Brevet FR2612628A1 — publié le 19880923

L'invention a pour objet un dispositif de mesure par interférométrie laser permettant de mesurer un déplace- ment quelconque d'un réflecteur dans un certain cône d'ex- ploitation possible, grâce à un système de poursuite du réflecteur qui présente l'avantage de n'introduire aucune erreur dans la mesure. Le principe d'une mesure ou d'un contrôle par interférométrie, notamment avec un laser, réside dans le comptage des franges d'interférences provoquées par l'allon- gement d'un trajet lumineux par rapport à un trajet de réfé- rence, les deux trajets étant issus d'une même source, divisés par un séparateur (lame ou miroir semi-réfléchissant, prisme polarisant, prisme de NICOL...) jusqu'à l'un, un réflecteur fixe, l'autre un réflecteur mobile, les fais- ceaux étant alors réfléchis vers le séparateur o il se recombinent. Le rayon réfléchi recombiné orésente les interfé- rences, comptées par une cellule, lorsaue le réflecteur mobile bouge. Chaque frange correspondant à la demi-longueur d'onde de la lumière dans l'air (environ 0,3 micromètres pour les lasers généralement utilisés dans ces applications). L'une des difficultés majeures des appareils de ce type est le retour du rayon réfléchi provenant du réflecteur mobile. On rappellera que les réflecteurs sont constitués par des miroirs concaves en forme de coin de cube qui ont la propriété de renvoyer le rayon réfléchi parallèlement au rayon incident qu'ils reçoivent et symétri- quement par rapport à leur sommet. Pour mesurer ou contrôler un déplacement il faut donc connaître la direction de ce déplacement et installer l'appareil dans cette direction afin que les faisceaux émis en direction du coin de cube mobile soit toujours intercepté par lui et qu'il y ait donc toujours un retour exploitable. Dans certaines applications particulières de contrôle d'espacement entre deux points d'une structure on monte la cible (le coin de cube mobile) sur une touche ou un support capable d'être déplacé d'un point à l'autre de la structure à contrôler. La touche étant déplacée à la main, le coin du cube est monté sur un dispositif qui le déplace par rapport à la touche dans un plan perpendicu- laire au déplacement manuel de manière à conserver le faisceau retour de la cible dans une zone o sa combinaison avec le faisceau retour du réflecteur fixe reste possible. Le dispositif de déplacement du coin de cube est asservi à une cellule qui agit pour conserver un éclairement maximum. Ce mécanisme, outre le fait qu'il est adopté à des mesures particulières, introduit une incertitude dans la mesure du fait des jeux nécessaires et mal contrôlés entre le coin de cube et la touche, dans le dispositif d'asservisse- ment. Il existe un besoin d'une cellule de base d'inter- féromètre capable d'assurer une poursuite de la cible quelle que soit sa trajectoire dans des limites données. Plusieurs cellules associées à une ou plusieurs cibles elles-mêmes portées par des touches de mesure déplaçables sans guidage précis, donc avec des structures légères et de faible coût, permettent alors de faire de la métrologie d'une précision au moins égale à celle des énormes machines climatisées qui existent sur le marché. L'invention apporte une satisfaction à ce besoin par une cellule ou un dispositif de mesure interféromètrique dans lequel le mécanisme de poursuite du déplacement du réflecteur mobile de mesure est situé sur le trajet lumineux en amont du séparateur -------- interféromètrique, c'està-dire dans une zone du dispositif o on agit sur le faisceau non encore divisé ou déjà recombiné. On supprime toute intervention sur l'une ou l'autre des fractions du faisceau dont on compare les variations de longueur et de ce fait on supprime toute possibilité d'introduire une incertitude dans la longueur de l'un ou l'autre de ces trajets, incertitude nécessairement existante lorsque l'on introduit une optique ou des miroirs mobiles sur un trajet lumineux, du fait de l'imprécision des montages mécaniques eux-mêmes. 3 2612628 Le mécanisme de poursuite comportera tout disposi- tif convenable de déviation du faisceau, par exemple des miroirs motorisés, des déviateurs acousto-optiques, une source orientable... asservis de manière que les faisceaux réfléchis de chaque réflecteur se recombinent sur le sépara- teur, au moins partiellement c'est-à-dire qu'ils soient en intersection sur ce séparateur. Cette condition est satisfaite notamment de manière simple lorsque l'on asservit au moins le faisceau réfléchi issu du réflecteur mobile pour passer en une zone déterminée qui est située au voisinage de l'image symétrique du réflecteur fixe par rapport au plan de séparation. Dans un mode de réalisation, des organes moteurs agissent directement sur la source de lumière et sur le récepteur. On peut imaginer que le récepteur a une position fixe par rapport au séparateur interféromètrique suffisamment près de lui pour être dans une zone o le faisceau se recom- bine au moins partiellement. Dans un second mode de réalisation, la source de lumière est fixe, le récepteur également, et le mécanisme de poursuite est constitué par une optique associée aux organes moteurs. Cette optique comportera au moins un miroir dont l'orientation et la position entre la source et le miroir interférométrique sont commandées par des moteurs d'entraîne- ment. Il faut noter que la zone délimitée de passage du faisceau réfléchi par le réflecteur mobile est cons- titué par une cellule opto - électrique quadrangulaire dont les signaux de sortie constituent les signaux de l'as- servissement. Le mécanisme de poursuite peut-également comporter une seconde cellule d'asservissement du ou des organes moteurs, placée sur un point déterminé du faisceau réfléchi par le réflecteur fixe. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant le mécanisme de poursuite du dispositif selon l'invention pour en expli- quer le fonctionnement. - la figure 2 montre que le mécanisme de poursuite peut être attelé à la source de lumière elle-même. - la figure 3 montre que l'on peut mettre en oeuvre plusieurs miroirs dans un mode optique de réalisation du mécanisme de poursuite. - les figures 4 et 5 illustrent schématiquement des mécanismes de cellule pour l'asservissement des organes moteurs. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on reconnaît une source laser 1 (par exemple laser Helium Néon). qui émet un faisceau 2 en direction d'un séparateur ou miroir interférométrique 3 (ici par le biais d'un miroir 4, mais ce pourrait être directement). La propriété du miroir 3 est de diviser le faisceau 2 en un faisceau réfléchi 5 et un faisceau traversant 6. Le faisceau réfléchi est quant à lui retourné, parallèlement à lui-même, en direction du miroir 3, par le moyen d'un réflecteur fixe 7 en forme de coin de cube. Le faisceau retourné 8 se combine avec le faisceau 9 de retour du fais- ceau 6, renvoyé par un réflecteur mobile 10 en forme égale- ment de coin de cube. Le faisceau recombiné 11 est renvoyé par le miroir 4 en direction d'une cellule 12 de comptage des franges d'interférence apparaissant dans ce dernier lors d'un mouvement du coin de cube 10. On comprend bien, au vu de la figure 1, qu'il ne peut y avoir de mesure possible que si le coin de cube se déplace parallèlement aux faisceaux 2 et 11 avec une légère possibilité de variation au dessus ou en dessous de cette ligne tant que le faisceau de retour 9 rencontre le faisceau 8 sur le miroir 3 (sachant que leur diamètre moyen est classiquement de l'ordre de 6 millimètres). On a placé en 10' le coin de cube 10 déplacé dans une direction non parallèle aux faisceaux 2 et 11. On voit que le faisceau 6 est réfléchi le long d'un trajet 9' qui ne vient plus se recombiner, même partiellement, avec le faisceau 8 de retour du coin de cube fixe. La mesure est alors devenue impossible. Pour pallier cet inconvénient, on a mis en place entre la source 1 (et le récepteur 12), dans le cas de la figure 1, un mécanisme de poursuite de la cible (coin de cube 10), qui est tel que, quelle que soit la position 10' de la cible 10, dans une certaine limite d'écartement par rapport à la position idéale 10, le faisceau de retour 9, 9' passe par un point fixe déterminé situé au voisinage de l'image 7' du coin de cube fixe 7 par rapport au miroir interférométrique 3 et de préférence entre ce miroir et cette image. Ce point fixe sera par exemple matérialisé par le centre d'une cellule opto- électrique 16 à quatre éléments, comme représentée schématiquement aux figures 4 et 5. Les éléments de la figure 4 sont des sortes de sondes 40 à 43 qui pénètrent dans le faisceau 9, 9', perpen- diculaires entre elles et dans un plan perpendiculaire au faisceau. Un déplacement du faisceau, par rapport à une position neutre o les sondes sont également éclairées et émettent un signal identique en sortie, rompt l'équilibre des signaux de sortie, déséquilibre qui, amplifié et identif- fié, constitue un signal de commande pour les moteurs d'asservissement du mécanisme activés dans le sens d'un retour à l'équilibre. Alors que le dispositif de la figure 4 est placé directement sur le trajet du faisceau de retour, celui de la figure 5 comporte une cellule quadrangulaire 51 qui est éclairée par une branche 9b du faisceau 9,9' détournée par un miroir semi-transparent 52. Les déséquilibres de la cellule 51 sont exploités pour, comme dans le cas précé- dent, agir sur des moteurs d'asservissement 53, 54. Ces moteurs peuvent être ceux 13, 14 schématisés sur la figure 1, solidaires d'un chariot 15 porteur du miroir 4, et permet- tant une rotation et une translation de ce dernier pour passer à sa position 4', en réponse au déplacement du coin de cube 10 en 10' Le capteur 16 peut être du type de l'un ou l'autre de ceux décrits figures 4 et 5. On peut également placer un second capteur 17 d'asservissement, de l'un ou l'autre type, sur le trajet de retour 8, 8' du faisceau 5, 5' par le réflecteur fixe 7. Les signaux de chacun de ces capteurs 16 et 17 peuvent être adressés à une unité de commande équipée d'un programme d'interprétation de ces signaux et qui gère l'asservissement en fonction de ceux-ci. Le cas de la figure 1 est volontairement réduit à un plan. Dans l'espace, il faut que le système de poursuite possède un plus grand nombre de degrés de liberté. Ainsi, les moteurs mis en oeuvre pourront être plus nombreux. Sur la figure 2, on a voulu schématiser une dispo- sitiop constructive dans laquell'e le mécanisme de poursuite est directement attelé à la source de lumière cohérente 1 et à la cellule 12, bien que cette dernière puisse être indépendante et se situer en 12' (voir figure 1). Ainsi, un chariot 20, mobile sur un guide 21, porte une tourelle 22 qui peut ---------------------------------------- tourner autour d'un axe 24 parallèle à ce guide tout en pouvant également tourner autour d'un axe 23 perpendiculaire à l'axe 24 et coulisser le long de cet axe 23. Les éléments 1 et 12 sont montés sur un tel support. La figure 3 est également un schéma dans lequel le mécanisme de poursuite comporte deux miroirs 31 et 32, le miroir 31 commandé en rotation autour de l'axe 33 par un moteur d'asservissement 34, le miroir 32 pouvant quant à lui pivoter autour d'un axe 35 par un moteur 36. On peut prévoir un mécanisme de poursuite avec des miroirs plus nombreux, commandés simplement en rotation et dont deux seraient asservis en boucle fermée sur une cellule du type 51 de la figure 5, les autres l'étant en boucle ouverte. Compte-tenu des contraintes technologiques imposées par la nature même des optiques utilisées, le dispositif de poursuite est fiable dans un cône de pente environ égale à 10 %. En d'autre terme, si la cible 10 se trouve à 10 mètres du miroir, elle peut s'écarter de I mètre de la ligne centrale idéale. Cette possibilité offre un très grand intérêt pour l'application de l'invention dans des machines à mesurer. Si, en effet, on équipe une touche mobile sur un support, de plusieurs coins de cube 10 que L'on vise avec une ou plusieurs cellules de base fixes, comme celles de la figure 1, on peut déterminer par calcul les coordonnées dans un repère fixe des points d'une pièce et en déduire facilement ses cotes et ce, d'une manière très précise. Il faut bien entendu, respecter un certain nombre de contraintes pour notamment avoir dans le système de mesure une redondance permettant d'initialiser les calculs et de vérifier ou corriger les variations de mesure dues à des phénomènes extérieurs. Un tel dispositif, d'une précision au moins égale aux machines à mesurer les plus performantes, est beaucoup moins encombrant et, en s'affranchissant de tout repère de référence solide et matérialisé, beaucoup moins difficile à fabriquer, à entretenir et à mettre en oeuvre. L'invention trouve une application intéressante dans le domaine des machines à contrôler et à mesurer. REVENDICATIONS -------------- 1. Dispositif de mesure par interférométrie laser, comportant au moins une cellule interférométrique (1,3,7,12) et un réflecteur mobile (10) par rapport à la cellule, dans lequel la cellule comporte une source de lumière cohérente (1), un séparateur (3) interférométrique, un réflecteur (7) fixe, et un récepteur (12), caractérisé en ce qu'il comprend un mécanisme de poursuite (4,13,14,15) du déplacement du réflecteur mobile (10) situé en amont du séparateur (3) inter- férométrique. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mécanisme de poursuite comporte au moins un organe moteur (13,14) d'entraînement dont le fonctionnement est asservi au passage en une zone déterminée (16), d'au moins le faisceau de lumière (9,9') en retour du réflecteur mobile (10) situé au voisinage de l'image (7') du réflecteur (7) fixe par rapport au plan (3) du séparateur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les organes moteurs (20,21,22,23) agissent directe- ment sur la source (1) de lumière. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source: (1) de lumière est fixe et en ce que le mécanisme de poursUite est constitué par une optique (4,31, 32) associée aux organes moteurs d'entraînement (13,14,34...). 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'optique susdite comporte au moins un miroir (4) dont l'orientation et la position entre la source (1) et le séparateur (3) interférométrique, sont commandés par les moteurs d'entraînement (13,14,53,54). 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'optique comprend au moins deux miroirs (31,32) distincts commandés en rotation autour de deux axes (33,35) sensiblement perpendiculaires entre eux et au faisceau lumineux. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 6, caractérisé en ce que la zone (16) déterminée de passage du faisceau réfléchi (9,9') par le réflecteur mobile (10,10') est constitué par une cellule opto-éLectrique (40 - 43, 51) dont le signal de sortie constitue le signal de commande des moteurs asservis (53,54). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes caractérisé en ce que la zone susdite est choisie entre l'image (7') du réflecteur fixe et le miroir interférométrique (3). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde cellule (17) d'asservissement desdits organes moteurs (13,14...) placée sur une zone déterminée du trajet du faisceau lumineux (8,8') réfléchi par le réflecteur fixe (7).