Brevet FR2650664A1 — publié le 19910208

Dispositif de mesure de déplacement par interférométrie Ltinvention a pour objet un dispositif de mesure de déplacement d'un élément dont la position détermine le déséquilibre des bras d'un interféromètre de détection, comprenant une source de lumière monochromatique alimentant l'interféromètre et des moyens de détection du déséquilibre. Les dispositifs de mesure de ce type actuellement utilisés ont un incrément de mesure directe, égal au quart de la distance entre franges. La résolution peut être augmentée à l'aide d'interpolateurs, mais ces derniers sont source d'erreurs excessives dès qu'on cherche à mesurer des incréments par interpolation en plus de dix points . Dans les interféromètres à double passage, utilisant un laser He-Ne comme source de lumière monochromatique, la distance entre franges est de 160 nanomètres.environ, ce qui fait que l'incrément de distance directement mesurable est de-40 nanomètres. La présente invention vise à fournir un dispositif de mesure de déplacement permettant d'obtenir un incrément de mesure directe largement inférieur, pouvant atteindre 0,1 nm. Dans ce but elle propose un dispositif du type ci-dessus défini qui comprend également un interféromètre de référence alimenté par la source de lumière monochromatique, muni de moyens de comptage de franges, qui constitue l'organe de sortie, et des moyens commandés par lesdits moyens de détection du déséquilibre, agissant sur un composant du dispositif pour annuler le déséquilibre de l'interféromètre de détection, le déséquilibre des bras de llinterféromètre de détection étant supérieur à celui des bras de l'interféromètre de référence d'au moins un ordre de grandeur. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, les deux interféromètres sont à coins de cube et les moyens commandés par les moyens de détection de déséquilibre agissent sur la source de lumière monochromatique pour modifier sa longueur d'onde pour ramener à une valeur déterminée, par exemple à zéro, la sortie des moyens de détection du déséquilibre de l'interféromètre de détection. La source de lumière monochromatique peut notamment être une diode laser dont la longueur d'onde est commandée par variation du courant qui la traverse et/ou de sa température. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'interféromètre de détection est constitué par un interféromètre à réseau dont le déplacement dans le sens transversal aux raies du réseau constitue le déplacement à mesurer. La dynamique n'est alors plus limitée par la plage acceptable de variations de longueurs d'onde de la source. Après chaque parcours d'un pas du réseau, les conditions initiales peuvent être rétablies en ramenant la longueur d'onde de la source à une valeur déterminée, par exemple annulant le signal de sortie des moyens de mesure de l'interféromètre de détection. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de mesure constituant un premier mode de réalisation de l'invention, à interféromètre de détection à coin de cube - la Figure 2 est un diagramme montrant la plage de mesure autorisée par le dispositif de la Figure I ; - la Figure 3 montre ceux des constituants d'un second mode de réalisation de l'invention, à interféromètre a réseau qui diffèrent de ceux de la Figure 1. Le dispositif montré schématiquement en figure l comprend une source de rayonnement monochromatique a polarisation linéaire 10, qui sera généralement une diode laser, stabilisée en température, dont le rayonnement à un taux de polarisation supérieur à 100 : 1. Une optique 12 fournit, à partir du faisceau de sortie de la source, un faisceau collimaté qui est fractionné par un séparateur 14, constitué par exemple par un cube semi-réfléchissant, en - deux faisceaux ayant sensiblement la meme intensité. L'un des ces faisceaux est dirigé vers un interféromètre de référence 161, l'autre vers un interféromètre de détection 162. Les interféromètres représentés ont l'un et l'autre une constitution générale classique. L t interféromètre 161 comporte un séparateur d'entrée 181, constitué par un cube polarisant dont le plan de polarisation est à 45" de la direction de polarisation du faisceau qu'il reçoit. Les bras de l'interféromètre 161, présentant un déséquilibre fixe D1, comporte des coins de cube respectifs 201 et 221 de repliement des faisceaux séparés par le cube séparateur 181. Les faisceaux qui reviennent sur le séparateur 181 sont recombinés sur un coin de cube 241 qui forme les franges d'interférence sur un détecteur 261. Le détecteur 261 est avantageusement prévu de façon à fournir deux signaux de sortie, representatifs respectivement du sinus et du cosinus de la phase.On connait déjà des détecteurs de ce genre, comportant quatre capteurs alignés, permettant de mieux différencier le signal du bruit de fond. Deux des capteurs, fournissant le sinus de la phase, recouvrent le flux lumineux à travers deux analyseurs orientés à 90" l'un de l'autre. Les deux autres sont de plus précédés de lames quart d'onde et fournissent le cosinus. Les signaux amplifiés et éventuellement numérisés en 28 sont appliqués à un compteur-decompteur 30 permettant de mesurer les incréments de déplacement des franges sur le détecteur 261 avec une résolution correspondant à un quart de l'intervalle entre franges successives. Les signaux électriques fournis par le détecteur 261 sont de la forme où S0 est une valeur constante et X est la longueur d'onde de la lumière fournie par la source 10. Un interfrange correspond à une variation de (2D1/X) égale à 1. En conséquence, il y a passage d'une frange sur le détecteur 261 pour une variante dA de longueur d'onde donnée par X/X2 = 1/2D1 (2) L'interféromètre de détection 162 a la même constitution que l'interféromètre de référence 161 et les éléments correspondants des deux interféromètres sont désignés par le même numéro de référence, affectes d'un indice 2 dans l'interféromètre de détection 162. Le coin de cube 202 est porté par l'élément 32 dont le déplacement ou la déformation dans la direction du déséquilibre D2 est à mesurer. Le détecteur 262 de l'interféromètre 162 n'ayant pas à fournir d'indication sur le sens de mouvement, il suffit qu'il fournisse un signal représentatif du sinus (ou du cosinus) du déphasage.Par exemple, le signal de sortie S2 peut être de la forme = = S'0 sin ((2i/X) (2D2)] (3) Si, à partir de la position donnant le signal S2 (formule 3), le cube 202 se déplace de x, le signal électrique de sortie du détecteur 262 devient S2* S2* - S'0 sin [(2#/#) (2D2 + 2x)] (4) Pour mettre en oeuvre le dispositif selon l'invention, on utilise le signal électrique S2 pour asservir la longueur d'onde de la lumière fournie par la diode laser pour que S2 reste en permanence égal à 0. Si, dans la position initiale du coin de cube 202, la condition S2 = 0 est réalisée pour une longueur #0, la longueur X pour S2* = 0, après un déplacement x, est reliée à #0 par la relation (21/X) (2D2 + 2x) = (21/X0) (2D2) qui peut s'écrire A = #0 (D2 + x) /D2 Le passage de #0 à X provoque un déplacement des franges, dû à la variation de longueur d'onde, qui est mesuré par le détecteur 261 de l'interféromètre de référence. Tout incrément #x de x provoque un incrément ## de A relié à #0 par = = (##/#0) D2 = (D2/D1) (X/2) La résolution directe (sans interpolation) des moyens de mesure de l'interféromètre de référence 161 correspondent à un incrément égal à X/8 : le dispositif de la figure 1 permet de mesurer directement un incrément qui n'est plus k/8, mais k/8 divisé par le coefficient d'amplification, égal à D1/D2 que l'on peut choisir a volonté. Par exemple dans le cas d'une diode laser fournissant une longueur d'onde X = 0,78 zm, on peut mesurer un incrément Ax t 1 nm avec D2 = 8 mm et D1 = 780 mm. Avec la méme valeur de D1 l'incrément devient O,1 nanomètre, c'est-à-dire 1 A pour D2 ^ 0,8 mm. La longueur d'onde de la diode laser 10 peut être commandée à l'aide de la puissance fournie par un générateur de courant 34. Lorsque les déplacements à mesurer peuvent être dans un sens ou l'autre à partir d'une position de référence, le courant Id appliqué à la diode laser dans les conditions initiales est choisi tel que la longueur d'onde correspondante X0 se trouve approximativement au milieu de la partie linéaire de la caractéristique de la diode laser (figure 2). Le générateur peut être commandé par un circuit comprenant, à partir du détecteur 262, un convertisseur courant-tension 36, un amplificateur à grand gain 38 et un amplificateur différentiel 40. Le dispositif montré en figure 1 a une dynamique de mesure correspondant à la partie linéaire de la caractéristique, indiquée par la zone hachurée sur la figure 2. On peut indiquer à titre d'exemple qu'on a obtenue une dynamique de 1 1 nm à une longueur d'onde de 780 nanomètres en utilisant une diode laser Sharp LT 021, à laquelle le générateur 34 applique une puissance variant de 2 mW à 15 mW. Le dispositif montré en figure 1 n'est strictement linéaire que pour un déplacement d'une frange : en effet le coefficient de proportionnalité varie en fonction directe de la longueur d'onde X. Cette limitation est écartée dans le dispositif montré en partie sur la figure 3, qui comporte un interféromètre de détection à réseau à autocompensation. Le déphasage est causé par le déplacement x du réseau 42 en translation dans la direction perpendiculaire aux lignes du réseau, déplacement dû au mouvement ou à la déformation à mesurer. Le dispositif de la figure 3 comporte un interféromètre de référence (non représenté) qui peut avoir la même constitution que celui montré en figure 1, comprenant donc un détecteur de sortie fournissant des signaux de la forme donnée par les formules (1). L'interféromètre à réseau 42 se différencie d'un interféromètre à réseau classique en ce que les bras présentent un déséquilibre permanent et constant D2. En conséquence, les signaux de sortie S2 et S'2 du détecteur de franges d'interférence 262 ne sont pas de la forme habituelle En effet, l'amplitude du faisceau diffracté dans l'ordre -l, après double diffraction, est de la forme A~1 exp (-i 2wx/(P/2)3 où Aî est une constante alors que, dans l'ordre +1, l'amplitude est de la forme suivante, du fait que le chemin optique est plus long de 2D2 A+1 exp Ei 2.x/(p/2) + (21/X) 2D2J le montage utilisé provoque une interférence entre les faisceaux diffractés d'ordre +1 et -1. Le détecteur 262, à quatre capteurs fournissant le cosinus et le sinus de la phase (toujours de façon à éliminer le fond lumineux continu), permet d'obtenir des signaux-de la forme S2 = S'0 cos t(2w( (4x/p) + (2D2/X) )) (8) S'2 = S'0 sin (2w( (4x/p) + (2D2/X) )J Dans le cas d'un déplacement x dont l'amplitude ne dépasse pas. le pas p du réseau, on se retrouve dans la même situation que précédemment, en asservissant la longueur d'onde X de la diode laser 10 par modulation de la puissance qui lui est appliquée afin de conserver une valeur constante de S'2, par exemple S'2 s 0. On a alors 2# ((4x/p) + (2D2/X)) = No.2s avec Ng #0/2D2 et l'interféromètre de référence fournit des signaux L'interfrange correspond à une variation de 2D1/X égale à 1 et en conséquence ##/# = 1/2D1. Il y a parcours d'un interfrange pour un déplacement dx lié au pas p du réseau 42 par la relation dx/(p/4) = 2D2.(##/#) = (2D2/X2) (X/2D1) donc dx = (p/4) (D2/D1). La dynamique de mesure est limitée par la plage de variation de la longueur d'onde : si cette plage AX est limitée à t 1 nm, pour Xg = 780 nm, une dynamique égale à t p/8 conduit à adopter D2 = X2/AX = 0,6 mm. La résolution dx est indépendante de la longueur d'onde. Pour une résolution de 1 nm, il faut -D1 = 100 o D2 = 60 mm ; pour 1 A, il faudrait D1 = 600 mm. Le dispositif de la Figure 3 permet de disposer d'une dynamique de mesure beaucoup plus élevée en ramenant la longueur d'onde de la diode laser 10 * #0 w 2 N0D2 à la fin de chaque pas de mesure par variation de X, par un simple asservissement. Il suffit de compter le nombre de franges parcourant l'interféromètre de référence pendant que l'asservissement ramène la longueur d'onde à X0 pour connaître la position du réseau 42 par rapport à l'origine du pas de mesure. Dans une variante de réalisation, qui ne tient pas compte des variations de caractéristiques de la diode laser lors de son vieillissement, le retour à XQ est simplement effectué en maintenant la température de la diode à une valeur constante 6 à l'aide d'un refroidisseur 44 commandé par un circuit de régulation 46 et en ramenant la puissance fournie par -le générateur de courant 34 à une valeur initiale prédéterminée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de déplacement d'un élément dont la position influe sur le déséquilibre des bras d'un interféromètre de détection, comprenant une source de lumière monochromatique (10) alimentant l'interféromètre (162) et des moyens (262) de détection du déséquilibre, caractérisé en ce qu'il comprend également un interféromètre de référence (16l) alimenté par la source de lumière monochromatique (10), muni de moyens (26l) de comptage de franges, qui constitue l'organe de sortie, et des moyens (34) commandés par lesdits moyens de détection du déséquilibre, agissant sur un composant du dispositif pour annuler le déséquilibre de l'interféromètre de détection, le déséquilibre (D2) des bras de l'interféromètre de détection étant supérieur d'au moins un ordre de grandeur à celui de l'interféromètre de référence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux interféromètres sont à coins de cube, en ce que l'élément dont le déplacement est à mesurer est solidaire d'un des coins de cube de l'interféromètre de détection et en ce que les moyens commandés par les moyens de détection de déséquilibre agissent sur la source de lumière monochromatique pour modifier sa longueur d'onde jusqu'8 ramener à une valeur déterminée la sortie des moyens de détection du déséquilibre de l'interféromètre de détection. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interféromètre de détection est constitué par un interféromètre à réseau (42) dont le déplacement dans le sens transversal aux raies du réseau constitue le déplacement à mesurer et en ce que les moyens de détection de déséquilibre agissent sur la source de lumière monochromatique pour modifier sa longueur jusqu'à ramener à une valeur déterminée la sortie des moyens de détection du déséquilibre de l'interféromètre de détection. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens commandés sont prévus pour rétablir les conditions initiales en ramenant la longueur d'onde de la source à une valeur déterminée, par exemple annulant le signal de sortie des moyens de mesure de l'interféromètre de détection, après chaque parcours d'un pas du réseau. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière monochromatique est une diode laser dont la longueur d'onde est commandée par variation du courant qui la traverse et/ou de sa température.