Brevet FR2576407A1 — publié le 19860725

Les dispositifs de mesure à plusieurs coordonnées sont utilisés dans de nombreux domaines de la production industrielle pour des opérations de mesure et de commande. Comme dispositifs de mesure à deux coordonnées on les utilise depuis longtemps avec des appareils de micro-optique et des appareils de mesure à coordonnées (x,y). Il s'y est ajouté un nouveau domaine d'utilisation par suite du développement de la' micro-électronique du fait qu'il fallait, pour le processus de répétition, des dispositifs de positionnement à deux coordonnées qui devaient pouvoir utiliser des dispositifs de mesure à deux coordonnées fonctionnant avec une très grande précision. Normalement, ces dispositifs doivent pouvoir être utilisés également pour la mesure bidimensionnelle des strucutres de circuits de commutation micro-électroniques. Dans le domaine de la technique de mesure à trois coordonnées, le développement des machines incrémentielles à trois coordonnées à donner naissance à une nouvelle génération d'appareils de mesure qui permettent de résoudre des problèmes de mesure com- pliqués relatifs à des pièces usinées. Il est nécessaire, dans ce cas, d'étalonner le système de mesure à trois dimen- sions avec la machine à mesurer prête à fonctionner. Des problèmes analogues de mesures à trois dimensions se posent pour l'utilisation de la technique des robots dans le domaine de la micro-électronique et de la construction d'appareils de précision pour la mécanique et l'optique de précision. Il faut pour cela des positionnements de la main du robot qui se fassent avec une précision de l'ordre du dm et qui, dans une chaîne de commande ouverte, ne peuvent pas être réalisés ou ne peuvent l'être que d'une manière insuffisante en raison du jeu qui existe dans les articulations des robots. Pour résoudre des problèmes de mesure de ce type ou pour étalonner le déroulement du programme on ne peut pas envisager l'utilisation d'un système de mesure à trois dimensions par interféromftrie associé à la main du robot. Par ailleurs, on connaît, pour un moteur linéaire des dispositifs nouveaux permettant de déplacer une table porte-objets dans un plan au moyen de champs magnétiques. A la différence d'autres dispositifs de déplacement dans deux dimensions (x,y), ce moteur linéaire ne comporte pas deux dispositifs de guidage cartésiens (x,y) séparés et situés dans des plans superposés, mais la lame porte-objet glisse de préférence par translation dans un plan et peut être poussée dans ce plan dans n'importe quelle direction. Lorsque le déplacement de cette table porte-objet peut être mesuré par interférométrie on peut l'utiliser comme dispositif de positionnement rapide et de grande précision. On connaît des interféronmtres pour mesures de longueurs bidimensionnelles, comme ceux que décrivent les DE-PS 21 64 898 et DE-OS 1 673 843 et l'article de Jen. Rundschau, 22(1977) Feuillet 4, pages 159166. Ces dispositifs de mesure à deux coordonnées par interféro- mètrie ont ceci de commun que le déplacement de la table porte-objets dans le plan découle de deux déplacements par translation qui s'effectuent perpendiculairement l'un à l'autre. Ces déplacements sont produits par deux systèmes de guidage (x,y) séparés et situés dans des plans super- posés. Pour chaque direction de déplacement, un inter- féromètre mesure le trajet et est placé de telle manière que le faisceau de mesure de l'interféromètre tombe dans la direction de guidage et arrive sur un élément réflé- chissant qui ne varie pas par basculement, c'est-à-dire sur un réflecteur triple, d'o il est renvoyé dans l'inter- féromètre. La condition nécessaire à une mesure ou à un positionnement précis est que les faisceaux de mesure des deux interféromètres soient exactement perpendiculaires l'un à l'autre. La réalisation de cette condition est cependant difficile à assurer, après montage, dans un système à deux coordonnées de ce type, car les faisceaux de mesure ne sont pas facilement accessibles pour ce contrôle. Un autre inconvénient de ce système résulte de ce que chaque dispositif de guidage mécanique présente du jeu de guidage et que ce jeu provoque des mouvements de bascule par rapport à la direction de guidage. Dans le cas envisagé, cela signifie que ces mouvements de bascule provoqués par le mouvement du chariot supérieur aboutissent par rapport à la direction des coordonnées du chariot inférieur, à des erreurs du premier ordre. L'article de Jen. Rundschau 22 (1977) Br.4,pages 168 à 174 décrit un dispositif de positionnement (x,y) compor- tant deux chariots d'entraînement qui se déplacent chacun dans des coordonnées (x,y). A la différence de ce qui est réalisé dans les systèmes de mesure précédents, on utilise cependant, dans ce cas, pour la mesure par interférométrie des trajets parcourus, comme éléments optiques assurant la réflexion, des bandes de miroirs angulaires de grande planéité fixés dans le bras de mesure des interféromètres sur la table de travail. Pour éviter tout basculement des miroirs de mesure plans, ce qui aboutirait inévitablement à des erreurs lors de l'exploration incrémentielle de la structure d'interférence produite dans l'interféromètre, "la table porte-objets et le chariot d'entraînement" doivent" être guidés d'un seul côté, dans le sens hori- zontal et dans le sens vertical, par des paliers à pignons de très grande précision". On a déja proposé un interféromètre, notamment pour l'exploration incrémentielle de structures d'interférence variables, dans lequel un diaphragme est intercalé entre le diviseur d'interféromètre et le diviseur de faisceau et dans lequel le faisceau traversant le diaphragme est divisé dans le diviseur de faisceau en faisceaux partiels sur le trajet de chacun desquels se trouve un récepteur photo-électrique. De plus, entre le diviseur d'interféro- mètre et le diviseur de faisceau, le dispositif comprend un premier subdiviseur de faisceau et, derrière lui, un deuxième subdiviseur de faisceau, de sorte que le faisceau qui pénètre dans le deuxièmesubdiviseur de faisceau est subdivisé en faisceaux partiels, et sur les trajets de ces faisceaux partiels le dispositf comprend une série linéaire d'éléments d'exploration photoélectriques intégrés, les directions de ces deux séries linéaires étant perpendicu- laires l'une à l'autre. Le but de l'invention est la réalisation d'un dispositif de mesure à plusieurs coordonnées par interfé- rométrie qui, bien que les systèmes de guidage du moyen de travail soient réalisés par une technique constructive peu affinée, garantisse une grande précision de mesure. De plus, le dispositif suivant l'invention doit être le pre- mier qui permette la mesure incrémentielle par interféro- métrie dans des systèmes déplacés par translation, mais non guides suivant des coordonnées cartésiennes séparées. Le but de l'invention est la réalisation d'un dispositif de mesure à plusieurs coordonnées par interfé- rométrie dans lequel on utilise des miroirs de mesure d'une forme particulière, susceptibles cependant d'effectuer des déplacements angulaires sans inconvénient pour les mesures. La mobilité angulaire des miroirs de mesure doit être d'un ordre de grandeur tel qu'elle puisse être obtenue facilement dans les lignes de fabrication de qualité moyenne et que, de ce fait, on puisse renoncer à l'utilisa- tion de techniques de précision entraînant des frais con- sidérables. Le but de l'invention est également de permet- tre la détermination par interférométrie des erreurs de basculement du système de guidage de manière que l'on puisse les corriger par des techniques de calcul. Les raisons techniques des déficiences des dispo- sitifs déjà connus résident dans le mode d'exploration de la grille incrémentielle utilisée. On sait que, dans le procédé incrémentiel d'interférométrie, il y a deux maniè- res d'obtenir le signal de mesure incrémentiel. La première solution consiste à produire dans l'interféromè- tre une constante de grille finie et l'exploration de la grille s'effectue en deux points décalés. La deuxième solution consiste à réaliser dans l'interféromètre une constante de grille très élevée de sorte que la disposi- tion des points d'exploration ne soit pas critique et le déphasage de 90 des signaux incrémentiels est réalisé par des moyens de polarisation optique. Ce qui est commun à ces deux procédés, c'est que le réglage de chaque grille une fois effectué dans chaque cas, doit rester inchangée pendant la mesure. On utilise donc, dans tous les inter- féromètres mis en oeuvre pour des buts techniques, dans le bras de mesure des interféromètres, des prismes triples, des miroirs triplesou des réflecteurs catoptiques, sans basculement possible, pour assurer le maintien de la cons- tante de grille à sa valeur réglée. Cependant, les interféromètres qui comportent des réflecteurs triples dans le bras de mesure présentent l'inconvénient que le déplacement du réflecteur triple ne peut s'effectuer que dans le sens de la mesure, mais pas perpendiculairement à ce sens, car des déplacements du réflecteur triple perpendiculairement à la direction de mesure provoqueraient des déplacements parallèles du faisceau de mesure réfléchi par rapport au faisceau de mesure incident et, dans le cas extrême, l'interférence serait interrompue. Appliqué à la technique de mesure à plusieurs coordonnées, cela signifie que l'utilisation de prismes triples dans des interféromètres implique toujours comme condition que le mouvement de translation résultant du moyen de travail soit produit à partir de deux mouve- ments de translation dans des coordonnées cartésiennes. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait que, dans un dispositif de mesure à deux coordonnées, à chaque direction de coordonnée est associé un interféro- mètre connu par lui-même pour l'exploration des structures d'interférence variables, que les faisceaux de mesure de ces interféromètres font entre eux un angle de 90 et qu'aux faisceaux de mesure de ces interféromètres sont associés des miroirs longs plans. De plus, dans un dispo- sitif de mesures à trois coordonn-ées,il y a également, pour chaque direction de coordonnée, un interféromètre pour l'exploration de structures d'interférence variables et aux faisceaux de mesure de ces interféromètres sont asso- ciés des miroirs de grande surface plans. Dans le cas de l'interféromètre utilisé pour l'ex- ploration de structures d'interférence variables, l'inter- calation d'un diaphragme entre le diviseur d'interféro- mètre et le diviseur de faisceau permet l'exploration ponctuelle de la structure d'interférence de sorte que des modifications de la constante de réseau de la structure d'interférence pendant les opérations de mesure ne causent aucune gêne pour l'obtention des signaux de mesure incré- mentiels. Il est donc possible d'utiliser comme miroirs de mesure, dans le bras de mesure de l'interféromètre, des miroirs plans sans être lié par l'obligation de les guider d'une manière rigoureusement parallèle pendant le dépla- cement de mesure. Contrairement au cas des réflecteurs triples, un miroir plan peut également être déplacé dans des limites quelconques perpendiculairement à la direction de mesure sans gêner l'opération de mesure. On sait que, lors des mesures par interférométrie, l'erreur de mesure en cas de basculement du miroir de mesure plan est plus grande que si le miroir de mesure ne bascule pas. Pour éviter cette erreur, on incorpore à chacun des interféromètres qui mesurent le trajet, deux lignes CCD qui. servent à la détermination de la position angulaire des miroirs de mesure et à la correction corres- pondante,par le calcul, de la position du moyen de travail. En même temps, les lignes CCD constituent un système de référence angulaire fixe dans l'espace pour les miroirs de mesure qui permet, par exemple à la suite d'une faute technique, de ramener le moyen de travail à la position angulaire zéro. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'inven- tion sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés. La fig. 1 représente un dispositif de mesure à deux coordonnées. La fig. 2 représente un dispositif de mesure à trois coordonnées. Comme l'indique la fig. 1, l'équerre 5, qui est une partie du moyen de travail mobile dans le sens (x,y), porte des miroirs longs M et My plans disposés à 90 l'un x par rapport à l'autre. Le bloc 6 fixé au bâti porte l'in- terféromètre I>, pour les coordonnées x et l'interféromètre Iy pour les coordonnées y. Les deux interféromètres sont éclairés par le faisceau lumineux 4 monochromatique prove- nant essentiellement d'un laser et subdivisé dans un dé diviseur 8 en faisceau partiels 9 et 10 qui pénètrent dans les interféromètres Ix et Iv. Les interféromètres Ix et I ont des structures identiques. Le faisceau partiel 10 est divisé, dans le diviseur d'interféromètre 1, au niveau de la couche de division 7, en formant le faisceau de mesure IMy et le faisceau de référence IRy. Le faisceau de référence IRy tombe sur le miroir de référence 12 consti- tué par un miroir plan et le faisceau de mesure My arrive sur le miroir de mesure My constitué par un miroir long plan. Après réflexion des deux faisceaux, ceux-ci se réunissent au niveau de la couche de subdivision 7, ce qui provoque la formation du réseau d'interférence à bandes 20. Lors des mouvements de bascule du moyen de travail 5 qui se produisent toujours lorsqu'il se déplace, il y a également modification de la position angulaire du miroir long plan 1y par rapport au faisceau de mesure incident IMY, de sorte que le faisceau de mesure qui est réfléchi sur le miroir de mesure Mv et qui n'est pas représenté revient également, avec un décalage angulaire par rapport à IMy, dans l'interféromètre Iy. Entre le premier diviseur de faisceau 30 et le diviseur de faisceau 2, le dispositif comporte un diaphragme 3 au moyen duquel le réseau d'in- terférence 20 est exploré ponctuellement. Le faisceau 13 qui, dans l'interféromètre Iy, traverse le diaphragme 3 est divisé dans le diviseur de faisceau 2 et forme les faisceaux partiels 14 et 15 qui arrivent sur des récepteurs photoélectriques non représentés. Par suite de l'explora- tion ponctuelle du réseau d'interférence par le diaphragme 3, on obtient un invariant des signaux de mesure par rapport aux modifications de toute nature du réseau d'in- terférence 20. De ce fait, les signaux optiques des faisceaux partiels 14 et 15 sont, indépendamment des mouvements de basculement du moyen de travail 5, exactement en phase à chaque instant. Le déphasage de 90 qui est nécessaire au comptage vers l'avant et vers l'arrière est obtenu à partir des signaux optiques 14 et 15 par des moyens de polarisation optique non représentés. Ces signaux optiques, eux aussi, sont, indépendamment des mouvements de basculement du moyen de travail 5, toujours constants dans leur position de phase à 90 . Le faisceau qui, dans l'interféromètre Ix, pénètre dans le premier diviseur de faisceau 30 et qui est modulé avec la structure d'interférence est subdivisé dans le premier subdiviseur de faisceau 30 en formant les faisceaux 32 et 33 et le faisceau 33 pénètre dans un deuxième subdiviseur de faisceau 34 o, dans la couche de subdivision, il se sub- divise en deux faisceaux 35 et 36. Le faisceau 36 tombe sur la ligne CCD 38 et le faisceau 35 tombe sur la ligne CCD 40. Les directions des dispositifs linéaires consti- tués par les éléments d'exploration photoélectriques sur les lignes CCD 38 et 40 sont perpendiculaires l'une à l'autre. De ce fait, le moyen de travail 5 peut basculer autour d'axes dans n'importe quelle position et, sur interrogation des deux lignes CCD 38 et 40, l'angle de basculement résultant est constamment enregistré. La fig. 2 qui correspond à un autre exemple de réalisation représente un dispositif de mesure à trois dimensions suivant l'invention. Dans ce cas, les miroirs de mesure sont constitués par trois miroirs plans de grande surface MxMyMz disposés à 90 les uns des autres. Les miroirs Mx, My, Mz déterminent un système de coordon- nées (x,y,z) dans l'espace. A chaque miroir, Mx,My,Mz est associé un interféromètre I x,Iy,Iz. Les interféromètres Ix,Iy,Y se trouvent tous ensemble sur le bloc 6 fixé au châssis. L'irradiation des interféromètres I, Iy,Iz est assurée par les faisceaux laser monochromatiques 4x,4y 4z qui dans l'interféromètre 1, au niveau de la première couche de division 7, sont subdivisés en faisceaux de référence et en faisceaux de mesure IMx',IMyI Mz et sont envoyés aux surfaces de référence planes et aux surfaces de mesure MxMy,Mz. Les faisceaux de mesure JMx JMyJMz rencontrent, aux points PxPy et Pz, les surfaces de mesure planes Mx,My, Mz et sont renvoyés par réflexion dans les interféromètres Ix, Iy,Iz. Le faisceau de mesure JMz passe alors par un évidement ménagé dans le bloc 6 et arrive ensuite sur la surface de mesure Mz. Les faisceaux qui se réunissent au niveau de la couche de division 7 de chaque interféromètre sont explorés ponctuellement par le diaphragme 3. Le faisceau 13 qui traverse le diaphragme 3 est subdivisé, dans le subdiviseur de faisceau 2, en faisceaux partiels 14 et 15 qui, après traitement optique de polarisation pour obtention d'un déphasage de 90 , sont envoyés à des récepteurs photoélectriques. Evidemment, dans le dispositif de mesure à trois coordonnées, la détermination des angles de basculement - des miroirs de mesure peut s'effectuer, comme dans le cas de la fig. 1, par intercalation d'un premier subdiviseur de faisceau 30 entre le diviseur d'interféromètre 1 et le diviseur de faisceau 2 et un deuxième diviseur de faisceau 34 monté à la suite du premier diviseur de fais- ceau 30 et par la mise en place de deux lignes CCD 38 et 40 croisées dans les deux sorties 35 et 36 de la deuxième fente à faisceau 34. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure à plusieurs coordonnées par interférométrie constitué par un moyen de travail dont le déplacement dans le plan ou dans l'espace s'effec- tue surtout pas translation et par des systèmes de laser constitués par une source de rayonnement laser monochro- matique, par un interféromètre pour l'exploration incré- mentielle de structures d'interférence variables au moyen d'un diaphragme intercalé entre un diviseur d'interféromè- tre et un diviseur de faisceau et de lignes CCD intégrées dans l'interféromètre, et par des éléments optiques de division et de déviation des faisceaux, caractérisé en ce que, dans un dispositif de mesure à deux coordonnées, à chaque direction de coordonnées est associé un interféro- mètre (Jx),(Jy) connu en lui-même, que les faisceaux de X y mesure (J Mx), (JMy) sont réglés de manière à former entre eux des angles de 90 et qu'aux faisceaux de mesure (Jmx) (J My) sont associés des miroirs longs (Mx) (My). My y 2. Dispositif de mesure à plusieurs coordonnées par interférométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans un dispositif de mesure à trois coordonnées à chaque direction de coordonnée est associé un interfé- romètre (Jx),(Jy), Jz) et qu'aux faisceaux de mesure (JMx), (JMy), (JMz) sont associées des miroirs plans de grande surface (Mx), (My), (Mz).