Brevet FR2624623A1 — publié le 19890616

1. La présente invention concerne les dispositis d'en- registrement d'un réseau diffractant, et plus particulièrement, les dispositifs d'enregistrement d'un réseau diffractant radial. L'invention peut être utilisée en métrologie et dans des systèmes de mesures précises des déplacements angulaires. Il existe un dispositif d'enregistrement d'un réseau diffractant radial qui comporte un outil de coupe à diamant et un disque de verre à revêtement métallisé pour y porter le réseau diffractant radial, pouvant tourner autour de son axe à l'aide d'une machine de division du cercle ou traceur (L.P. Presnoukhin, "Convertisseurs d'information photo- électriques", 1974, Mashinostroenie, (Moscou), pages 319 à 320). Dans ce dispositif, les réseaux diffractants radiaux sont obtenus par la taille, à l'aide de l'outil de coupe à diamant, de traits radiaux sur le revêtement métal- lisé du disque. Ce dispositif fonctionne de la façon suivante. Le disque tourne successivement d'un angle donné à l'aide de la machine de division du cercle et, après chaque déplacement, le trait est taillé par enlèvement de la couche de revêtement métallisé à l'aide de l'outil de coupe à diamant. Ce dispositif ne permet pas d'obtenir une haute den- sité de traits. Ceci est do à l'usure de l'outil de coupe lors de l'enregistrement du réseau, l'outil se déplaçant sur une grande distaoce à la surface du disque, ce qui limite le nombre de traits et leur longueur. Outre cela, ladite usure influe également surla variation de la forme et de la dis- position des traits ayant lieu du début à la fin de la taille, tout en imposant des prescriptions sévères quant à la résistance, aux vibrations et à la stabilité thermique du dispositif. Le dispositif ne permet pas d'obtenir une grande vitesse de taille des traits (dureé de taille! dizaines d'heures) parce que chaque trait est réalisé séparément. Il existe un dispositif d'enregistrement d'un réseau diffractant radial qui comporte, placés l'un après l'autre, un système d'éclairage et un disque avec une couche photosensible à sa surface, pour y enregistrer un réseau diffractant radial et pouvant tourner autour de son axe (Applied Optics, v. 20, No. 23, 1981,1er Décembre, US, D.F. Horne "Optical Scales, reticles, gratings, masks and Standards", pages 4000 à 4008, 4003 à 4006). Dans ce dispositif, le système d'éclairage contient une source de lumière sous la forme d'une lampe à mercure et, suivant la marche du faisceau lumineux, des miroirs de déflexion, un système collimateur et un masque réalisé sous la forme d'un écran plan non transparent au faisceau lumineux avec cinq fentes radiales transparentes disposées avec un pas angulaire déterminé par rapport à l'axe du disque. Ce dispositif fonctionne de la façon suivante. Le faisceau lumineux émis par la source de lumière passe par le masque et crée des images des traits dans la zone de la couche photosensible du disque, qui s'y impriment. Le disque avec revêtement photosensible tourne autour de son axe à un pas égal au pas angulaire entre les traits du masque, le système d'éclairage fonctionnant sans arrêt. Le temps d'immobilisation du disque dépasse notablement celui de passage d'une position à l'autre. Durant chaque arrêt du disque, sa couche photosensible enregistre simultanément cinq traits. Un tel mode de fonctionnement du dispositif permet'de réduire l'influence des erreurs de positionnement du disque sur la précision de l'enregistrement du réseau diffractant radial sur le disque. Ce dispositif ne permet pas d'enregistrer un réseau radial à haute densité dé traits parce qu'à l'augementation de la densité du masque jusqu'à des centaines de lignes par millimètre, le contraste des images des fentes du masque sur la surface de la couche sensible du disque commence essen- tiellement à dépendre de la valeur et de la stabilité de l'espace entre le masque et le disque, ce qui entraîne de fortes modifications de l'efficacité diffractante en ouver- ture du réseau à enregistrer. Outre cela, la technologie de fabrication de masques prévoyant un enregistrement photographique à l'aide d'un coordinatographe d'une fente radiale à échelle agrandie, sa réduction photographique et l'enregistrement ultérieur à l'aide d'un traceur circulaire de cinq fentes radiales ne permet pas d'obtenir un masque à haute densité de fentes. La densité du réseau enregistré par ce dispositif est égale à la densité du masque. Comme le dispositif fonctionne en mode de rotations successives d'un pas angulaire du réseau à enregistrer et d'arrêts du disque, il faut un temps considérable pour en- registrer un réseau proportionnel au nombre total de ses traits, autrement dit, le dispositif est caractérisé par une faible vitesse d'enregistrement du réseau. Ainsi, pour enregistrer un réseau -à 8000 traits, il faut environ 9 heures. Donc le dispositif ne permet pas d'enregistrer les réseaux diffractants radiaux qu'à une faible densité et à une petite vitesse d'enregistrement. L'invention vise à créer un dispositif d'enregis- trement d'un réseau diffractant radial, dont la réalisation du système d'éclairage permettrait d'enregistrer un réseau à haute densité et à grande vitesse. - Le problème posé est résolu du fait que, dans un dispositifd'enregistrement d'un réseau diffractant radial qui comporte, l'un après l'autre, un système d'éclairage et un disque portant une couche photosensible pour y enre- gistrer le réseau diffractant et pouvant tourner autour de son axe, conformément à l'invention, le système d'éclairage comporte une source de rayonnement cohérent et, dans le sens de marche du rayonnement cohérent, un interféromètre dédoubleur dont les bras sont disposés, par rapport à la surface du disque, de façon que leurs axes optiques se coupent à un point d'intersection se trouvant à la surface de la couche photosensible du disque, dans la zone du réseau diffractant radial à enregistrer, et son disposés symétri- quement par rapport au plan passant par le point d'inter- section des,axes optiques et par l'axe du disque, ces bras étant munis d'éléments optiques pour former, dans chaque bras, un faisceau divergent de rayonnement cohérent à front d'onde sphérique passant par la couche photosensible du disque, dans la zone du réseau diffractant radial à enregis- trer, dans le sens de l'axe du disque vers sa périphérie, lesdits éléments optiques étant placés symétriquement par rapport au plan indiqué. Les élèments optiques de l'interféromètre dédoubleur peuvent être réalisés sous la forme d'objectifs dont les foyers principaux sont disposés sur les axes optiques des bras de l'interféromètre à une même distance par rapport au point d'intersection de ces axes et entre ce point et l'axe du disque. Une telle réalisation constructive du dispositif revendiqué permet d'enregistrer des réseaux diffractants radiaux à haute densité de traits avec une grande vitesse d'enregistrement. L'invention ressortira de la description qui suit d'un exemple concret de son exécution, schématisé sur les dessins annexes dont: la figure 1 représente un schéma général du dispositif d'enregistrement d'un réseau diffractant radial selon l'in- vention (en perspective); la figure 2 représente le schéma de la disposition des élèments optiques de la figure 1 par rapport au disque (en perspective); la figure 3 représente un ensemble de fixation du disque de la figure 1 (vue générale avec coupe transversale partielle, agrandie); la figure 4 représente la disposition géométrique des centres S1 et S2 des fronts d'onde sphériques des faisceaux divergents de rayonnement cohérent, formés par les élèments optiques de l'interféromètre du dispositif de la figure 1, conformément à l'invention. Le dispositif d'enregistrement d'un réseau diffrac- tant radial selon l'invention comporte une base I (figure 1). La base 1 porte, placés l'un après l'autre, un système d'éclairage 2 et un disque 3 dont la surface porte une couche photosensible 4 pour y enregistrer un réseau dif- fractant radial 5. Le système d'éclairage 2 comporte, sur un support indivuduel 6, installé à son tour sur la base 1, une source de rayonnement cohérent 7,dans le cas présent, un laser, un interféromètre dédaubleur 8 placé sur le même support 6, sur le trajet A du rayonnement cohérent, et un diaphragme sous la forme d'un segment, placé après l'interféromètre 8 sur le trajet A du rayonnement cohérent, sur un support individuel 9 monté, à son tour, sur la base 1. L'interféromètre dédoubleur 8 contient, après la source 1,sur le trajet A du rayonnement cohérent, un prisme- cube Il divisant le rayonnement cohérent en deux faisceaux de rayonnement cohérent envoyés vers des bras 12 et 13 de l'interféromètre 8. Les bras 12 et 13 de l'interféromètre 8 sont dis- posés, par rapport à la surface du disque 3, de fa.çon que leurs axes optiques 14 et 15 se coupent à un point d'inter- section Q se trouvant à la surface de la couche photosensible 4 du disque 3, dans la zone du réseau diffractant radial 5 à enregistrer, et sont disposés symétriquement par rapport au plan passant par le point d'intersection des axes optiques 14 et 15 et l'axe 16 (figure 2) du disque 3. Le bras 12 (figure 1) comprend un miroir 17 placé 6 2624623 après le prisme-cube 11 sur le trajet de l'un des faisceaux résultant de la division. du rayonnement cohérent et chaque bras 12 et 13 comprend, respectivement, sur les trajets des faisceaux résultant de la division, et après le miroir 17 et le prisme-cube 11, des miroirs 18 et 19 dans les corps et 21 d'élèments optiques 22 et 23, pour former dans chaque bras 12 et 13 un faisceau divergent du rayonnement cohérent avec front d'onde sphérique passant par la couche photosensible 4 du disque 3 dans la zone du réseau 5 à enregistrer, placés symétriquement par rapport au plan ci-indiqué, et des sténopés 24 et 25. Dans la variante décrite d'exécution du dispositif, on utilise, en tant qu'élèments optiques 22 et 23 (figure 2), des objectifs à foyer court dont les foyers principaux 26 et 27 se trouvent sur les axes optiques 14 et 15 des bras 12 et 13 de l'interféromètre 8, à une même distance par rapport au point Q d'intersection de ces axes 14 et 15 et entre ce point Q et l'axe 16 du disque 3. Or, la même fonction dans le dispositif selon l'in- vention, peut être remplie par des objectifs à foyer long, des lentilles divergentes et des miroirs sphériques utilisés en tant qu'élèments optiques. Les sténopés 24 et 25 (figure 1).sont placés de façon que leurs orifices coicident avec les foyers principaux 26 et 27 des éléments optiques 22 et 23. Le diaphragme 10 est disposé au-dessus de la zone de la couche photosensible 4 du disque 3, sur laquelle doit être enregistré le réseau diffractant radial 5. Le disque 3 (figure 3) est placé sur une plate-forme 28 laquelle, à son tour, est placée sur l'arbre 29 d'un traceur circulaire 30. Dans ce cas, l'axe 16 du disque 3 coincide avec l'axe de rotation'de l'arbre 29 du traceur 30. Le traceur circulaire 30 est rigidement fixé à la base 1. Le dispositif d'enregistrement du réseau de diffrac- tion radial selon l'invention fonctionne de la façon suivante. Le faisceau du rayonnement cohérent géneré par la source de rayonnement cohérent 7 (figure 1) est divisé par le prisme-cube 11 en deux faisceaux. Ensuite, ces faisceaux sont dirigés, à l'aide des miroirs 17,_18 et 19, sur les élèments optiques 22 et 23, objectifs à court foyer, res- pectivement, qui les focalisent dans les orifices des sté- nopés 24 et 25. Ainsi, se forment deux faisceaux divergents du rayon- nement cohérent avec fronts d'onde sphériques à centres S1 et S2 (figure 4) et qui coicident avec les centres des orifices des sténopés 24 et 25 (figure 1) et, respectivement, avec les foyers principaux 26 et 27 (figure 2) des objectifs à foyer court. Dans la zone d'intersection des deux faisceaux divergents dont le centre coincide avec le point Q d'inter- section des axes optiques 14 et 15 des bras 12 et 13 de l'interféromètre 8 (figure 1), se forme un champ interféren- tiel, lequel, en projection sur la surface de la couche photosensible 4 du disque 3, forme une structure radiale périodique de franges interférentielles. Dans ce qui suit, ce champ sera appelé champ interférentiel radial. Le champ interférentiel radial impressionne la couche photosensible 4 du disque 3 dans les limites d'une zone sous la forme d'un segment d'une dimension angulairesT, limitée par le diaphragme 10. Le disque 3 réalise, à l'aide du traceur circulaire , des rotation. successives d'un pas angulaire Dû =T /, o k est un nombre entier. L'interféréromètre 8 est réglé de façon qu'à la rotation d'un tel pas angulaire, le disque 3 se déplace d'un nombre entier de pas du champ interféren- tiel, c'est-à-dire que le rapport n =i, o est le pas angulaire du champ interférentiel radil, respectivement, du réseau radial 5 à enregistrer, a une valeur numérique entière. Dans ce cas, = 2RJ/N, o Z= 3,14..., et N est le nombre total de traits du réseau 5 à enregistrer. Le temps t1 est le temps durant lequel le disque 3 réalise une rotation d'un pas angulaire; le temps t2 est le temps durant lequel le disque 3 reste immobile. Le disqu.e 3 est toujours exposé au système d'éclairage 2 (à la lumière du champ interférentiel radial) jusqu'à réaliser un tour complet de 360 , après quoi l'enregistrement du réseau dif- fractant radial 5 cesse. Ce mode de fonctionnement du dis- positif selon l'invention assure l'enregistrement d'un ré- seau radial 5 tous les 360 . Les coordonnées des centres S1 (a, b, h) et S2 (-a, b, h), comme le montre la figure 4, des fronts d'ondes sphériques des faisceaux divergents du rayonnement cohérent, par rapport au système rectangulaire cartésien de coordon- nées XYZ, dont le plan XOY coincide avec la surface de la couche photosensible 4 du disque 3, l'axe OY passant par le point Q d'intersection des axes optiques 14 et 15 {figure 1) de l'interféromètre 8, alors que l'axe OZ coincide avec l'axe 16 (figure 2) du disque 3, sont déterminées par les expressions suivantes: [c C2 ( 1 ClC a = + 1 (1) C = (1 _ ?%2 2) (2) (4) 0 et .302 16.r 2a 2) b = (1 -)r (4) o est la longueur d'onde de la source de rayonnement cohérent 7; 'o r0 est le rayon moyen du réseau 5, c'est-àdire4 la distance OQ (figure 4). Il découle, des expressions (1) à (4), que la limite pour les valeurs admissibles de la coordonnée h est: r /2 rh2r[ 1 (2 (5) h2 4 22 4.r2 4 ro Respectivement, du rapport (5) découle la limite pour r et: 4 r2. 2 O\2 "2 1(6) Ainsi, les expressions(1) et (4), compte tenu des expressions (5) et (6), permettent de déterminer les coor- données a et b pour assurer l'enregistrement du réseau dif- fractant radial 5 à un pas angulaire.ç et à un rayon ro la valeur de la coordonnée h étant choisie. Le choix de h se fait compte tenu de l'expression (5) de façon à assurer une différence assez sensible du 0 de l'angle entre chacun des axes 14 et 15 et la surface de la couche photosensible 4 du disque 3, pour réduire la part de la lumière réfléchie et, par conséquent, pour élever l'effi- cacité d'interaction du rayonnement incident avec la couche photosensible 4 du disque 3. Pour augmenter la vitesse de l'enregistrement du réseau diffractant radial 5, il est nécessaire d'utiliser un segment du champ interférentiel radial de dimension angulaire suffisamment grande. La dimension angualire du segment du champ interférentiel créé par deux raisceaux du rayonnement cohérent à fronts d'onde sphériques est liée à la précision voulue -A de la position angulaire des traits du champs radial interférentiel par l'expression suivante = 2. 3/ [ + 3b2.h2] 1,73 (a +h2s2 ( 7) o a et b sont définis par les expressions de (1) à (4). Une telle exécution constructive du dispositif reven- diqué permet d'enregistrer des réseaux diffractants radiaux è une grande densité moyenne des traitso0 (jusqu'à 1000 lignes/mm et plus, respectivement, avec un pas angulaire du réseau de 2" et moins, pour un rayon moyen du réseau r = lOOmm), tout en o réduisant le temps T de l'enregistrement du réseau de 8 à 12 fois par aug- mentation de 8 à 12 fois du pas angulaireOde rotations du disque, La vites- se V d'enregistrement des traits du réseau augmente de 300 à 500 fois et atteint 4000 à 7000 lignes/mn. Ainsi, le dispositif selon l'invention assure une élévation notable de la densité du réseau diffractant radial enregistré et de la vitesse de son enregistrement, tout en préservant sa précision. Le dispositif selon l'invention a permis d'enregis- trer un réseau diffractant radial aux paramètres suivants: N = 32 400, = 1,910- 5 rad = 4", r0 = 100 mm, 0 = 516 lignes/mm. Les caractéristiques du dispositif étaient alors las suivantes: h = 25 mm, a = 15,5 mm, b = 9,6 mm,â\t = 0;2", t = 20, ( = 30', n = 450, k = 4. Le dispositif fonction- nait au régime suivant: t1 = 4 s, t2 = I s, T = I h, V = 5400 lignes/mn. l1 R E V E N D I C A T I'0 N S 1. Dispositif d'enregistrement d'un réseau diffrac- tant radial, du type comportant, en série l'un après l'au- tre, un système d'éclairage et un disque portant à sa sur- face une couche photosensible pour y enregistrer un réseau diffractant radial et pouvant tourner autour de son axe, caractérisé en ce que le système d'éclairage (2) comporte une source de rayonnement cohérent (7) et, sur le trajet (A) du rayonnement cohérent, un interféromètre dédoubleur (8) dont les bras (12, 13) sont disposés, par rapport à la sur- face du disque (3), de façon que leur axes optiques (14, 15) se coupent en un point d'intersection (Q) se trouvant à la surface de la couche photosensible (4) du disque (3), dans la zone du réseau diffractant radial (5) à enregistrer, et sont disposés symétriquement par rapport au plan passant par le point (Q) d'intersection des axes optiques (14, 15) et par l'axe (16) du disque (3), lesdits bras possédant des éléments optiques (22, 23) po.ur former, dans chacun des bras (12, 13), un faisceau divergent du rayonnement cohérent avec un front d'onde sphérique passant par la couche photosensi- ble (4) du disque (3) dans la zone du réseau diffractant radial (5) à enregistrer à partir de l'axe (16) du disque (3) vers sa périphérie, lesdits éléments optiques étant installés symétriquement par rapport au plan indiqué. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments optiques (22, 23) des bras (12, 13) de l'interféromètre dédoubleur (8) ont la forme d'objectifs dont des foyers principaux (26, 27) se trouvent sur les axes optiques (14, 15) des ras (12,.13) de l'interféromètre (8), à une même distance ({) par rapport au point (Q) d'inter- section de. ces axes (14, 15) et entre ce point (Q) et l'axe (16) du disque (3).