Brevet FR2561377A1 — publié le 19850920

Dispositif et procédé pour contröler et stabiliser angulairement un objet pouvant se déplacer en translation, utilisant un cristal anisotrope. La présente invention a pour objet un dispo sitif et un procédé pour contrôler et stabiliser angu clairement un objet pouvant se déplacer en translation, utilisant un cristal anisotrope. Elle permet pour un objet pouvant se déplacer en translation de contr8ler et de compenser tout mouvement de rotation indésirable de celui-ci à l'exception dos rotations autour d'un axe parallèle à la translation. Elle s'applique en particu lier dans les domaines de la robotique; de la micro- électronique, de la crachine outil et du contrôle de la direction des faisceaux lumineux. Les dispositifs et procédés actuellement connus pour réaliser un contrôle et une stabilisation angulaires des objets en translation, tels que ceux commercialisés par Hewlett Packard et Soro, sont géné- ralement très complexes à utiliser. zen particulier, les dispositifs employés comportent toute une partie opti que dont le problème majeur est l'alignement des diffé- rents éléments optiques. Par ailleurs, ces dispositifs sont très coûteux. La présente invention a justement pour objet un dispositif et un procédé de contrôle et de stabili sation angulaires d'un objet pouvant se déplacer en translation présentant une grande simplicité d'utili- sation. Par ailleurs, elle permet un contrôle et une stabilisation angulaires très précis pouvant atteindre 10 -6 radian. De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif et un procédé de contrôle et de stabilisation angulaires d'un objet pouvant se déplacer en translation bases sur les propriétés optiques de certains milieux anisotropes et sur la polarisation de la lumière. On sait que les cristaux anisotropes introduisent entre les deux directions de leurs lignes neutres un déphasage proportionnel à la biréfringence ln'-nnl, n' et n" représentant les indices de propagation selon les lignes neutres du cristal. Compte tenu de ce déphasage, une lumière initialement polarisée rectilignement à l'entrée du cristal, par exemple selon un angle de 450 des lignes neutres du cristal, est polarisée elliptiquement à la sortie de celui-ci. Par ailleurs, la valeur des indices n' et n" dépend de l'angle existant entre la direction de propagation du faisceau lumineux arrivant sur le cristal et les axes de symétrie optique de celui-ci. Ainsi, toute modification de l'inclinaison du faisceau arrivant sur le cristal se traduit par une variation de différence de marche optique à l'intérieur de celui-ci et donc par un changement d'ellipticité. Une mesure de l'ellipticité permet alors de mesurer les variations de l'inclinaison du faisceau arrivant sur le cristal. Si un signal d'erreur est créé à partir des variations de l'ellipticité, il sera alors possible d'agir sur l'inclinaison du faisceau arrivant sur le cristal et donc de stabiliser cette inclinaison. L'invention a justement pour objet un dispositif et un procédé, basés sur le principe décrit cidessus, permettant de contrôler et stabiliser angulairement un objet pouvant se déplacer en translation. Selon l'invention, le dispositif comprend - des premiers moyens pour engendrer au moins un pre mier faisceau lumineux de référence polarisé rectili gnement, - des seconds moyens pour engendrer, en provenance de l'objet, au moins un second faisceau lumineux de mesure polarisé rectilignement, - au moins un cristal anisotrope apte à recevoir les premier et second faisceaux et à les transformer, respectivement, en un troisième et quatrième fais ceaux de référence et de mesure, polarisés ellipti quement et de même direction que les premier et- se- cond faisceaux correspondants, - des moyens pour mesurer et comparer l'ellipticité des troisième et quatrième faisceaux émis par le cristal, la comparaison d'ellipticité entre le quatrième et le troisième faisceaux permettant de déterminer la posi tion angulaire de l'objet, et - des moyens pour modifier angulairement la position de l'objet, asservis auxdits moyens de mesure et de com paraison. Selon un mode particulier de réalisation du dispositif de l'invention, les premier et second moyens comprennent des moyens pour émettre un faisceau lumineux principal et des troisièmes moyens pour engendrer à partir de ce faisceau principal le premier et second faisceaux polarisés rectilignement. De préférence, les troisièmes moyens comprennent - système séparateur apte à transmettre une partie du faisceau principal, - un élément réflecteur fixe apte à recevoir une pre mière partie de la lumière transmise par le système séparateur et à réfléchir ladite première partie de la lumière vers ledit système, - un miroir, solidaire de l'objet, apte à recevoir une seconde partie de la lumière transmise par le système séparateur et à réfléchir ladite seconde partie de la lumière vers ledit système. Le fait d'engendrer les faisceaux de mesure et de référence à partir d'un seul faisceau et d'utiliser un élément réflecteur et un miroir décalés, permet d'obtenir un dispositif d'utilisation très simple puisqu'il ne nécessite que l'alignement d'un seul faisceau lumineux, le faisceau de mesure, vers l'objet à contrôler, ce qui n'était pas le cas dans les dispositifs de l'art antérieur. Selon un autre mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention, celui-ci comprend un polariseur rectiligne, contigu au cristal anisotrope et orienté, de préférence, selon un angle de 450 par rapport aux lignes neutres dudit cristal. Selon un autre mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention, les troisièmes moyens comprennent un système optique du type télescope apte à amener le paramètre confocal du faisceau principal à une valeur de l'ordre de plusieurs centaines de mètres. Selon un autre mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention, les moyens de mesure et de comparaison de l'ellipticîté des faisceaux de référence et de mesure comprennent : - une lame quart d'onde apte à recevoir les troisième et quatrième faisceaux et à les transformer respecti vement en un cinquième et sixième faisceaux de réfé rence et de mesure, polarisés rectilignement et de même direction que les troisième et quatrième fais ceaux correspondants, - un analyseur tournant pour analyser les cinquième et sixième faisceaux issus de la lame quart d'onde, - au moins deux détecteurs aptes à transformer les deux faisceaux lumineux issus de l'analyseur en deux si gnaux électriques alternatifs, et - des moyens pour mesurer et comparer les phases des deux signaux électriques. L'invention a aussi pour objet un procédé de contrôle et de stabilisation angulaires d'un objet pouvant se déplacer en translation, utilisant le dispos il tif décrit précédemment. Selon l'invention, ce procédé se caractérise en ce qu'il consiste à - engendrer au moins un premier faisceau lumineux de référence polarisé rectilignement, - engendrer, en provenance de l'objet, au moins un se cond faisceau lumineux de mesure polarisé rectiligne ment, - transformer, à l'aide d'au moins un cristal anisotro pe, les premier et second faisceaux, respectivement, en un troisième et quatrième faisceaux de référence et de mesure polarisés elliptiquement et de meme di rection que les premier et second faisceaux corres pondants, - mesurer et comparer l'elîipticité des troisième et quatrième faisceaux issus du cristal, la comparaison d'ellipticité entre le quatrième et le troisième faisceaux permettant de déterminer la position angu laire de l'objet, et - modifier angulairement la position de l'objet, cette modification étant asservie à la mesure de ltellipti- cité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées, dans lesquelles - la figure 1 représente, schématiquement, un mode préféré de réalisation du dispositif de contrôle et de stabilisation de l'invention, - la figure 2 représente, schématiquement, une variante du dispositif de la figure 1, et - la figure 3 permet d'illustrer la stabili- sation d'un objet se déplaçant en translation à l'aide du dispositif et du procédé de l'invention, la courbe a correspondant à un mouvement de translation sans asser vissement et la courbe b à un mouvement de translation asservi conformément à l'invention. Le dispositif de l'invention, représenté sur la figure 1, comprend une source lumineuse 2, constituée par exemple d'un laser à hélium et néon, délivrant un faisceau principal de lumière 4, monochromatique et continu, présentant notamment une longueur d'onde de o 6328 A. Afin de réduire la divergence propre du faisceau laser 4, un système optique 6, du type télescope présentant par exemple un grandissement 20, permettant d'agrandir le paramètre confocal du faisceau 4 à une valeur de l'ordre de plusieurs centaines de autres peut etre utilisée. Des moyens constitués par exemple d'un systene séparateur 8 tel qu'une lame séparatrice et de deux miroirs 10 et 12, décalés dans l'espace, permettent d'engendrer, à partir du faisceau principal 4, un faisceau de référence 14 et un faisceau de mesure 16. La lame séparatrice 8 permet de transmettre une partie de l'énergie lumineuse du faisceau principal 4 en direction du miroir 10 et du miroir 12. Le miroir 10 couvre la moitié du champ lumineux sortant de la lame 8, par exemple la moitié inférieure. Ce miroir 10, qui est fixe, permet d'engendrer le faisceau de référence 14 en réfléchissant la partie de la lumière qu'il reçoit en direction de la lame 8. De même, le miroir 12, placé sur l'objet mobile à contrôler et à stabiliser 13, couvre l'autre moitié du champ lumineux sortant de la lame séparatrice 8, par exemple la moitié supérieure. Ce miroir 12, en réfléchissant la partie de la lumière qu'il reçoit, en direction de la lame séparatrice 8, permet d'engendrer le faisceau de mesure 16. I1 est à noter que la lame séparatrice peut être remplacée par un cube séparateur et que le miroir 10 peut etre remplacé par un rero1ecteur Par ailleurs, les faisceaux de référence 14 et de mesure 16 peuvent être formés à partir de deux sources de lumière differentes. Ces faisceaux de référence 14 et de mesure 16 sont ensuite envoyés, par l'intermédiaire de la lame 8 en direction d'un miroir fixe 19, situé dans l'alignement d'un cristal anisotrope 17, par exemple uniaxe et de forme parallélépipédique. Ces faisceaux 14 et 16 sont réfléchis par le miroir 19 en direction du cristal 17, après avoir été polarisés rectilignement au moyen d'un polariseur rectiligne 18, orienté de préférence selon un angle de 450 par rapport aux lignes neutres du cristal 17. I1 est à noter que la polarisation rectiligne des faisceaux 14 et 16 peut se faire à n'importe quel endroit et en particulier juste après la source 2 à la condition que les dispositifs 8 et l9 respectent la polarisation des faisceaux 14 et 16. Le cristal 17, qui est un cristal anisotrope notent uniaxe constitue par exemple en phosphate diacide de potassium (KDP), taillé par rapport à l'axe optique dudit cristal selon un angle égal à 520, permet de transformer les faisceaux 14 et 16 polarisés rectilignement, en deux faisceaux 20 et 22 polarisés elliptiquement, orientés selon les mêmes directions que les faisceaux incidents 14 et 16 correspondants. Les faisceaux de référence 20 et de mesure 22 présentent des ellipticités différentes, lorsque l'angle d'incidence des faisceaux correspondants 14 et 16 présentent, sur le cristal 17, des angles d'incidence différents. Les écarts d'ellipticité entre le faisceau de référence 20 et le faisceau de mesure 22 sont représentatives de la position angulaire de l'objet 13 à contrôler. Le système optique et électronique que lon va maintenant décrire, portant la référence générale 23, permet de mesurer les variations de l'eîlipticité entre le faisceau de mesure 22 et le faisceau de référence 20. Ce dispositif de mesure 23 comprend, entre autres, une lame quart d'onde 24 permettant de transformer les faisceaux de référence 20 et de mesure 22, polarisés elliptiquement, respectivement, en deux faisceaux de référence 26 et de mesure 28, polarisés rectilignement et de même direction que les faisceaux 20 et 22 arrivant sur la lame 24. Les faisceaux 26 et 28, polarisés rectilignement, traversent ensuite un analyseur io, du type polarond, tournant sur lui-même à une vitesse constante, par exemple à une vitesse de 12,5 tours/sec. Les deux faisceaux lumineux sortant alternativement de l'analyseur 30 sont ensuite reçus, respectivement, par deux détecteurs 32 et 34, transformant ces deux faisceaux lumineux en deux signaux électriques alternatifs, l'un de référence, l'autre de mesure, présentant par exemple une fréquence fondamentale de 25 Hz lorsque la vitesse de l'analyseur 30 est de 12,5 tours/sec. La différence de phase entre les deux signaux électriques peut, ensuite, être mesurée puis comparée à l'aide d'un détecteur de phase ou phasemètre 36 relié électriquement aux deux détecteurs 32 et 34. Ce détecteur de phase 36 délivre un signal continu, dit signal d'erreur, directement proportionnel à la différence angulaire existant entre le faisceau de référence 14 et le faisceau de mesure 16 arrivant sur le cristal 17. Ce signal d'erreur est ensuite lu par un dispositif électronique approprié 38, par exemple un amplificateur commandant, en fonction de la valeur de ce signal d'erreur, des moyens mécaniques 39 agissant sur la rotation de l'objet 13. Le signe du signal d'erreur permet de compenser dans un sens ou dans l'autre le mouvement de rotation de l'objet à contrôler.Les mouvements de rotation de l'objet à contrôler 13 peuvent notamment être commandés à l'aide d'un système à céramique piézoélectrique. Le fait de comparer en permanence les phases entre les deux signaux électriques engendrés à partir d'un faisceau lumineux de mesure, et d'un faisceau lumineux de référence, permet de retrouver à 2 près l'information de position angulaire de l'objet lorsque le faisceau de mesure est masqué accidentellement ou non puis rétabli, ce qui n'était pas le cas dans les dispositifs de l'art antérieur. Le dispositif et le procédé décrits ci-dessus permettent de contrôler et d'asservir le mouvement en rotation d'un objet 13 en translation autour d'un seul axe, par exemple un axe horizontal 40. Afin de aontrôler et d'asservir simultanément, et sans couplage, deux mouvements de rotation perpendiculaires, par exemple un mouvement autour d'un axe vertical 41 et autour d'un axe horizontal 40, on peut utiliser le dispositif représenté sur la figure 2 qui n'est qu'une variante du dispositif de la figure 1, les fonctionnements des deux dispositifs étant quasiidentiques. Le dispositif représenté sur la figure 2 ne diffère de celui de la figure 1 que par l'emploi de deux faisceaux de référence 14a et 14b et de deux faisceaux de mesure 16a et 16b, l'emploi de deux cristaux anisotropes par exemple uniaxes respectiveTnent 42 et 44 qui peuvent etre accolés, notamment en calcite, et par les moyens de mesure 23 de l'ellipticité des faisceaux lu mineur sortant des deux cristaux anisotropes 42 et 44. Les faisceaux de référence 14a et de mesure 16a sont utilisés pour controZer et stabiliser l'objet 13 angu clairement par rapport à l s axe 40 et les faisceaux de référence 14b et de mesure 15b sont utilisés pour con trôler et stabiliser l'objet 13 angulairement par rapport à l'axe 41. Dans ces moyens de mesure 23, l'analyseur tournant 30 de la figure 1 a été remplacé par une lame demi-onde 46 tournant à vitesse constante (12,5 tours/sec. par exemple) et par un analyseur fixe 48. Cette lame demi-onde 46 permet de transmettre alternativement quatre faisceaux lumineux, deux de référence et deux de mesure correspondant respectivement aux faisceaux 14a et 14b, 16a et 16b. Afin de détecter ces quatre faisceaux, on utilise quatre détecteurs respectivement 50, 52, 54, 56 transformant les quatre signaux lumineux en quatre signaux électriques alternatifs. Les détecteurs 50 et 52 servent à détecter les deux faisceaux lumineux de référence et les détecteurs 54 et 56 à détecter les deux faisceaux de mesure. Comme précédemment, un système électronique 58 constitué, entre autres, d'un détecteur de phase permet de comparer les signaux électriques délivrés d'une part, par les détecteurs 50 et 54 et d'autre part, par les détecteurs 52 et 56. Il permet aussi de délivrer deux signaux d'erreur permettant ensuite d'agir sur la rotation de l'objet 13 selon l'axe 40 et selon l'axe 41. Le dispositif et le procédé de l'invention, décrits précédemment, ont été testés à laide d'une table de translation motorisée. Ils ont permis de détecter des défauts de parallélisme de translation de la table de l'ordre de 1 micromètre. En particulier, pour un miroir 12, placé à 1 mètre du cristal 17 en KDP, il a été possible de compenser des mouvements angulaires, selon l'axe 40, de 10 3 radian à 2.10-6 radian. Ces dé- fauts de translation ont pu etre compensés, comme l'il- lustrent les courbes a et b de la figure 3, à l'aide du dispositif et du procédé de l'invention avec une préci sion de 2.10 6 radian.La courbe a correspond à un objet se déplaçant en translation, sans asservissement, et la courbe b au même objet se déplaçant en transla- tion avec un asservissement, réalisé avec le dispositif et le procédé de l'invention. I1 est à noter que la précision des mesures est fonction du choix du cristal, de l'angle de coupe de celui-ci et de la longueur d'onde utilisée pour engendrer les faisceaux de référence et de mesure. Le dispositif et le procédé de l'invention présentent l'avantage de stabiliser et controler angulairement un objet pouvant se déplacer en translation de façon très précise, et ce d'une façon simple à mettre en oeuvre et pouvant etre réalisée avee du matériel de qualité courante. Bien entendu, l'invention ne s'applique pas uni- quement à un objet matériel tel que décrit précédem- ment. En effet, elle peut aussi swappliquer à un objet immatériel tel qu'un faisceau laser. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour contrôler et stabiliser angulairement un objet (13) pouvant se déplacer en translation, caractérisé en ce qu'il comprend - des premiers moyens (2, 6, 8, 10, 18) pour engendrer au moins un premier faisceau lumineux (14, 14a,14b) de référence polarisé rectilignement, - des seconds moyens (2, 6, 8, 12, 18) pour engendrer, en provenance de objet (13), au moins un second faisceau lumineux (16, 16a, l6b) de mesure polarisé rectilignement, - au moins un cristal anisotrope (17, 42, 44) apte à recevoir les premier et second faisceaux et à les transformer, respectivement, en un troisième (20) et quatrième (22) faisceaux de référence et de mesure, polarisés elliptiquement et de même direction que les premier et second faisceaux correspondants, - des moyens (23) pour mesurer et comparer l'elliptici té des troisième (20) et quatrième (22) faisceaux émis par le cristal (17, 42, 44), la comparaison d'ellipticité entre le quatrième et le troisième faisceaux permettant de déterminer la position angu laire de l'objet (13), et - des moyens (38, 39) pour modifier angulairement la position de l'objet, asservis auxdits moyens de mesu re et de comparaison (23). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second moyens comprennent des moyens (2) pour émettre un faisceau lumineux principal (4) et des troisièmes moyens (6, 8, 10,12, 18) pour engendrer à partir de ce faisceau principal le premier et le second faisceaux, polarisés rectilignement. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les troisièmes moyens comprennent : - un système séparateur (8) apte à transmettre une par tie du faisceau principal (4), - un élément réflecteur fixe (10) apte à recevoir une première partie de la lumière transmise par le systè me séparateur (8) et à réfléchir ladite première partie de la lumière vers ledit système, - un miroir (12), solidaire de l'objet (13), apte à recevoir une seconde partie de la lumière transmise par le système séparateur (8) et à réfléchir ladite seconde partie de lumière vers ledit système. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les troisièmes moyens comprennent un système optique (6) du type télescope apte à amener le paramètre confocal du faisceau principal (4) à une valeur de l'ordre de plusieurs centaines de mètres. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications à a 4, caractérisé en ce que les premiers et les seconds moyens comprennent un polariseur rectiligne (18), ce polariseur étant contigu au cristal (17, 42, 44). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le polariseur (18) est orienté sui vans un angle de 450 par rapport aux lignes neutres du cristal. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure et de comparaison (23) comprennent - une lame quart d'onde (24) apte à recevoir les troi sième et quatrième faisceaux et à les transformer respectivement en un cinquième (26) et sixième (28) faisceaux de référence et de mesure, polarisés recti lignement et de meme direction que les troisième et quatrième faisceaux correspondants, - un analyseur tournant (30, 462 48) pour analyser les cinquième (263 et sixième (28) faisceaux issus de la lame quart d'onde (24), - au moins deux détecteurs (32, 34, 50, 52, 54, 56) aptes à transformer les deux faisceaux lumineux issus de l'analyseur (30, 46, 48) en deux signaux électri ques alternatifs, et - des moyens (36) pour mesurer et comparer les phases des deux signaux électriques. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les moyens (2) pour émettre le faisceau principal (4) comprennent une source de lumière monochromatique continue. 9. Procédé pour contrôler et stabiliser angulairement un objet pouvant se déplacer en translation, caractérisé en ce qu'il consiste à - engendrer au moins un premier faisceau lumineux (14, 14a, 14b) de référence polarisé rectilignement, - engendrer, en provenance de l'objet (13), au moins un second faisceau lumineux (16, 16a, 16b) de mesure po larisé rectilignement, - transformer, à l'aide d'au moins un cristal anisotro pe (17, 42, 44) les premier-et second faisceaux, res pectivement, en un troisième (20) et quatrième (22) faisceaux de référence et de mesure polarisés ellip tiquement et de meme direction que les premier et second faisceaux correspondants, - mesurer et comparer l'ellipticité des troisième et quatrième faisceaux issus du cristal (17, 42, 44),la comparaison d'ellipticité entre le quatrième et le troisième faisceaux permettant de déterminer la posi tion angulaire de l'objet, et - modifier angulairement la position de l'objet, cette modification étant asservie à la mesure de l'elliptiZ cité. 10. Procédé selon la revendication 9, caraco térisé en ce que l'on émet un faisceau lumineux principal (4) et en ce que l'on engendre à partir de ce faisceau le premier et le second faisceaux polarisés rectilignement. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on engendre les premier et second faisceaux en transmettant une partie du faisceau principal (4) au moyen d'un système séparateur (8), en interceptant une partie de la lumière transmise par le système séparateur au moyen d'un élement réflecteur fixe (10), réfléchissant ladite première partie de lumière sur ledit système séparateur; en interceptant l'autre partie de la lumière transmise par le système séparateur (8j au moyen d'un miroir (12), solidaire de l'objet, réfléchissant ladite autre partie de la lumière sur ledit système séparateur. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'étape de mesure et de comparaison de l'ellipticité consiste à - transformer au moyen d'une lame quart d'onde (24) les troisième et quatrième faisceaux, respectivement, en un cinquième (26) et sixième (28) faisceaux de réfé rence et de mesure, polarisés rectilignement et de mente direction que les troisième et quatrième fais ceaux correspondants, - analyser au moyen d'un analyseur tournant (30, 46, 48) les cinquième et sixième faisceaux issus de la lame quart d'onde (24), - transformer les deux faisceaux lumineux issus de l'analyseur en deux signaux électriques alterna tifs, et - mesurer et comparer les phases des deux signaux élec triques.