Brevet FR2573525A1 — publié le 19860523

La présente invention est relative à un inter- féromètre, notamment pour l'exploration par incrément de structures variables d'interférence. Les interféromètres peuvent être utilisés pour la mesure de toutes les grandeurs technico-physiques qui sont susceptibles de provoquer une modification de la diffé- rence de trajets optiques. En particulier, la présente invention peut s'appliquer également aux opérations de mesure dans lesquelles l'objet à mesurer provoque pendant les mesures des modifications de la structure d'interférence. Cette particularité de l'invention permet la mesure inter- férométrique par incrément sans contact dans le cas de surfaces planes dont il faut vérifier la planéité, par exemple des miroirs, des calibres du système international etdes mémoires à disque. L'invention permet également l'exploration de miroirs plans, sans obliger à les réaliser de façon strictement parallèles et l'exploration optique sans contact de surfaces sphériques et non sphériques et elle peut être appliquée dans des chambres de mesure sous pression o l'arrivée et la sortie du gaz produisent des modifications tourbillonnaires de la structure d'interférence. Le brevet DD-PS 201 191 décrit un interféromètre qui permet la mesure d'interféromètrique par incrément pendant la mesure de structures variables d'interférence. Lorsqu'on utilise cet interféromètre il est indispensable de positionner d'une manière exacte l'un par rapport à l'autre les deux éléments d'exploration nécessaires à une détermination exacte des signaux de mesure par incrément de telle manière que lorsqu'ils sont projetés dans la sturcture d'interférence produite par l'interféromètre, ils se superposent en un seul point. Si l'on ne résussit pas ou si i'on réussit seulement d'une manière insuffisante à assurer l'identité des deux éléments d'exploration par rapport à la structure d'interférence, le domaine d'utilisation de cet interféromè- tre est très limité. Par ailleurs, il est difficile, du point de vue de la technique de construction, de dégager les éléments d'exploration du dispositif de réglage d'une position exactement réglée et de les relier aux éléments constitutifs de l'interféromètre de telle manière qu'il ne se produise pas de changement de position. Un autre inconvénient de la solution connue con- siste en ce que, en raison des possibilités de modifica- tions de la structure d'interférence, l'erreur de mesure augmente. Le but de l'invention est la réalisation d'un interféromètre, notamment pour l'exploration de structures variables d'interférence qui puisse être réalisé à- un niveau technique assez simple et cependant, répondre à des exigences assez sévères en ce qui concerne la précision des mesures. Le but de l'invention est donc de réaliser un interféromètre qui soit indépendant du réglage des éléménts d'exploration et permette l'exploration par incrément de structures variables d'interférence en élimi- nant l'erreur de mesure résultant de l'inclinaison de la surface de mesure. La large utilisation de l'interférométrie dans la technique est fondée sur le fait que l'on peut obtenir des signaux de mesure par incrément. Comme on le sait, la méthode par incrément implique l'utilisation de deux signaux de mesure déphasés de 90 . Dans l'état de la technique il faut que, pendant la mesure, il y ait un réseau qui ne se modifie pas. C'est la raison pour laquelle toute une série d'applications importantes est restée interdite à la mesure interférométrique par incrément du fait que le réseau d'interférence produit dans l'inter- féromètre n'y reste pas invariable pendant les mesures. C'est le cas notamment pour l'exploration sans contact de mesures planes et courbes car, dans les inter- féromètres connus, il faut toujours avoir la certitude que la posftion angulaire respective du faisceau de mesure et du faisceau de référence des surfaces réfléchissantes n'est pas modifiée. La réalisation de cette condition garantit l'immuabilité de la structure d'interférence qui est nécessaire pour obtenir les signaux de mesure par incrément. Il en résulte dans le cas des interféromètres connus, qu'au moins dans le bras de mesure, l'interféromètre doit compor- ter comme réflecteur des éléments de construction optique à basculement invariable, par exemple des prismes triples, des miroirs triples ou ce que l'on appelle des réflecteurs à oeil de chat ou catadioptriques. Dans ces conditions, il est impossible a priori, de réaliser une exploration sans contact de différents objets à mesurer. Le brevet cité ci-dessus constitue une excep- tion, car en faisant intervenir le principe des points d'exploration identiques localement par rapport à la structure d'interférence, il permet d'obtenir des signaux de mesure înterféromètriques par incrément même pendant la mesure d'une structure variable d'interférence. Cependant, la structure qu'il décrit présente l'inconvénient que la propriété ci- dessus de cet interféromètre ne peut être réalisée que par un positionnement exact des deux éléments d'exploration photo-électriques par rapport à la structure d'interférence explorée. Bien que le réglage des récepteurs dans cette position ne pose pas de problème et puisse s'effectuer d'une manière systématique et contrôlée, il faut, lorsque les éléments d'exploration sont séparés du dispositif de réglage et sont reliés aux éléments consti- tuant l'interféromètre, s'attendre à des modifications de position qui annulent l'effet des réglages antérieurs. Par ailleurs, il n'est pas sûr que les éléments d'exploration conservent une fois pour toute la position dans laquelle ils -ont été placés par rapport à la structure d'inter- férence à la fin du réglage, ce qui peut provoquer une altération des données prévues de l'interféromètre ou remettre en cause ses possibilités d'utilisation pour les mesures prvues. La possibilité d'exploration par incrément offerte par l'application du principe de l'identité locale des points d'exploration signifie que la surface de mesure explorée ne doit pas,dans le bras de mesure de l'interféromètre forcément être perpendiculaire au faisceau qui arrive, mais peut prendre une position qui s'écarte dans certaines limites de la position perpendiculaire. Dans ces conditions, il est possible de renoncer à l'utilisation de réflecteurs à basculement invariable dans le bras de mesure des interféromètres et d'explorer optiquement au moyen du faisceau de mesure des surfaces à mesurer planes et courbes sans contact directement. Si, cependant, la surface à mesurer ne se trouve pas dans une position perpendiculaire par rapport au faisceau qui arrive,mais si, par rapport à ce faisceau de mesure, elle se trouve dans une position qui en diffère d'un angle c le cas d'une position angulaire perpendiculaire. Le but de l'invention est d'éliminer ces incon- vénients. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait que l'installation comprend, entre le séparateur d'interféromètre et le diviseur de rayon, un diaphragme et que le faisceau qui traverse le diaphragme est, à l'intérieur du diviseur de rayon, subdivisé en deux faisceaux partiels, chacun de ces faisceaux partiels étant envoyé à un récepteur photo-électrique. En outre, l'installation comprend en plus entre le séparateur d'interféromètre et le diviseur de rayon un premier diviseur de rayon puis, à la suite de celui-ci, un deuxième diviseur de rayon. Le faisceau qui est séparé par le premier diviseur de rayon dans la direction du deuxième diviseur de rayon est subdivisé dans le deuxième diviseur de rayon en deux faisceaux partiels. Chacun de ces faisceaux partiels.tombe sur un dispositif linéaire qui lui est associé et qui est constitué par des éléments d'exploration photoélectriques intégrés. De plus, à l'une des deux sorties du premier diviseur de rayon, l'installation comprend un dispositif en forme de matrice constituée par des éléments d'exploration photo-électriques intégrés. Duix fait de l'intercalation du diaphragme entre le séparateur d'interféromètre et le diviseur de rayon, le point d'exploration identique pour les deux éléments d'exploration est représenté par le diaphragme commun et il n'est plus nécessaire de réaliser le point d'explora- tion identique par réglage des deux éléments d'exploration. On obtient de cette mesure une image d'interférence qui a une grande surface par rapport au diamètre du diaphragme et qui est explorée ponctuellement par le diaphragme. De ce fait, l'emplacement o se trouve l'élément d'explo- ration par rapport à la structure d'interférence-n'est plus essentiel, il suffit que le rayonnement qui traverse le diaphragme rencontre la partie active de rayonnement de l'élément d'exploration. C'est assez facile à obtenir, car, en générale le diamètre du diaphragme est plus petit que le diamètre de la surface active de rayonnement. Etant donné que le diaphragme peut être placé dans une position absolument fixe par rapport à la structure d'interférence, il n'est pas possible qu'il y ait des modifications de position entre le diaphragme et la structure d'interférence. De même, la position relative du diaphragme et des éléments d'exploration photo-électriques ne pose pas de problème, car la position des éléments d'exploration n'exerce plus aucune influence sur la position de phase des signaux de mesure par incrément. Dans ces conditions, du fait de l'introduction du diaphragme, il y a deux signaux optiques qui sont complètement indépendants des opérations de réglage et des problèmes de techniques de construction de la fixation des éléments de construction qui permettent à chaque instant, d'obtenir des valeurs de mesures exactes par incrément avec un décalage de phase de 90". Le point de départ pour la correction de l'erreur résultant du fait que la surface de mesure-n'est pas exactement perpendiculaire au-faisceau qui arrive est fourni par l'image d'interférence elle-même, du fait que la structure d'interférence explorée contient l'information nécessaire sur la position angulaire recherchée. Sur l'image d'interférence cette position angulaire correspond à l'épaisseur des bandes d'interférence qui se trouvent au point d'exploration. L'épaisseur des bandes d'interférence peut être déterminée si 1 'on reproduit la structure d'inter- férence sur un nombre assez élevé d'éléments d'exploration photoélectriques situés. les uns à côté des autres, par exemple sur une ligne CCD. Chacun des éléments en question d'un dispositif de ce genre émet un signal électrique correspondant à l'intensité de rayonnement reçu. En inter- rogeant d'une manière cyclique les éléments de la ligne CCD, on obtient une image transformée en grandeur électrique de la structure d'interférence. Cette image permet de déter- miner les éléments sur lesquels se trouvent par exemple les maxima de la structure d'interférence et à partir de la distance connue séparant ces éléments et de la longueur d'onde utilisée dans l'interféromètre pour le rayonnement mono-chromatique on détermine l'inclinaison de la surface de mesure au point de mesure considéré. 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, au dessin annexé. La fig. 1 représente l'interféromètre et le diaphragme. La fig. 2 représente l'interféromètre et les diaphragmes en même temps que les lignes CCD permettant de déterminer la position angulaire de la surface à mesurer. La fig. 3 est l'image de la structure d'interfé- rence 50 avec un faisceau modulé 20 sur la ligne CCD 38. La fig. 4 représente le tracé sinusoidal naturel de la structure d'interférence 50 tel qu'il est produit par les éléments des lignes CCD 38. La fig. 5 représente l'ensemble de l'interféro- mètre. L'interféromètre représenté par la fig. 1 est constitué par le séparateur d'interféromètre 1 et par le diviseur de rayon 2, entre lesquels se situe le diaphragme 3. Le faisceau laser mono-chromatique polarisé linéairement 4 traverse le filtre de polarisation 5 et la plaque /4 6 et arrive dans le séparateur d'interféromètre 1, dans lequel il est séparé, au niveau de la couche de division 7, en un faisceau de mesure 8 et en un faisceau de référence 9. Le faisceau de mesure 8 traverse la plaque A/4 10 et arrive sur le miroir de mesure 11 qui le renvoie par réflexion dans le séparateur d'interféromètre 1. Le faisceau de référence 9 est réfléchi par le miroir de référence 12. Le faisceau de mesure 8 et le fais- ceau de référence 9 se superposent au niveau de la couche de division 7, ce qui donne la structure d'interférence 20 qui, dans le cas d'un miroir de mesure 11 et d'un miroir de référence 12 plans, se présente sous forme de raies lorsque le miroir de mesure 11 et le miroir de référence 12 ne sont pas exactement perpendiculaires l'un à l'autre. La partie 13 de la structure d'interférence qui traverse le diaphragme 3 est subdivisée dans le diviseur de rayon 2 en un faisceau 14 et en un faisceau 15, qui après avoir traversé les analyseurs 16 et 17, arrivent sur les éléments d'exploration photo- électriques 18 et 19. La différence de phase de 90 qui doit exister entre les faisceaux 14 et 15 pour que la mesure par incrément puisses'effectuer dépend de l'angle formé par les directions de passage dans les analyseurs 16 et 17. Le diaphragme 3 est réalisé, de préférence, par des techniques de dépôt de vapeur et de photo-lithographie sur les surfaces du séparateur d'interféromètre 1 ou du diviseur de rayon 2 collées l'une à l'autre par un mastic. Cette technique de fabrication permet d'obtenir sans difficulté des ouvertures de diaphragme circulaires dont les diamètres peuvent être de l'ordre de grandeur de quelques micromètres. C'est d'autant plus important pour l'invention que la constante de réseau la plus petite qui puisse être explorée pour l'infrastructure dépend du diamètre du diaphragme. Il est donc possible, en choisissant convenable- ment le diamètre du diaphragme d'adapter exactement l'inter- féromètre au résultat recherché. On peut prendre comme base le fait que les récepteurs photo-électriques discrets 18,19 fournissent encore des signaux de départ électriques utilisables quand le diamètre du diaphragme est les trois quarts de la distance de réseau de la structure d'interféren- ce. Pour un diamètre de diaphragme de 20 micromètres, par exemple, on peut encore explorer des structures d'inter- férence ayant des constantes de réseau inférieures ou égales à 26 micromètres. Dans ce cas, la normale à la surface de mesure au point de mesure fait un angle de 41' avec le faisceau qui arrive,>étant égal à 633 mm. La fig. 2 représente un mode de réalisation de l'interféromètre dans lequel la position angulaire de la-surface à mesurer par rapport au faisceau de mesure qui arrive est mesurée et dans laquelle l'erreur de mesure qui en résulte peut être corrigée par le calcul. Pour cela, l'installation comporte, entre le séparateur d'interféro- mètre 1 et le diviseur de rayon 2, deux séparateurs de rayon 30 et 34 qui ont pour fonction de reproduire le rayon 20 modulé par la structure d'interférence sur deux lignes CCD 38 et 40. Le faisceau 4 qui provient de la source de rayonnement mono-chromatique pénètre dans l'interféromètre 1 oh, au niveau de la couche de division-7, il est subdivisé en un faisceau de mesure 8 et en un faisceau de référence 9 qui, en se réunissant, donnent le faisceau 20 qui est modulé par la structure d'interférence. Ce faisceau 20 pénètre dans le premier diviseur de rayons -au niveau de la couche de division 31 duquel il est subdivisé en une partie 32 qui est envoyée au diaphragme 3, qui laisse passer une partie 13 du faisceau 32, qui est ensuite traitée comme le montre la fig. 1, et en une partie 33 qui est déviée de 90 et pénètre dans un deuxième diviseur de rayon 34 qui subdivise le faisceau 33 en faisceaux partiels 35 et 36. Après avoir traversé un analyseur 37, le faisceau 36 tombe sur une ligne CCD 38 et le faisceau 35 traverse l'ana- lyseur 39 et tombe sur la ligne CCD 40. La ligne CCD 38 est disposée de telle manière que les éléments photoélectrique- ment actifs de la ligne CCD 40 sont perpendiculaires au plandu dessin. La fig. 3 représente, sur la ligne CCD 38, le faisceau 20 modulé par la structure d'interférence 50. Si l'on suppose que la surface de mesure est un miroir plan, la structure d'interférence 50 est constituée par des raies rectilignes parallèles qui, au balayage, correspondent à des lignes claires et sombres. Les lignes les plus importan- tes de ces structures d'interférence pour l'exploration sont les lignes des maxima 51 ou des minima 52. Comme l'indique la fig. 4, le tracé sinusoïdal naturel de la structure d'interférence 50 déclenche, au niveau des éléments photo-électriques de la ligne CCD 38, des signaux électriques. Aux éléments I=2 et I=20, par exemple, corres- pond un minimum de la structure d'interférence. Comme les distances entre les éléments I sont connus, on détermine de cette manière la constante de réseau de la structure d'interférence 50 dans la direction de la ligne CCD 38. Cependant, pour déterminer la position angulaire de la surface de mesure par rapport au rayon de mesure incident, on a cependant besoin de conna:tre la constante de réseau de la structure d'interférence dans le sens perpendiculaire à la direction des raies d'interférence. On l'obtient par le croisement des deux lignes CCD. La fig. 5 représente dans son ensemble, vu dans la direction des rayons 32,35,36, le mode de montage de l'interféromètre de la fig. 2 pour l'obtention des signaux de mesure. Le diaphragme 3 est transparent à l'intérieur du cercle et ne l'est pas à l'extérieur du cercle. Les lignes CCD 38 et 40 sont perpendiculaires les unes aux autres et la structure d'interférence 50 qui doit être explorée est représentée en projection sur la ligne CCD 38 et 40 et sur le diaphragme 3. Les lignes CCD 38 et 40 constituent un système de coordonnées X et Y, dans lequel la ligne CCD 38 représente l'axe des X et la ligne CCD 40, l'axe des Y, le point d'intersection des axes de coordonnées étant en même temps l'origine du système de coordonnées qui coincide avec le centre du diaphragme 3. La détermination de la distance de réseau G de la structure d'interférence s'effectue au moyen des triangles AOB et COD. Les distances AO,BO,CO et DO sont les coordonnées en X ou en Y des points d'intersection des maxima voisins 51,51' avec les axes de coordonnées. Ces coordonnées permettentde déterminer les hauteurs H1 et H2 des triangles dont la somme donne la constante de réseau G cherchée. On connait par exemple la ligne CCD L1l10 du VEB WF BERLIN qui sur une distance de 3,6 mm dispose de 256 éléments photo-électriquement.actifs intégrés. La structure d'interférence peut être analysée avec certitude si l'on explore une période du réseau de 5 éléments de la ligne CCD. On obtient alors, comme quantité analysable plus faible: G=0,056 mm, ce qui correspond, pour≥ 633 mm, à un écart angulaire de 20' par rapport à la normale. L'avan- tage essentiel de cette disposition consiste-, d'une part, en ce qu'en mesurant la position angulaire de la surface de mesure, on peut avoir, pour une même erreur de mesure, des domaines de mesure beaucoup plus vastes et en ce que, d'autre part, la position de la surface de mesure est déterminée directement au point de mesure c'est-à-dire dans le diaphragme, ce qui permet d'effectuer des mesures sans erreur même dans le cas d'objets présen- tant localement des courbures très variables. Il est évident qu'au lieu des deux lignes CCD 30 et 40, on peut également utiliser un dispositif en forme de matrice constitué par des éléments d'exploration photoélectriques intégrés et montés directement dans le faisceau 33 après le premier diviseur de rayon. REVENDICATIONS 1. Interféromètre, notamment pour l'explora- tion par incrément de structures variables d'interférence, constitué par une source de rayonnement mono-chromatique, par un séparateur d'interféromètre, par un diviseur de rayons, par des éléments réfléchissants, polarisants et à double réfraction, par des éléments d'exploration photo- électriques disposés d'une manière discrète et par des éléments d'exploration photo-électriques intégrés disposés sous forme de lignes ou de matrice, caractérisé en ce qu'entre le séparateur d'interféromètre (1) et le diviseur de rayon (2) il comnorte un diaphragme (3), en ce que le faisceau (13) traversant le diaphragme (3) est, dans le diviseur (2) de rayon subdivisé en faisceaux partiels (14, ), en ce que l'installation comporte, sur chacun des trajets (14,15), un récepteur photo-électrique discret (18, 19), en ce qu'entre le séparateur d'interféromètre (1) et le diviseur de rayon (2) l'installation comprend un premier diviseur de rayon (3) suivi d'un deuxième diviseur de rayon (34), ence que,dans le deuxième diviseur de rayon (34), le faisceau (33) est subdivisé en faisceaux partiels (35,36), en ce que l'installation comporte, sur chacun des trajets de rayons f35,36), un dispositif constitué par des éléments d'exploration photo-électriques intégrés disposés en lignes, les deux lignes étant perpendiculaires l'une à l'autre et le point d'intersection des deux lignes se trouvant au centre du diaphragme (3). 2. Interféromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'une des deux sorties du premier diviseur de rayon (30) et, par conséquent, sur le chemin du faisceau (33) l'installation comprend un dispositif en forme de matrice constitué par des éléments d'exploration photo-électriques intégrés.