dans le laser 29 est théoriquement éliminé et, en pratique, substantiellement réduit Le projecteur décrit ci-dessus peut être utilisé pour mesurer le diamètre d'une pièce de rotation pendant que l'on usine cette pièce Comme représen- té figure 5, une pièce de rotation 90 est meulée par une rectifieuse 93 jusqu'à un rayon souhaité 95 La pièce 90 peut comporter un rotor 96 à moteur à turbine à gaz et peut supporter des aubes de turbine telles que les aubes 98 A-Y 8 - (pas toutes représentées) qui sont montées de manière lâche dans des fentes telles que les fentes 101 A-Y lorsque le ro- tor 96 est au repos Pendant son fonctionnement, le rotor 96 tourne et des forces centrifuges contraignent les aubes 98 A-Y dans des directions radialement extérieures Lorsqu'on atteint des vitesses de fonctionnement de 5 à 10 000 tours par minute, les forces centrifuges deviennent suffisamment importantes pour que les aubes 98 A-Y soient fermement blo- quées en position dans leurs fentes respectives 10 IA-Y. Etant donné que le rotor 96 ainsi que les aubes 98 A-Y changent de dimension sous la charge centrifuge, on sou- haite mesurer le rayon réel 95 à partir du bout 103 de cha- que aube vers le centre 105 du rotor, de sorte que la recti- fieuse 96 puisse rectifier tous les rayons d'aube vers une dimension précise et uniforme Pour mesurer le rayon de cha- que bout d'aube 103 pendant la rotation; le projecteur opti- que décrit ci-dessous est utilisé de la manière suivante On place la lentille 3 de sorte que son axe optique 9 soit ali- gné radialement avec le rotor 96 et que le second point fo- cal double 22 soit situé près des bouts 103 des aubes en ro- tation Lorsqu'un bout d'aube tel le bout 103 de l'aube 98 T traverse exactement le second point focal, les photodétec- teurs 24 A-B indiquent cette occurence Lorsqu'un bout d'au- be 103 de l'aube 98 S entre dans la région I, ou un bout d'aube 103 de l'aube 98 U entre dans la région II, les photo- détecteurs 24 A et B l'indiquent en conséquence, de la ma- nière décrite ci-dessus en relation avec les figures 1 à 3. Pendant un fonctionnement à vitesse élevée, les photodétecteurs 24 A-B sont reliés par un système d'amplifi- cation différentiel 110 à un oscilloscope 112 et la courbe 114 de l'oscilloscope est obtenue par des moyens connus de la technique chaque fois qu'une aube 98 traverse l'axe opti- que 6 Etant donné que le rotor 96 supporte 25 aubes 98 A-Y (pas toutes représentées) l'oscilloscope 112 affichera sur son écran 112 A des informations concernant 25 emplacements -9- (pas tous représentés) tels que les points 116 S-U correspon- dants aux positions des bouts d'aubes 103 des aubes 985-U par rapport au second point focal double 22 Par exemple, le point 116 S sur la courbe 114 correspond au bout d'aube 103 de l'aube 98 S et ainsi de suite Le bout d'aube 103 de l'au- be 98 T ne produit pas un signal de tension sur la courbe 114 puisque l'aube traverse exactement le second point focal double 22 Cependant, le bout d'aube 103 de l'aube 985 lors- qu'il pénètre dans la région I produit une pointe de tension positive 116 S Le bout d'aube 103 de l'aube 98 U en pénétrant dans la région II produit une pointe négative 116 U La cour- be de l'oscilloscope se répète pour chaque révolution du ro- tor de turbine 96. La longueur d'une aube particulière peut être dé- terminée en déplaçant la lentille 3 jusqu'à ce que la crête de tension correspondant à l'aube concernée disparaisse A ce moment là, on admet que le bout 103 de cette aube traver- se le second point focal 22 Ainsi, les positions réelles des bouts 103, et donc la longueur de chaque aube 98 A-Y, peuvent être déterminées, une à la fois, lors des vitesses de rotation réelles du rotor 96 du moteur à turbine à gaz - Une description de cette mesure d'aube de turbine est conte- nue dans le brevet des E U A N O 4 074 104. On a décrit ici un système de projection optique dans lequel un faisceau lumineux de guidage est projeté vers une lentille de telle sorte que le faisceau lumineux de gui- dage a pour origine, en fait, une origine virtuelle située à un premier point focal double sur l'axe optique et située à une distance égale à deux longueurs focales de la lentille. Ainsi, la rotation du faisceau lumineux de guidage autour du premier point focal double n'a pratiquement aucun effet sur la Localisation du faisceau de guidage vers un second point focal double, réciproque situé de l'autre côté de la lentil- le Un objet placé à proximité du point focal réciproque ré- fléchit la lumière qui est alors captée par la lentille. - La lumière captée par la lentille est focalisée différemment vers un moyen de photodétection en fonction de la position relative de l'objet par rapport au point focal réciproque Le moyen de photodétection effectue une discri- mination entre les différents types de réflexion et engendre des signaux indiquant la position relative du point de ré- flexion par rapport au point focal réciproque On peut uti- liser le projecteur optique pour déterminer les positions d'une séquence à vitesse élevée d'objets passant près du point focal réciproque, objets tels que des bouts d'aubes de turbine dans un rotor tournant rapidement dans un moteur à turbine à gaz Un des aspects significatifs de la présente invention tient à la détection optique de la position d'un objet sans collimation des faisceaux lumineux (excepté bien entendu la lumière reçue directement du laser 29, qui est elle-même fortement collimatée) C'est-à-dire, que la lumiè- re projetée par la lentille 3 sous la forme d'un faisceau de guidage limité'par les rayons 36 A et 36 B, la lumière réflé- chie limitée par les rayons 38 A et 38 B, et la lumière foca- lisée vers les photodétecteurs 24 A et 24 B est limitée par les rayons 27 et 29 sont toutes des lumières non collima- tées. On peut apporter de nombreuses modifications et substitutions à la présente invention sans s'écarter de son esprit et de son cadre En particulier, il est admis que l'axe de projection 9 puisse couper l'axe optique 6 en des points autres que le premier point focal double 12 et dans ce cas, les principes de la présente invention sont encore valables C'est-à-dire que le premier point focal double 12 n'a pas besoin d'être situé exactement à une distance égale à deux longueurs focales de la lentille Cependant, les con- ditions de l'équation suivante doivent être de préférence remplies: A = B x F B F l 11- dans laquelle A = la distance entre la lentille 3 de la figure 1 et le second point focal double 22 B = la distance entre la lentille 3 et le premier point focal double 12, et F = la distance focale de la lentille 3; De plus, il est admis que la position des photodé- tecteurs 24 A-B et celle du laser 29 peuvent être changées comme représenté figure 6 Dans ce cas, le faisceau laser 101 aura pour origine le premier point focal 12, passera à travers une fente 102 dans un miroir 103 pour atteindre la lentille 3 La lumière réfléchie par l'objet 40 et captée par la lentille 3 sera focalisée sous la forme d'un faisceau lumineux 107 vers le miroir 103 et sera ensuite réfléchie vers les photodétecteurs 24 A-B. -12 2 REVENDICATIONS 1 Projecteur optique comportant une lentille ( 3) ayant un axe optique ( 6), caractérisé en ce qu'il comprend: a) un moyen de projection ( 29) situé sur un pre- mier côté de la lentille ( 3) pour projeter un faisceau lumi- neux non parallèle à l'axe optique vers la lentille pour que la lentille i) focalise le faisceau lumineux sur un deuxième côté de la lentille vers un ob- jet ( 40) qui le réfléchira, et ii) focalise la lumière réfléchie reçue par la lentille vers un photodétecteur ( 24 A, 24 B); et b) des moyens ( 110, 112) reliés au photodétecteur pour engendrer, en réponse à la lumière réfléchie de (a) (ii), des informations à partir desquelles on peut obtenir la position de l'objet; 2 Projecteur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau lumineux de (a) suit un trajet ( 9) qui traverse l'axe optique ( 6) et en ce que le faisceau lumineux ( 36) de (a) (i), qui est focalisé vers l'objet ( 40), suit un trajet qui, lui aussi, coupe l'axe op- tique. 3 Projecteur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faisceaux lumineux respectifs cou- pent l'axe optique en des points ( 12, 22) équidistants de la lentille. 4 Projecteur optique, caractérisé en ce qu'il comprend: -30 a) une source de lumière ( 39) pour projeter un faisceau lumineux suivant un premier trajet ( 9), - b) une lentille ( 3) ayant un centre, un premier et un deuxième côté et un axe optique ( 6) pour i) recevoir le faisceau lumineux ( 31 C) sur un premier côté et décalé, 13- ii) focaliser le faisceau lumineux vers un objet ( 40) situé sur un deuxième côté de la lentille, iii) recevoir la lumière réfléchie par l'objet s ( 40), et iv) focaliser la lumière reçue en (iii) vers un point ( 12) sur le premier côté de la lentille; c) un photodétecteur ( 24 A-B) placé près du point ( 12) de (b) (iv) pour i) recevoir la lumière focalisée de (b) (iv), et ii) produire un signal prédéterminé lorsque la réflexion de (b) (iii) a lieu à un point prédéterminé ( 22). 5 Projecteur optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source de lumière ( 39) est sujette à des instabilités de pointage et en ce qu'il comporte en outre: d) des moyens ( 32, 34) placés dans le premier tra- jet de (a) pour i) recevoir le faisceau lumineux de (i), ii) transmettre le faisceau lumineux vers la lentille suivant un deuxième trajet ( 9) qui est non-parallèle à l'axe optique ( 6), et iii) donner au faisceau lumineux les caracté- ritiques d'un faisceau lumineux projeté -à partir d'une source virtuelle ( 12) dont la position est différente de celle de la source de lumière de (a). 6 Projecteur optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source virtuelle ( 12) de (d) (iii) est située dans un intervalle ( 24 C) à l'intérieur du photo- détecteur. 7 Projecteur optique selon la revendication 5, -14 caractérisé en ce que le photodétecteur de (c) et le point prédéterminé ( 22) de (c) (ii) sont situés chacun à une dis- tance égale à deux fois la longueur focale de la lentille et sont chacun sur l'axe optique ( 6). 8 Méthode d'inspection optique d'un objet, utili- sant une lentille ( 3) ayant un axe optique ( 6) et une lon- gueur focale (F), caractérisé en ce qu'elle consiste à: a) projeter à partir d'une source, un faisceau lu- mineux de guidage non parallèle à l'axe optique vers la len- tille pour focaliser le faisceau lumineux vers l'objet pour y être réfléchi; b) utiliser la lentille pour focaliser la lumière réfléchie par l'objet vers un détecteur. 9 Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce que le faisceau lumineux de guidage de (a) se propage le long d'un trajet qui coupe l'axe optique en un point si- tué à, une distance de la lentille égale à deux fois la lon- gueur focale. Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle consiste en outre à donner au faisceau de gui- dage les caractéristiques d'un faisceau lumineux projeté à partir d'une source virtuelle ( 12) dont la position est dif- férente de celle de la source de (a). 11 Méthode d'inspection optique d'un objet, uti- lisant une lentille ayant un axe optique ( 6) et une longueur focale (F), caractérisée en ce qu'elle consiste à: a) projeter un faisceau laser vers un côté de la lentille suivant un trajet qui coupe l'axe optique en un point situé à une distance de la lentille égale à deux fois la longueur focale; b) utiliser la lentille pour focaliser le faisceau laser vers un objet situé sur l'autre côté de la lentille pour qu'il soit réfléchi par l'objet; c) utiliser la lentille pour focaliser la lumière réfléchie par l'objet vers un détecteur qui engendre un pre- - mier signal lorsque la lumière réfléchie par l'objet est ré- fléchie à partir d'un point sur l'axe optique qui est situé à une distance de la lentille égale à deux fois la longueur focale. 12 Méthode selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'elle consiste en outre à engendrer un deuxième si- gnal lorsque l'objet est plus proche de la lentille que le point ( 40) de (c) et un troisième signal lorsque l'objet est plus éloigné de la lentille que le point ( 40) de (c). 13 Méthode selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'objet est le bout ( 103) d'une aube ( 98 T) d'une série d'aubes ( 98 A-Y) de rotor de turbine à gaz et en ce qu'elle consiste en outre à: d) faire tourner les aubes autour d'un centre; e) aligner l'axe optique de la lentille dans une direction généralement radiale; f) produire les premier, deuxième et troisième si- gnaux en réponse à la réflexion par le bout ( 103) de chacune des aubes tournantes.