Brevet FR2569269A1 — publié le 19860221

La présente intervention concerne la métrologie à partir d'ondes lumineuses. Le principe de base de la métrologie à partir de rayons lumineux est de comparer les variations relatives de longueur de deux chemins optiques parcourus par deux ondes lumineuses émises par une meme source, un des deux étant le chemin de référence, immuable en longueur et en indice de réfraction. On fait interférer les deux rayonnements en un point donné, et l'on observe l'intensité lumineuse à cet endroit. Si le chemin mesuré n'a pas varié en longueur, ni en indice de réfraction, la composition des deux rayonnements qui sont de même fréquence, crée au point choisi une onde stationnaire dont on mesure l'intensité lumineuse.Chaque fois que le chemin optique mesuré augmente de ltéquivalent d'une longueur d'onde (par modification de longueur ou d'indice de réfraction) on voit l'intensité lumineuse du point d'interférence se modifier d'une sinusoïde complète, en passant donc par un maximum et un minimum. Il suffit alors de compter les franges qui défilent ainsi pour connaître les variations de longueur ou d'indice de réfaction du chemin optique mesuré en comparaison du chemin optique de référence. Ce principe a été mis depuis longtemps en application par FRESNEL, YOUNG, MICHELSON etc ..., en utilisant des dispositifs expérimentaux plus ou moins compliqués ou il y avait, d'une part une ou des sources lumineuses, et d'autre part un ensemble de pièces optiques formant interféromètre. Des améliorations à ces dispositifs ont été également apportées en juxtaposant deux interféromètres dont l'un d'entre eux produisait une onde stationnaire en avance ou en retard d'un quart de période sur l'autre, ce qui permettait de savoir, en comparaison du signal émis par l'autre interféromètre, dans quel sens tétait produite la modification de longueur de chemin optique ou d'indice de réfraction. (Selon que le maximum de luminosité sur le deuxième interféromètre était atteint immédiatement avant ou après celui du ler interféromètre). Une logique electronique mettait en forme les signaux ainsi émis par des photodiodes et un compteur électronique additionnait ou soustrayait le nombre de franges qui avait défilé devant elles. La présente invention propose d'installer dans un seul bottier rigide à la fois la source lumineuse (un émetteur laser) et l'interféromètre, et de faire en -sorte par un artifice de construction,- que ledit interféromètre puisse émettre également le deuxième signal décalé d'un quart de période par rapport au premier, ce qui rend particulièrement simple et économique la construction de l'appareil. Comme de tels dispositifs ne mesurent que des variations de longueur de chemin optique ou d'indice de réfraction, selon une disposition annexe de l'invention, il est également décrit un système de lecture en continu des indices de réfraction des fluides avec système automatique de remise à zéro de l'appareil, sur un étalon connu. L'invention sera plus précisément décrite en s'aidant des deux planchefs, la planche 1/2 décrivant le fonctionnement optique de l'appareil et son utilisation en mesure de longueurs, la planche 2/2 montrant son utilisation pour la mesure des indices de réfraction des liquides et des gaz. On voit sur la planche I, figure 1, l'ensemble laser interféromètre, objet de la présente invention. Le bottier 1, qui peut etre de forme prismatique, cylindrique ou tout autre contient à une extrémité l'émetteur laser, repère 2, fixé par au moins 6 vis permettant l'alignement du faisceau. Le laser choisi sera du type monomode, ou, si ce n'est pas le cas, un dispositif polariseur éliminera le mode superflu.La longueur d'onde émise sera aussi stable que possible, et l'on installera éventuellement les dispositifs de stabilisation de la longueur d'onde, en prévoyant un capteur de fréquence qui delivrera un signal en cas d'écart trop important avec la consigne, et agira sur la longueur séparant les deux miroirs d'extrémité du laser, en chauffant par exemple le corps du tube ou, autre exemple non limitatif, en installant un des deux miroirs d'extrémité sur un corps dont la dimension change sous l'effet d'une tension électrique (quartz piézoelectrique par exemple). Dans une disposition présentée sur la figure 1, le faisceau est ensuite élargi par deux lentilles, repère 3, qui peuvent être toutes deux convergentes, ou divergente pour la première et convergente pour la seconde. L'élargissement du faisceau rend le système plus tolérant aux défauts d'alignement, et l'on est mieux assuré d'obtenir une interférence au bout des deux chemins optiques, sans pour autant que cette disposition soit indispensable. A l'autre extrémité du boîtier, un logement de forme prismatique reçoit l'interféromètre dont les pièces optiques Sont, selon l'invention, simplement accolées les uns aux autres dans le logement prévu à cet effet, sans aucune vis de réglage ou de fixation. La figure 2 de la planche I montre le détail des chemins optiques suivis par les faisceaux. Le cube séparateur est formé de deux demi-cubes 5 et 5" assemblés par leur face diagonale sur une lame séparatrice 5', d'une épaisseur telle qu'elle produit un décalage d'environ un huitième de période sur la lumière du rayonnement choisi. Ce prisme séparateur ainsi constitue permet, selon l'invention, de réaliser deux points d'interférences, repère e et j, dont l'intensité lumineuse est lue respectivement par les photodiodes repères 7 et 6. La photodiode 7 observe une interférence entre les rayons suivants d'une part ab + bc + cd + de, et d'autre part af + fg + gh + hi + ij + je, en considérant que af et je correspondent à la traversée de la lame repere 5'1 d'épaisseur E. La photodiode 6 observe une interférence entre les rayons suivants d'une part ab + bc + cd + de + Ae, et d'autre part af + fg + gh + hi + it, en considérant que af et ej correspondent a la traversee de la lame repere 5',-d'épaisseur E. On voit que pour la photodiode 6, les deux traversées de la lame 5' (ej et af) s'annulent lorsque l'on fait le bilan de la différence des chemins optiques, alors que pour la photodiode 7, ces deux traversées (af et je) s'ajoutent a la différence de marche entre les deux chemins optiques. On aura donc créé, en face de la photodiode 7 une onde stationnaire en retard de y + K 5 # par rapport à l'onde stationnaire situee 4 4 2 en face de la photodiode 6, ce qui aura l'avantage de savoir quand le chemin optique fg > gh,-hi, ij variera (par déplacement du prisme de renvoi 8, ou variation de l'indice de réfraction du milieu traversé par les rayons fg et ij) de combien ce chemin optique a varié, en terme de nombre de longueur d'onde dans le milieu considéré. Les repères 4 et 8 sont des prismes de renvoi, constitués de coins de cube, renvoyant la lumière dans la direction opposée et, parrallèlement a ellememe. Si le prisme de renvoi 8 se déplace de 1/2 longueur d'onde, les diodes observent une sinusoTde complète, et l'on peut ainsi connattre, avec une grande précision, la variation de longueur de chemin optique (soit la longueur réelle multipliée par l'indice de réfraction). Dans une disposition annexe de l'invention, on voit, planche 2/2, figure 3, les rayons lumineux traverser un liquide contenu dans une canalisation 10. Au passage des rayons, la canalisation est, selon l'invention, équipée de deux glaces parallèles. Si l'on commence par faire circuler une solution témoin dans la canalisation 10, et que l'on met alors le compteur de franges zéro, puis que l'on fait varier progressivement de O a X, la concentration de la solution à mesurer, par rapport à la solution témoin, on connattra la différence entre l'indice de réfraction de la solution à mesurer et celui de la solution témoin (étant donné que la longueur L du chemin géométrique est connue). La manoeuvre pouvait être réalisée par un dispositif mangeur à trois voies, ou par tout autre dispositif permettant de mélanger deux liquides en faisant varier toutes les concentrations possibles de 1 1un des deux liquides dans l'autre. Selon un perfectionnement de l'invention, on peut éviter d'avoir recours à une solution témoin et effectuer la lecture directe de l'indice de réfraction. Un tel dispositif est montré Planche 2 - Figure 4. Le bloc laser-interféromètre repère 1 est monte sur un châssis 14. La solution à mesurer circule dans un cylinde 15, obturé à une extrémité par une glace fixe 16 et à l'autre extrémité par un piston mobile 17 sur lequel est monté le réflecteur 8, le tout étant attelé à la tige mobile d'un vérin pneumatique ou hydraulique repère 18, dont le corps est articule par une chape arrière 19 sur le châssis 14.Les faisceaux aller et retour du laser traversent longitudinalement le fluide contenu dans le cylindre 15, si bien que le trajet L accompli par le rayon lumineux à travers la solution à mesurer est différent selon que le vérin 18 à sa tige sortie (L') ou sur sa tige rentrée (L"). On compte, grâce à ce dispositif interférométrique décrit plus haut le nombre de franges entre les deux positions et, connaissant par contruction la différence de longueur entre L' et L", on en déduit l'indice de réfrac- tion du milieu observé sans avoir à se référer à une solution témoin. Enfin, selon une deuxième disposition annexe, la présente invention propose d'utiliser les dispositifs optiques décrits ci-dessus pour connaître de façon continue l'opacite du milieu traversé par le faisceau. Cette mesure se fait de façon très simple en reportant sur le cadran d'un galvanomètre, ou au moyen de tout autre appareil de mesure, la valeur moyenne ou maximumde la tension électrique émise par l'une et/ou l'autre des deux photodiodes repères 6 et 7 fig. 1 ou 2. Cette information pourra servir à deux fins - dans le cas de métrologie de longueurs (et corrélativement de vitesse et d'accélération ou d'angles), on saura si le signal est suffisant pour que l'ensemble du dispositif reste fiable, et l'on pourra donc établir un dis positif d'alarme en cas de signal insuffisant ou d'obstruction du fais ceau, - dans le cas de la mesure des indices de réfraction des solides, liquides ou gaz, outre la mise en place des dispositifs d'alarmes décrits ci dessus, on connaîtra de façon continue une grandeur physique que l'on peut appeler nébulosité ou opacité, et dont il est évident qu'elle est en corrélation très fine avec la teneur des matières en suspension non dissoutes du milieu vitreux observé. R E V E N D I C A T I O N S 1/ Ensemble de mesure interférométrique constitué d'un émetteur laser (Light Âmplifyied by Stimulated Emission of Radiation) repère 2, stabi lisé de façon très précise en longueur d'onde de la radiation monochra tique remise, caractérisé par un bloc interféromètre constitué de 2 demi-prismes 5 et 5", accolés par leur grande face sur une lame séparatrice 5', dont ltépaisseur optique est égale ou multiple d'un huitième de longueur d'onde, et de deux prismes de renvoi repère 4 pour le chemin optique de référence et repère 8 pour le chemin optique à mesurer de deux photodiodes 6 et 7 observant chacune une interférence lumineuse se produisant sur chacune des faces de la laie séparatrice 5', l'ensemble ayant pour résultat que chaque fois que la longueur du chemin optique séparant l'interféromètre du prisme de renvoi 8 varie, deux signaux sinusoTdaux décalés de 1/4 de période, apparaissent en face des deux photodiodes, lesquelles observent chacune une face de la lame séparatrice. 2/ Dispositif tel que décrit en revendication 1/ caractérisé par un montage dans un même bottier (repère 1) du laser 2 et du bloc interferomètrique. 3/ Dispositif tel que décrit en revendication 1/, et caractérisé par le fait que les pièces optiques 5, 5', 59 et 4 simplement accolées ou collées dans un logement creusé à cet effet dans le bottier 1, sans aucune vis de reglage et de fixation. 4/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2 ou 3, utilise pour mesurer l'indice de réfraction d'un liquide circulant entre les deux glaces parallèles 11 et 11' et caractérisé par le fait que le bottier 1 conte nant le laser et les pièces interferometriques et le prisme de renvoi 8 qui sont montés de façon fixe sur un bâti fixe repère 13, et que la mesure de l'indice de réfraction se réalise en faisant circuler entre les glaces 11 et 11' d'abord une solution temoin, puis la solution à mesurer, en composant progressivement toutes les concentrations possi bles de O à 100 Z de la solution à mesurer dans la solution témoin. 5/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2 ou 3, utilisé pour mesurer l'indice de réfraction d'un fluide, caracterise par le fait que les faisceaux aller et retour du laser interféromètre revendiqué ci-dessus, traversent longitudinalement un cylindre dont le fond fixe 16 est cons- titué de matériaux transparents, et que, en de plaçant le piston 17 entre deux positions connues, on fait varier de façon connue la longueur du chemin gEométrique, en comptant le nombre de franges ou d'ondes dans les dispositifs interferometriques revendiques plus haut, on en déduit la variation de longueur de chemin optique et ensuite l'indice de réfraction du fluide observe 6/ Dispositif selon la revendication 5, caracterise par la vérification périodique de la distance séparant les deux positions extrêmes du pis ton 17 de façon très simple en faisant actionner le système moteur, mais en admettant dans le cylindre 15 un fluide connu (par exemples de l'air à pression, température, et humidité connues), et en utilisant l'ensemble de l'appareil pour vérifier, aussi souvent que nécessaire, la longueur du chemin géométrique de référence du réfractomètre. 7/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 caractérisé en ce que l'on observe le niveau d'amplitude maximum ou moyen de la tension électrique des photodiodes 6 et/ou 7 et que l'on peut en dédui re la néBulosité ou l'opacité du milieu traverse par le faisceau, et, par lA-m8me, la quantité de matières opaques et non vitreuses, donc non dissoutes contenues dans le milieu observe. 8/ Dispositif selon la revendication 5 et/ou 6, utilise pour mesurer l'in dice de réfraction ou/et la teneur en matières opaques non dissoutes et caracterise en ce que l'on utilise le-cylindre 15 et son piston 17 pour aspirer, au moyen des tuyaux et clapets, le fluide à mesurer et ensuite, le refouler dans le milieu : fût, réservoir, bassin, canalisation, etc, d'ou on l'a préleve, et constituer ainsi un dispositif de prelèvement et -de mesure, dispositif qui, peut facilement entre automatisé.