Brevet FR2675572A1 — publié le 19921023

La présente invention concerne un dispositif de mesure de position opto- électronique pour mesurer la position relative de deux objets selon le principe de la lumière transmise ou de la lumière incidente, dans lequel il est produit, au moyen d'un réseau de diffraction optique, déplaçable transversalement à la direction de rayonnement d'une source de rayonnement, au moins deux faisceaux partiels de même ordre avec signe différent, qui à l'aide d'éléments optiques sont amenés en interfé- rence et sont convertis en signaux électriques, par des récepteurs. Les dispositifs de mesure interférométriques dans lesquels la longueur d'ondes d'une lumière laser est utilisée comme grandeur de référence, sont connus Comme grandeur de référence matérialisée, on utilise générale- ment des réseaux de diffraction optiques avec des cons- tantes de réseau de quelques micromètres Pour obtenir lors de la mesure incrémentielle de distance des préci- sions pouvant aller jusqu'à 0,1 pm, il est nécessaire d'interpoler les constantes de réseau optiquement et/ou électroniquement Les exemples d'interpolation électroni- que sont indiqués par exemple dans: 0 Troitscher: Ueber Fragen der digitalen Wegmessung mit fotoelek- trischen Wegmessgerâten hoher Aufl 5 sung, Optik 28, H 3 ( 68/69), pages 210 à 221. Le degré d'interpolation électronique est toute- fois limité par la teneur en harmoniques des signaux à traiter Outre l'interpolation électronique, on a donc recours aussi à des procédés d'interpolation optique. Par réflexion multiple sur une échelle de réfé- rence, on obtient un facteur d'interpolation optique de 4 (nom de marque "Laser linear encoder" Canon Europa N V, London NW 10 OJF, Brent Trading Centre, North Circular Road). Ces trois systèmes de mesure de position sont tous constitués de composants optiques et électroniques discrets Ils exigent un important travail de construction et de montage En outre, des facteurs d'influence ambiants peuvent modifier l'ajustement des composants entre eux et donc conduire à des imprécisions de mesure ou rendre nécessaires des ajustements ulté- rieurs. Le DE-A-3 625 327 indique donc un dispositif de mesure de position, destiné à réduire l'encombrement et les influences de perturbation, dans lequel les faisceaux partiels diffractés sur le réseau de diffraction, de même ordre, de signe différent, sont introduits dans des guides d'ondes de lumière et sont envoyés à un coupleur pour interférence Aux trois sorties du coupleur, il est possible de détecter des signaux électriques déphasés les uns par rapport aux autres qui sont soumis à une interpo- lation électronique Des éléments d'alimentation, des guides d'ondes de lumière, des coupleurs et des détec- teurs peuvent dans ce cas être réunis sur un substrat, sous la forme d'un circuit optique intégré Un inconvé- nient est constitué par le fait que des basculements ou des gradients de température conduisent à des impréci- sions de mesure Il serait donc souhaitable de simplifier davantage la construction et d'améliorer encore la protection contre les perturbations. On connaît encore un procédé et un dispositif pour mesurer l'ampleur d'un déplacement (DE-OS 3 316 144) dans lequel il est produit, au moyen d'un réseau de diffraction servant de grandeur de référence, des fais- ceaux de lumière diffractés qui interfèrent entre eux, afin de déterminer l'ampleur du déplacement relatif entre le réseau de diffraction et le reste du système optique. Ces dispositifs sont très sensibles aux influences ambiantes et exigent une grande complexité de fabrication et de montage. Dans le DE-OS 3 928 064 il est décrit un disposi- tif de mesure de-position opto-électrique comportant un réseau de référence pour produire au moins deux faisceaux partiels diffractés qui sont amenés en interférence par superposition et détectés Dans un guide d'ondes, il est prévu un double réseau qui soit envoie au guide d'ondes les faisceaux partiels diffractés sur le réseau de référence, les superpose et les achemine vers des détec- teurs, soit produit les faisceaux partiels qui sont superposés par le réseau de référence puis envoyés aux détecteurs. Dans ce dispositif de mesure de position, les influences dues à la température entre les organes d'alimentation et les détecteurs ne jouent aucun rôle, ou un rôle réduit seulement Des changements d'angle ou de position de la source lumineuse ainsi que des bascule- ments et des rotations entre le réseau de référence et le guide d'ondes planaire ne peuvent donc être enregistrés et conduisent ainsi à des erreurs de mesure. L'invention a donc pour but de réduire la com- plexité de fabrication et de montage des dispositifs de mesure de position opto-électroniques présentant un encombrement réduit et une résolution élevée, et d'accroî- tre leur stabilité à l'égard des facteurs environnants. Suivant l'invention, ce but est atteint avec un dispositif de mesure de position opto-électronique du type précité pour mesurer la position relative de deux objets selon le principe de la lumière transmise ou de la lumière incidente, dans lequel il est produit, au moyen d'un réseau de diffraction optique, déplaçable transversa- lement à la direction de rayonnement d'une source de rayonnement, au moins deux faisceaux partiels de même ordre avec signe différent, qui à l'aide d'éléments optiques sont amenés en interférence et sont convertis en signaux électriques, par des récepteurs, caractérisé en ce que les récepteurs forment au moins une ligne de récepteur, en ce que les éléments optiques amènent les faisceaux partiels en interférence de manière qu'il se forme sur la ligne de récepteur des franges d'interfé- rence constituant une reproduction modifiée du réseau de diffraction et les signaux électriques d'au moins une ligne de récepteur dépendent de la position des franges d'interférence sur la ligne de récepteur. Une réduction du parcours optique et donc une miniaturisation de la construction s'obtient, suivant une variante avantageuse de l'invention, par le fait que les éléments optiques, constitués de trois réflecteurs, sont intégrés optiquement et sont disposés les uns par rapport aux autres sur le guide d'ondes à couches ou sur ses surfaces limites, de telle sorte que les faisceaux partiels diffractés soient amenés en interférence par réflexion multiple. Dans une autre variante avantageuse de l'inven- tion, les faisceaux partiels sont amenés en interférence au moyen d'un réflecteur et d'un miroir diviseur, tous deux sous forme optique intégrée, sur le guide d'ondes en couches Dans ce cas, l'alimentation des faisceaux partiels diffractés sur le réseau de diffraction s'ef- fectue ici au moyen d'un réseau de couplage. La ligne de récepteur peut être couplée au substrat, dans une construction hybride, lequel substrat est avantageusement dans ce cas du verre. Il est avantageux que la ligne de récepteur soit incluse dans le circuit optique intégré et que le sub- strat soit en silicium. Dans un dispositif à lumière incidente utilisant un réseau de réflexion optique, la ligne de récepteur et la source de rayonnement, par exemple une diode laser a semi-conducteur avec des éléments de formage de rayons, par exemple une lentille, peuvent être intégrées dans le circuit optique Dans ce cas on utilise avantageusement comme substrat un semi-conducteur A III-B V. Du fait de son degré d'intégration élevé, un dispositif de mesure de position opto-électronique de ce type peut être réalisé sous une forme particulièrement petite et compacte Etant donné que l'ajustement des composants les uns par rapport aux autres est fixé dans le circuit optique de préférence intégré, les perturbations dues aux facteurs ambiants sont pratique- ment exclues L'interprétation des franges d'interférence permet non seulement d'enregistrer le déplacement de la référence matérialisée, mais de tenir compte aussi de la dérive, telle que le déplacement d'un rayon laser, le changement de géométrie d'un rayon laser, des écarts de température, des basculements, des rotations, etc. Un ajustement très précis n'est pas nécessaire, car le dispositif détermine lui-même toutes les grandeurs de calcul nécessaires La totalité des pixels des franges d'interférence est analysée Une comparaison des images permet de définir des déplacements. Le dispositif de mesure de position opto- électronique suivant l'invention a pour avantage essen- tiel de permettre une interpolation optique, grâce à la disposition de la ligne de récepteur et grâce à la sélection des signaux de récepteur à analyser Pour accroître la résolution du dispositif de mesure de position il est prévu en plus une interpolation électro- nique connue. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'in- vention sont représentées, à titre d'exemples non limita- tifs, aux dessins annexés. La fig 1 représente de manière schématique un système de mesure de position simple, suivant l'inven- tion. La fig 2 représente de manière schématique un système de mesure de position suivant l'invention dans lequel la ligne de récepteur est en outre intégrée optiquement. La fig 3 représente de manière schématique un système de mesure de position suivant l'invention dans lequel la source de rayonnement et la ligne de récepteur sont intégrées optiquement. La fig 1 représente un dispositif de mesure à lumière incidente dans lequel un faisceau de rayons parallèles L, émis par une source de rayonnement non représentée, parvient sur un réseau de diffraction à réflexion GR optique avec une constante de réseau g (par exemple 8 Y m) et est diffracté, par réflexion, en deux faisceaux partiels L 1, L 2 divergents de même ordre et de signe différent, sous un angle de diffraction O Le réseau de diffraction à réflexion GR est dans ce cas fixé sur un élément de machine, par exemple un support d'une machine-outil à commande numérique, se déplaçant trans- versalement à la direction du rayonnement de la source de rayonnement Entre le réseau de réflexion GR et la source de rayonnement il est prévu, placé en même temps que celle-ci sur une partie fixe de la machine-outil, un substrat S, par exemple en verre, qui est conçu sur sa surface à la manière d'un guide d'ondes à couches W, par exemple grâce à un dopage et dont les surfaces limites sont pourvues de réflecteurs R 1, R 2 et R 3 de telle sorte que le faisceau partiel R 1 (ordre +n) est réfléchi sur les trois réflecteurs, que le faisceau partiel en L 2 (ordre -n) en revanche n'est réfléchi que sur les réflec- teurs R 2 et R 3 Les surfaces limites peuvent être avanta- geusement pourvues d'une couche de métal vaporisé sous vide, afin d'accroître le degré de réflexion Dans une forme de réalisation analogue, elles peuvent aussi être directement formées dans le guide d'ondes à couches, sous la forme de sillons ou de grilles. Après réflexion sur le réflecteur R 3, les deux faisceaux partiels interfèrent entre eux Une ligne de récepteur E, par exemple une ligne constituée de compo- sants discrets de réception (photodiodes ou transistors) ou une ligne CCD, est couplée au substrat, dans une construction hybride, de manière que dans cette ligne les franges d'interférence constituent une reproduction du réseau de diffraction GR optique servant de référence matérialisée La distribution d'intensité enregistrée par la ligne de récepteur E aux différents points de mesure, est convertie en signaux électriques correspondants qui sont envoyés à une unité d'analyse électronique non représentée o ils sont analysés de manière connue par les dispositifs de mesure de position incrémentiels Les déplacements du réseau de diffraction optique sont ainsi transformés en des déplacements de machine généralement affichés. La fig 2 représente une forme de réalisation selon le principe de la lumière transmise Le dispositif de mesure comporte comme source de rayonnement un laser non représenté Le réseau de diffraction optique est conçu sous la forme d'un réseau de transmission GT. Le guide d'ondes de lumière W, formé sur la surface du substrat S, de préférence en silicium, con- tient sous une forme optique intégrée un réflecteur F et un miroir diviseur T, basculés l'un par rapport à l'au- tre, ainsi qu'en plus la ligne de récepteur E, constituée par exemple de photodiodes discrètes Parmi les faisceaux partiels L 1, L 2 produits par diffraction sur le réseau de transmission GT, le faisceau L 1 d'ordre +n parvient par le réflecteur R sur le miroir partiel T, o une partie Li 1 est à nouveau réfléchie et une autre partie L 1 2 passe librement en direction de la ligne de récepteur Le faisceau partiel L 2 d'ordre -n, parvenant sur le miroir partiel T, traverse celui-ci librement pour une partie L 2.1 et est réfléchi pour une autre partie L 2 2 en direction de la ligne de récepteur E Par superposition des faisceaux partiels L 1 2 et L 2 2 dans la ligne de récepteur E, il se forme à cet endroit une image par interférence qui est analysée de la même manière que pour l'exemple 1 Les faisceaux partiels L 1 1 et L 2 1 interfè- rent aussi entre eux et peuvent être analysés de la même manière L'alimentation des faisceaux partiels L 1 et L 2 diffractés par le réseau de transmission GT, s'effectue par les surfaces frontales ou au moyen d'un réseau de couplage non représenté. Dans un dispositif à lumière incidente selon la fig 3, il est optiquement intégré dans le guide d'ondes à couches W avec le réflecteur L et le miroir diviseur T, en plus de la ligne de récepteur E, la source de rayon- nement Q, une diode laser avec une lentille servant d'élément de formage de rayons F Comme matériau pour le substrat on a recours à un semi-conducteur V A III-B. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de position opto- électronique pour mesurer la position relative de deux objets selon le principe de la lumière transmise ou de la lumière incidente, dans lequel il est produit, au moyen d'un réseau de diffraction optique, déplaçable transver- salement à la direction de rayonnement d'une source de rayonnement, au moins deux faisceaux partiels de même ordre avec signe différent, qui à l'aide d'éléments optiques sont amenés en interférence et sont convertis en signaux électriques, par des récepteurs, caractérisé en ce que les récepteurs forment au moins une ligne de récepteur (E), en ce que les éléments optiques (R 1, R 2, R 3 ou R, T) amènent les faisceaux partiels (Ll, L 2) en interférence de manière qu'il se forme sur la ligne de récepteur (E) des franges d'interférence constituant une reproduction modifiée du réseau de diffraction (GR ou GT) et les signaux électriques d'au moins une ligne de récepteur (E) dépendent de la position des franges d'interférence sur la ligne de récepteur (E). 2 Dispositif de mesure de position opto- électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments optiques, constitués de trois réflec- teurs (R 1, R 2, R 3), sont intégrés optiquement et sont disposés les uns par rapport aux autres sur le guide d'ondes à couches (W) ou sur ses surfaces limites, de telle sorte que les faisceaux partiels (L 1, L 2) dif- fractés sont amenés en interférence par réflexion multi- ple. 3 Dispositif de mesure de position opto- électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réflecteur (R) et le miroir diviseur (T) sont des éléments optiques intégrés et sont disposés de telle sorte que l'interférence des faisceaux partiels (L 1, L 2) se produisent dans le guide d'ondes à couches (W). 4 Dispositif de mesure de position opto- électronique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments optiques intégrés (R 1, R 2, R 3, R, T) et le guide d'ondes à couches (W) sont disposés sur un substrat (S) en verre et en ce que la source de rayon- nement (Q) ainsi que la ligne de récepteur (R) sont accouplés au substrat (S) dans une construction hybride. Dispositif de mesure de position opto- électronique selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la ligne de récepteur (E) est incluse dans le circuit optique intégré et le substrat (S) est en sili- cium. 6 Dispositif de mesure de position opto- électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement (Q) avec des éléments de formage de rayons (F) et la ligne de récepteur (E) sont inclus dans un circuit optique intégré et en ce que le substrat (S) est un semi-conducteur A III-B V.