Brevet FR2628198A1 — publié le 19890908

(i) RÉPUBLIQUE FRAN AISE N de publication 2 628 198 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE D N d'enregistrement national 89 01760 PARIS ( Int CI4: G 01 B 9/02. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 10 février 1989. ( Demandeur(s): Entreprise dite: VEB Carl Zeiss Jena, Entreprise de droit allemand. - DD. Priorité: DD, 7 mars 1988, n WP G 01 B/313 426 4. ( inventeur(s): Werner Krieg: Gerhard Bôhme; Ulrike Hentschel; Johannes Môbius. ) Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: (rt Titulaire(s): \7 Mandataire(s): Cabinet Madeuf. (i Dispositif de mesure de longueur interférométrique. @ Dispositif de mesure de longueur interférométrique pour des longueurs moyennes et importantes, caractérisé en ce que sur la trajectoire de retour 14; 15 du faisceau lumineux réfléchi par le réflecteur de mesure 7: 18 ou de référence 8, il est 14 prévu sur le bloc diviseur d'interférence 2, ou à proximité ', - immédiate de celui-ci, une interférence avec la pièce en coin \'.Sr 1 ou le prisme réalisant les espacements d'ordre finis, sous un - angle de coin. 1M À I (O III .....:,. 1 I'IMP.AIMFOIF NATIt)NAl P 2............,7 rulP dolas Convention - 75732 PARIS CEDEX 15 L'invention concerne un dispositif de mesure de longueur interférométrique pour des longueurs à mesurer moyennes et importantes, dispositif applicable pour le montage dans des machines de mesure et des machines-outil et pour l'emploi en appareil manuel ou d'établi pour l'utilisation en laboratoire et lors d'une inspection machine. Des dispositifs de mesure interférométriques pour longueurs moyennes et importantes connus comprennent une source lumineuse à laser, un diviseur de rayon et des réflecteurs, qui doivent garantir aussi bien le retour exact des rayons qu'également le maintien du sens et de..DTD: la planéité de l'onde. On travaille avec des interféren- ces d'égale épaisseur et avec des espacements d'ordre infiniment grand. L'inconvénient de ces dispositifs connus selon le DD-PS 156141, DD-PS 111993 et selon les "Rapports VDI 548", Edition VDI-DUsseldorf 1985, pages 24 et suivantes, consiste surtout en ce qu'une faible perturbation de la forme de l'onde du faisceau lumineux due à des imprécisions ou à une ternissure de l'optique peut déjà conduire à un aplatissement des signaux élec- triques des récepteurs et peut provoquer une défaillance de signal anticipée. La technique interférentielle de mesure de longueur connue selon l'"ABC de l'optique", Editions VEB Brockhaus, Leipzig 1961, page 532 et Raentsch "L'optique dans la technique des mesures de précision", Editions Hanser, MUnich 1949, pages 260 à 267 et 285 à 289, utilise des interférences d'épaisseur identique, avec des espacements d'ordre finaux visuellement bien apprécia- bles. Ceux-ci sont réglés selon les besoins avec des tables de réglage ou des coins. La position inclinée des surfaces de réflexion sur l'ensemble da la zone (longueur et largeur de la zone de mesure) est de ce fait modifiée en conséquence. Cette technique est certes utilisable visuellement, mais n'est toutefois pas applicable à une mesure de longueur automatique. Selon le document DD-PS 220698, on connaît un dispositif pour une mesure interférentielle de petites courses et déplacements, comprenant un prisme de Koeter connu pour hexaèdre de division d'interférence, qui est composé de deux prismes à angles droits, collés par leur face de cité d'angle droit la plus importante, ces surfaces de c8té d'angle droit étant partiellement réfléchissantes. L'angle à 60 de ces prismes est situé entre la surface d'hypothénuse et la plus petite face d'angle droit, l'angle de 60 de l'un des prismes disposé dans le trajet de rayon de mesure de retour s'écartant de de façon qu'il apparait un écartement de bandes souhaité. L'espacement d'ordre est ainsi réglé par changement de direction d'une face de réflexion. Du fait que toutefois, la surface destinée à modifier la direction du rayon est située au milieu du trajet du rayon, la position inclinée du trajet du rayon de mesure ainsi produite provoque un recouvrement du faisceau du rayon de mesure qui'est variable en fonction de chaque position du réflecteur de mesure, qui a lieu au point d'obtention du signal, donc sur l'agencement de récepteur photoélectrique. Pour de petits déplacements du réflecteur de mesure, c'est-à-dire pour de petites plages de mesure, ceci est sans effet sensible. Pour des dépla- cements moyens et importants du réflecteur de mesure, la variation de recouvrement serait si importante qu'il ne pourrait y avoir obtention d'un signal ni ainsi mesure de longueur interférométrique. C'est le but de l'invention d'éliminer les inconvénients de l'état de la technique et de créer un appareil de mesure interférométrique de haute précision susceptible d'être- fabriqué pour un coût limité. - 2628'198 L'invention a pour but de créer un dispositif de mesure de longueur interférométrique, de construction simple, ne présentant aucun élément polarisant ni écarte- ment d'ordre fini, d'un gain de signal élevé et suscepti- ble d'être utilisé pour la mesure de longueurs et de dépla- cements moyens et importants. Selon l'invention, ce problème est résolu pour un dispositif de mesure de longueur interférométrique pour mesure de longueurs moyennes et importantes, avec une source lumineuse à laser, un bloc diviseur d'inter- férences produisant un parcours du rayon pour la mesure et la référence, composé de plusieurs prismes collés, ainsi qu'avec un réflecteur de mesure et de référence placés dans le parcours du rayon de mesure et de réfé- rence et avec des récepteurs photoélectriques, caractérisé en ce que, sur la trajectoire de retour du faisceau lumi- neux réfléchi par le réflecteur de mesure ou de réfé- rence, il est prévu sur le bloc diviseur d'interférence, ou à proximité immédiate de celui-ci, une interférence avec la pièce en coin ou le prisme réalisant les espace- ments d'ordre finis, en faisant un angle de coin. Il est avantageux que le bloc diviseur d'inter- férence, sur la trajectoire du faisceau lumineux émis par la source lumineuse à laser, présente deux prismes de renvoi pourvus d'angle de Brewster, collés sur les plus grandes de leurs surfaces actives optiquement, et deux prismes de renvoi également collés sur la plus grande de leurs surfaces actives optiquement étant prévus sur les trajectoires de retour des faisceaux lumineux réfléchis par le réflecteur de mesure et par le réflecteur de référence, l'un des prismes de renvoi présentant sur le trajet du rayon de mesure ou de référence deux angles de Brewster, entre la plus grande et les deux autres surfa- ces actives optiquement, et l'autre des primes de renvoi de la trajectoire de retour possédant un angle de Brewster entre la plus grande surface et une autre surface active optiquement, et un angle s'écartant de l'angle de Brewster, entre la plus grande surface et une autre surface active optiquement de ce prisme de renvoi, et en ce que les surfaces collées sont partiellement réfléchissantes. Il est en outre avantageux que le bloc de division d'interférence soit construit à partir de quatre prismes de renvoi identiques présentant un angle de Brewster, un mince coin en verre avec un angle de coin étant placé sur l'une des petites surfaces actives optiquement du prisme concerné, sur la trajectoire de retour du trajet du rayon de mesure ou dans la trajec- toire de retour du trajet du rayon de référence. Le bloc d'interféromètre du dispositif de mesure possède ainsi un coin optique dans le parcours de retour du trajet du rayon de mesure ou dans un parcours du trajet du rayon de référence, à proximité immédiate de la face de diviseur du bloc. Ce coin produit le coin virtuel nécessaire.à la formation d'interférences d'écartement d'ordre finis, sans influencer la géométrie et la qualité intrinsèque du trajet de rayon de mesure par des dévia- tions perturbatrices. Ce dispositif est ainsi bien approprié à la mesure en particulier de longueurs moyen- nes et importantes. Le dispositif de mesure de longueur interféro- métrique est en outre d'une construction qui n'est pas compliquée, en particulier pour ce qui concerne ses éléments structurels optiques. Le faible nombre de faces optiquement actives réduit la déformation des fronts d'ondes du faisceau de rayons et est simultanément la condition nécessaire à un gain et à une qualité de signal du récepteur photoélectrique bien reproductibles. A trajets identiques dans le verre, il y a absence de réflexion dans l'appareil de mesure. 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 limita- tifs, aux dessins annexés. La figure 1 est un dispositif à bloc diviseur d'interférence avec un angle de Brewster et la figure 2 est un dispositif à bloc interféro- métrique avec un coin appliqué dessus. Le dispositif de mesure, représenté de manière fortement simplifiée, comprend une source lumineuse à laser 1, un bloc diviseur d'interférence 2 produisant un parcours de rayon de mesure et de référence, se composant de quatre prismes de renvoi 3;4;5 et 6 collés ensemble, ainsi que d'au moins un réflecteur de mesure 7 et un réflecteur de référence 8 et au moins un récepteur photoélectrique 9 et 10 placés dans le trajet de rayon de mesure et de référence. Les récepteurs 9 et 10 sont reliés à une unité d'exploitation 11 destinée au traite- ment du signal. Le bloc diviseur d'interférence 2 comprend dans le parcours 12 du faisceau lumineux cohérent émis par la source lumineuse à laser 1 des prismes de renvoi 3 et 4 pourvus d'angles de Brewster a, qui sont collés sur leur face commune 13 se trouvant être la plus grande face active optiquement. La face 13 est partiellement réflé- chissante. Les deux prismes de renvoi 5 et 6 collés sur leur face 16 se trouvant être la plus grande active optiquement et réfléchissante de manière partiellement - transparente, sont disposés dans les trajets de retour 14 et 15 des faisceaux lumineux réfléchis par les réflec- teurs de mesure et de référence 7 et 8. L'un de ces deux prismes de renvoi, le prisme de renvoi 6, présente l'angle de Brewster chaque fois entre la face la plus importante 16 et les deux autres faces actives optique- ment. L'autre, le prisme de renvoi 5 placé dans le trajet de retour 14, présente un angle de Brewster e entre la face 16 et l'une de ses plus petites faces actives optiquement. L'angle situé entre la face 16 et son autre plus petite face active optiquement s'écarte de l'angle de Brewster 4 de la valeur de l'angle de coin ô. Le bloc diviseur d'interférence 2 peut,être réalisé en s'écartant de la manière qui est représentée, un faible coin de verre, avec un angle de coin f actif optiquement, étant appliqué. dans le parcours de retour 14 du trajet de rayon de mesure, ou dans le parcours de retour 15 du trajet du rayon de référence, sur l'une des extrémités de la plus petite surface active optiquement du prisme de renvoi concerné, par exemple le prisme 5. L'angle de coin correspondant Iest également réalisable au moyen d'une rotation de faible importance, par exemple du prisme de renvoi 5, autour d'un axe perpendiculaire par rapport à la face 16 (non représen- tée). Dans le dispositif selon l'invention, les fronts d'ondes du faisceau lumineux dans le trajet du rayon de mesure ou de référence sont tournés les uns par rapport aux autres au moyen d'un coin optique, et il apparait des interférences d'épaisseur identique avec un écartement d'ordre fini, captées dans le trajet de rayon de mesure par le récepteur photoélectrique 9 et retraitées par l'unité d'exploitation 11 pour obtenir la valeur de mesure. Afin que, à la différence de ce qui se produit dans l'état de la technique, le faisceau lumineux reve- nant ne se voit attribuer dans le trajet de rayon de mesure aucun déplacement transversal important, inadmis- sible pour des déplacements importants, ce coin optique est prévu avec l'angle de coin t dans les parcours de retour du trajet de rayon de mesure et de référence, à proximité de la face 16 divisant le rayon. Le récepteur photoélectrique 10 placé dans le trajet de rayon de référence peut par exemple être utilisé pour un traitement redondant des signaux arrivant ici, décalés de 180 , pour réaliser la signalisation d'une défaillance ou bien également pour la mesure de luminosité. Le dispositif représenté à la Fig. 2, avec la source lumineuse 1 comporte un bloc diviseur d'interfé- rence 17 avec une face de diviseur 22, un réflecteur de mesure 18 et un réflecteur de référence 19. Un prisme 21 présentant un angle de coin est disposé sur le bloc diviseur d'interférence 17, dans le parcours de retour 20 du faisceau lumineux réfléchi par le réflecteur de mesure 18. A la Fig. 2, on désigne par 9 le récepteur photoélec- trique disposé dans le parcours du rayon de mesure et produisant les signaux de mesure. Pour ce bloc diviseur d'interférence 17, les faisceau lumineux sortent sous un angle différent de l'angle'de Brewster, par exemple perpendiculairement. 2628 1 98 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de longueur interféro- métrique pour des longueurs moyennes et importantes, avec une source lumineuse à laser, un bloc diviseur d'inter- férence produisant un parcours du rayon pour la mesure et la référence et composé de plusieurs prismes collés, ainsi qu'avec un réflecteur de mesure et un réflecteur de référence, placés dans le parcours du rayon de mesure et de référence, et avec des récepteurs photoélectriques, caractérisé en ce que sur la trajectoire de retour (14;15;20) du faisceau lumineux réfléchi par le réflecteur de mesure (7;18) ou de référence (8;19), il est prévu sur le bloc diviseur d'interférence (2;17), ou à proximité immédiate de celui-ci, une interférence avec la pièce en coin ou le prisme (21) réalisant les espace- ments d'ordre finis, sous un angle de coin. 2. Dispositif de mesure de longueur interféro- métrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc diviseur d'interférence (2), sur la trajectoire (12) du faisceau lumineux émis par la source lumineuse à laser (1), présente deux prismes de renvoi (3;4) pourvus d'angle de Brewster, collés sur les plus grandes de leurs surfaces (13) actives optiquement, et deux prismes de renvoi (5;6) également collés sur la plus grande de leurs surfaces (16) actives optiquement étant prévus sur les trajectoires de retour (14;15) des faisceaux lumineux réfléchis par le réflecteur de mesure et par le réflec- teur de référence (7;8), l'un (6) des prismes de renvoi (5;6) présentant sur le trajet du rayon de mesure ou de référence deux angles.de Brewster a, entre la plus grande et les deux autres surfaces actives optiquement, et l'autre (5) des primes de renvoi (5;6) de.la trajectoire de retour possédant un angle de Brewster a entre la plus grande surface (16) et une autre surface active optiquement, et un angle s'écartant de l'angle de Brewster ô, entre la plus grande surface (16) et une autre surface active optiquement de ce prisme de renvoi, et en ce que les surfaces collées sont partiellement réfléchissantes. 3. Dispositif de mesure de longueur interféro- métrique selon la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le bloc de division d'interférence (2) est construit à partir de quatre prismes de renvoi (3;4;5;6) identiques présentant un angle de Brewster A, un mince coin en verre (21) d'angle de coin étant placé sur l'une des plus petites surfaces actives optiquement du prisme concerné (par exemple 5), sur la trajectoire de retour (14) du trajet du rayon de mesure ou dans la trajectoire de retour (15) du trajet du rayon de référence. PL 1/1 Fig. 1 Fig. 2