Brevet FR2707000A1 — publié le 19941230

i PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE D'ANGLE PAR REFLECTOMETRIE L'invention concerne un procédé et un disposi- tif de mesure d'angle par réflectométrie. On connaît par le Brevet US 4 227 807 un pro- cédé de ce type, qui consiste à monter un réflecteur en coin de cube sur un objet, tel qu'une maquette d'avion en soufflerie, dont on veut détecter et mesurer à distance les variations de position angulaire autour d'un axe. Un réseau de diffraction est disposé sur la face d'entrée du coin de cube et on utilise un générateur laser associé à une lentille de collimation pour envoyer un faisceau lu- mineux sur le coin de cube. Des moyens de modulation an- gulaire de ce faisceau à une fréquence spécifique fonc- tion de sa longueur d'onde sont prévus entre le géné- rateur laser et la lentille de collimation. L'ensemble réseau de diffraction-coin de cube permet d'obtenir plu- sieurs faisceaux réfléchis ayant une direction parallèle à celle du faisceau incident et entre lesquels une inter- férence se produit dans le réflecteur, cette interférence étant fonction de la position angulaire du réflecteur. Les flux lumineux renvoyés par le réflecteur sont captés par un photodétecteur qui produit un signal de sortie dont on mesure la phase par comparaison à celle d'un si- gnal de référence et en utilisant un système de comptage de franges. La connaissance de cette phase permet, moyen- nant un étalonnage préalable, d'obtenir la position angu- laire de l'objet autour de l'axe précité. Cette technique connue présente un certain nombre d'inconvénients dont les plus importants sont qu'elle ne permet pas une mesure absolue de la phase du flux capté, mais uniquement une mesure relative, et que de plus, les signaux fournis par le photodétecteur ne sont pas des fonctions sinusoidales pures de la position angulaire recherchée, ce qui complique fortement les me- sures de phase et les calculs. Enfin, lorsqu'on se base sur un phénomène d'interférence dans le réflecteur pour obtenir le signal appliqué au photodétecteur, la sensibi- lité de la mesure varie de façon non linéaire avec l'angle d'incidence du faisceau émis sur le réflecteur et est sensiblement nulle ou très faible pour les faibles incidences. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients. Elle a pour objet un procédé et un dispositif de mesure d'angle par réflectométrie qui permettent une mesure absolue de la phase d'un signal et donc d'un angle. Elle a également pour objet un procédé et un dispositif de mesure d'angle par réflectométrie, par me- sure de la phase d'un signal qui est une fonction sinu- soidale pure d'une position angulaire. Elle a encore pour objet un procédé et un dis- positif de ce type, qui ne sont pas basés sur un phéno- mène d'interférence entre faisceaux diffractés. Elle a encore pour objet un procédé et un dis- positif de ce type qui ne nécessitent ni l'utilisation d'un générateur laser, ni la modulation angulaire du faisceau émis. L'invention propose, à cet effet, un procédé de mesure d'angle par réflectométrie, consistant à diri- ger un faisceau collimaté lumineux incident sur un ré- flecteur en coin de cube qui comprend un réseau de dif- fraction sur sa face d'entrée et qui est mobile en rota- tion autour d'un axe parallèle aux traits du réseau, à capter des faisceaux réfléchis par le coin de cube, à déterminer leur phase et à en déduire la position angu- laire du réflecteur autour dudit axe, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une source lumineuse polychro- matique à faible largeur spectrale, telle qu'une diode électroluminescente, pour produire le faisceau incident précité, à capter au moins le faisceau réfléchi d'ordre +1 ou -1 de diffraction en un point situé dans le plan focal de la lentille de collimation du faisceau lumineux incident et à mesurer son intensité lumineuse, celle-ci étant alors une fonction sinusoidale pure de l'angle formé entre la direction du faisceau incident et la nor- male à la face d'entrée du coin de cube. La présente invention est basée, non sur une interférence de faisceaux diffractés dans un coin de cube, mais sur un effet de Moiré, qui est le nom donné au phénomène observé lorsque deux réseaux parallèles uni- formes de diffraction placés sur le trajet d'un faisceau lumineux produisent une série de franges lumineuses. Quand l'un des réseaux est déplacé en translation par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire aux traits des réseaux, la distribution d'intensité lumineuse transmise dans le système est une fonction périodique du décalage entre les réseaux, cette fonction périodique ayant une période correspondant à celle des réseaux. Ce principe permet d'utiliser une source de lumière non cohérente pour produire un faisceau lumineux dirigé sur le réflecteur en coin de cube et d'obtenir sur un photodétecteur un signal qui est une fonction sinusol- dale pure de la position angulaire du réflecteur, lorsque le photodétecteur est placé dans le plan focal de la len- tille de collimation en un point permettant de capter uniquement un faisceau réfléchi d'ordre +1 ou -1 de dif- fraction. De plus, le contraste des franges du signal détecté est alors indépendant de la taille du coin de cube. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à capter dans le plan focal de la lentille de collimation, les faisceaux réflé- chis d'ordre +1 et -1 de diffraction. On peut alors déterminer les conditions opéra- toires de telle sorte que les intensités des faisceaux d'ordre +1 et -1 de diffraction captés dans le plan focal de la lentille de collimation soient en opposition de phase. Il suffit pour cela de déterminer la hauteur du coin de cube et le pas du réseau en fonction de l'indice de réfraction du matériau du coin de cube et de la lon- gueur d'onde centrale du faisceau lumineux émis par la source. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ce procédé consiste à diriger sur le réflec- teur deux faisceaux lumineux incidents identiques formant entre eux un angle tel que les intensités captées des faisceaux réfléchis ayant le même ordre de diffraction sont en quadrature de phase. Cela permet notamment d'obtenir des signaux qui sont, à des coefficients près, du type 1 + cos À, 1 - cos À, 1 + sin et 1 - sin È. L'invention prévoit également plusieurs moyens permettant de lever l'indétermination d'un multiple de 2n sur la valeur de phase obtenue à partir de ces signaux. Pour cela, le procédé selon l'invention peut consister à diriger sur le réflecteur deux faisceaux lu- mineux incidents ayant des longueurs d'onde différentes et produits par deux sources lumineuses spectralement différentes. Le procédé peut également consister à utiliser deux coins de cube de hauteur différente pour les mesures des intensités des faisceaux réfléchis. Le procédé peut encore consister à utiliser deux réseaux de diffraction ayant des pas différents pour les mesures d'intensité des faisceaux réfléchis. L'invention permet alors d'obtenir la valeur réelle des phases des signaux réfléchis et d'en déduire des valeurs angulaires correspondantes comprises dans une gamme relativement large. Notamment, l'invention permet des mesures d'angle avec une sensibilité de l'ordre de -3 degré dans la gamme [- 10', + IO']. L'invention propose également un dispositif de mesure d'angle par réflectométrie, comprenant une source lumineuse associée à une lentille de collimation pour former un faisceau lumineux dirigé sur un réflecteur en coin de cube qui comprend un réseau de diffraction sur sa face d'entrée et qui est mobile en rotation autour d'un axe parallèle aux traits du réseau, au moins un photorécepteur pour capter un faisceau lumineux réfléchi par le coin de cube et des moyens de calcul pour détermi- ner la phase du faisceau réfléchi et en déduire la posi- tion angulaire du réflecteur autour dudit axe, caracté- risé en ce que ladite source lumineuse est du type poly- chromatique à faible largeur spectrale, telle qu'une diode électro-luminescente, et en ce qu'au moins un pho- torécepteur est disposé dans le plan focal de la lentille de collimation et agencé pour capter le faisceau réfléchi d'ordre +1 ou - 1 de diffraction, l'intensité du signal de sortie du photodétecteur étant alors une fonction si- nusoidale de l'angle formé entre la direction du faisceau lumineux incident sur le coin de cube et la normale à la face d'entrée du coin de cube. De préférence, pour une mesure absolue le dis- positif comprend au moins quatre photodétecteurs, qui sont disposés dans le plan focal de la lentille de colli- mation de façon à capter les faisceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de diffraction. De préférence, ce dispositif comprend deux sources lumineuses du type précité, émettant des fais- ceaux lumineux ayant des longueurs d'onde centrales dif- férentes. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les extrémités de douze fibres optiques sont disposées dans le plan focal de la lentille de collima- tion, en une ou en deux lignes comprenant chacune deux fibres optiques d'émission et quatre fibres optiques de réception, les distances entre les extrémités des fibres d'une même ligne étant déterminées en fonction de la longueur d'onde centrale du faisceau émis, de la distance focale de la lentille et du pas du réseau, pour recevoir les faisceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de diffraction. Le dispositif selon l'invention peut par exemple fonctionner avec une fréquence d'acquisition de l'ordre de 200 Hz ou davantage, pour fournir des valeurs d'angle à une fréquence de l'ordre de 20 Hz ou davantage. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa- raitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux des- sins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un dis- positif de mesure d'angle selon l'invention; la figure 2 est une vue très agrandie de la disposition des fibres optiques d'émission et de récep- tion dans le plan focal de la lentille de collimation du dispositif de la figure 1. On a représenté très schématiquement en figure 1 les moyens essentiels d'un dispositif selon l'invention, permettant la mesure à distance de la posi- tion angulaire d'un objet mobile en rotation autour d'un axe. Pour cela, le dispositif comprend un réflec- teur 10 en coin de cube, qui est mobile en rotation au- tour d'un axe perpendiculaire au plan du dessin ou qui est monté sur un objet mobile en rotation autour de cet axe. Un réseau de diffraction 14 est formé sur la face d'entrée 16 du coin de cube opposée au sommet 12 ou sur la face en regard d'une plaque de verre 18 s'étendant le long de cette face d'entrée 16. Les traits du réseau sont parallèles à l'axe de rotation du coin de cube. La position angulaire du coin de cube 10 au- tour de l'axe précité peut alors être déterminée par me- sure de l'angle a formé entre la normale à la face d'entrée 16 du coin de cube et l'axe optique 20 d'un émetteur comprenant une source lumineuse polychromatique 22 de largeur spectrale relativement faible, telle qu'une diode électro-luminescente, qui est associée à une len- tille de collimation 24 d'axe 20 pour produire un fais- ceau lumineux 26 de rayons parallèles dirigé sur la face d'entrée du coin de cube. Dans le plan focal 28 de la lentille 24, on dispose au moins un photorécepteur destiné à capter un faisceau lumineux réfléchi par le coin de cube 10 et d'ordre +1 ou -1 de diffraction. Plus exactement, des fibres optiques 30 sont agencées entre le plan focal 28 et des photorécepteurs 32 dont les signaux de sortie sont appliqués aux entrées d'un système 34 de traitement de données, permettant de déterminer la valeur de l'angle x à partir de la phase des signaux de sortie des photodétecteurs 32. Le système 34 de traitement de l'information peut également produire un signal de commande appliqué à des moyens 36 d'alimentation de la source lumineuse 22. Celle-ci, comme les photodétecteurs 32, est reliée au plan focal 28 par une fibre optique 38. Pour obtenir des signaux en opposition de phase, on prévoit au moins deux photorécepteurs 32 reliés chacun au plan focal 28 par une fibre optique 30, pour capter les faisceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de dif- fraction, correspondant au faisceau émis en sortie de la fibre 38, et on détermine les conditions opératoires de telle sorte que les signaux de sortie des photodétecteurs 32 soient en opposition de phase. Il faut pour cela que la relation suivante soit respectée: 2 R X = 2k + 1 n p2 o R = 2 fois la hauteur du coin de cube 10, X = longueur d'onde centrale du faisceau émis, n = indice de réfraction du coin de cube, p = pas du réseau 14, k est un nombre entier. Les positions des extrémités des fibres 30 re- cevant les faisceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de dif- fraction, de part et d'autre de l'extrémité de la fibre 38, sont données par la relation suivante: D = X F/p o: et p ont la même signification que précé- demment, F est la longueur focale de la lentille 24, D est la distance entre les extrémités de la fibre 38 et d'une fibre 30. Pour obtenir également des signaux en quadra- ture de phase, on peut raccorder la source lumineuse 22 au plan focal 28 par une deuxième fibre optique 40, les extrémités des fibres 38 et 40 dans le plan focal 28 étant séparées d'une distance donnée par la relation sui- vante: d = F n p (2 k' + 1) / 4 R o: F, n, p, R ont la même signification que pré- cédemment, k' est un nombre entier. La fibre 40 émet alors un faisceau lumineux en direction du coin de cube 10, et les faisceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de diffraction sont captés par deux pho- todétecteurs supplémentaires 32' raccordés au plan focal 28 par des fibres optiques 30'. On obtient ainsi des signaux du type (à des coefficients près) 1 + cos A, 1 + sin À, 1 - cos et 1 - sin qui sont appliqués aux entrées du système 34 de traitement de données et qui permettent de calculer la valeur de la phase modulo 2X. En faisant le rapport des différences des in- tensités de ces signaux, on obtient la valeur de l'angle x modulo 2r. En effet, si on a: Il = a (1 + cos) 12 = b (1 - cos È) 13 = c (1 + sin À) 14 = d (1 - sin À) a, b, c et d étant des constantes on en tire: COS > = m Il - n 12 sin 4 = p 13 - q 14 et donc 4 = Arctg (pI3- q I4 m 1 n 12 avec t compris entre 0 et 2z, les valeurs de m, n, p et q étant obtenues par calibration. Pour lever l'indétermination d'un multiple de 2z sur la valeur de cette phase, on utilise par exemple une deuxième source lumineuse du même type que la pre- mière, mais émettant sur une longueur d'onde centrale différente, les deux longueurs d'onde centrales étant choisies de façon à ce que le matériau du coin de cube ait des indices de réfraction suffisamment différents pour ces deux longueurs d'onde. On a alors cJ = >1 + 2kr = 21 R tg a nlp et D2= 2 + 2kr = 2t R tga n2p n1 et n2 étant les indices de réfraction du coin de cube pour les longueurs d'onde centrales des deux sources, et p étant le pas du réseau. De ces deux relations, on peut par exemple dé- duire la valeur de k, calculer les deux valeurs de tg a à partir de (1 et X2 et en faire la moyenne. Une disposition correspondante des extrémités des fibres optiques dans le plan focal 28 est représentée schématiquement à titre d'exemple en figure 2, o les ré- férences 221 et 222 désignent les deux sources lumi- neuses, qui sont reliées chacune au plan focal 28 par deux fibres optiques 381 et 401, -et 382 et 402 respecti- vement. A chaque couple d'extrémités de fibres optiques d'émission sont associées quatre extrémités de fibres op- tiques de réception, désignées respectivement par les ré- férences 301, 301', 302 et 302' respectivement, ces ex- trémités de fibres optiques étant alignées sur une ou sur deux lignes parallèles perpendiculaires à la ligne re- liant les extrémités des fibres optiques d'émission 381 et 382. En principe, les extrémités des fibres op- tiques sont placées sur une seule ligne quand elles ne sont pas trop larges. Pour éviter les problèmes de che- vauchement, on peut les placer sur deux lignes paral- lèles. A titre d'exemple, on précisera que la dis- tance entre ces deux lignes peut être de l'ordre du mil- limètre, tandis que la distance entre les extrémités des fibres d'émission 381 et 401 (ou 382 et 402) est de l'ordre de 0,3 mm. Les longueurs d'onde centrales d'émission des deux sources lumineuses 221 et 222 sont par exemple de 0,8 et 1,3 gm respectivement. Les sources lumineuses 22 sont commandées par exemple pour émettre des impulsions ayant une durée de l'ordre de 625 gs avec une fréquence de répétition de l'ordre de 800 Hz. Un tel dispositif peut mesurer, à une distance de plusieurs mètres, des valeurs d'angle a comprises entre -10 et +10 avec une précision de l'ordre de 10-3 degré. En variante, au lieu d'utiliser deux sources lumineuses émettant sur des longueurs d'onde centrales différentes, on peut utiliser deux réseaux de diffraction 14 de pas différent. Selon une autre variante, on peut utiliser deux coins de cube ayant des hauteurs différentes. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'angle par réflectomé- trie, consistant à diriger un faisceau lumineux incident collimaté (26) sur un réflecteur (10) en coin de cube qui comprend un réseau de diffraction (14) sur sa face d'entrée (16) et qui est mobile en rotation autour d'un axe parallèle aux traits du réseau, à capter les fais- ceaux lumineux réfléchis par le coin de cube (10), à dé- terminer leur phase et à en déduire la position angulaire du réflecteur autour dudit axe, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une source lumineuse polychromatique (22) à faible largeur spectrale, telle qu'une diode élec- tro-luminescente, pour produire le faisceau incident (26) précité, à capter au moins le faisceau réfléchi d'ordre +1 ou -1 de diffraction en un point situé dans le plan focal (28) de la lentille de collimation du faisceau lu- mineux incident, et à mesurer son intensité lumineuse, celle-ci étant alors une fonction sinusoidale pure de l'angle X formé entre la direction du faisceau incident et la normale à la face d'entrée (16) du coin de cube. 2. Procédé selon la revendication 1 caracté- risé en ce qu'il consiste à capter dans le plan focal (28) de la lentille de collimation (24), les faisceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de diffraction. 3. Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il consiste à déterminer les conditions opératoires de telle sorte que les intensités des fais- ceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de diffraction captés dans le plan focal (28) de la lentille de collimation sont en opposition de phase. 4. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en qu'il consiste à diriger sur le réflecteur (10) deux faisceaux lumineux incidents iden- tiques décalés d'un angle tel que les intensités captées des faisceaux réfléchis ayant le même ordre de diffrac- tion sont en quadrature de phase. 5. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à diriger sur le réflecteur (10) deux faisceaux lumineux incidents ayant des longueurs d'onde centrales différentes et pro- duits par deux sources lumineuses spectralement diffé- rentes (221, 222). 6. Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le réflecteur (10) a des indices de ré- fraction différents pour les longueurs d'onde centrales des deux sources lumineuses. 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser deux coins de cube (10) de hauteur différente pour les mesures d'intensité des faisceaux réfléchis. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser deux ré- seaux de diffraction ayant des pas différents pour les mesures d'intensité des faisceaux réfléchis. 9. Dispositif de mesure d'angle par réflectométrie, comprenant une source lumineuse (22) associée à une lentille de collimation (24) pour former un faisceau lumineux dirigé sur un réflecteur en coin de cube (10) qui comprend un réseau de diffraction (14) sur sa face d'entrée (16) et qui est mobile en rotation autour d'un axe parallèle aux traits du réseau (14), au moins un photorécepteur (32) pour capter un faisceau lumineux ré- fléchi par le coin de cube, et des moyens de calcul (34) pour déterminer la phase du signal de sortie du photodé- tecteur et en déduire la position angulaire du réflecteur (10) autour dudit axe, caractérisé en ce que la source lumineuse est du type polychromatique à faible largeur spectrale, telle qu'une diode électroluminescente, et en ce que le photorécepteur (32) précité est disposé dans le plan focal de la lentille de collimation (24) et agencé pour capter le faisceau réfléchi d'ordre +1 ou - 1 de diffraction, l'intensité de ce faisceau étant une fonction sinusoidale pure de l'angle x formé entre l'axe du faisceau incident sur le coin de cube et la normale à la face d'entrée (16) du coin de cube. 10. Dispositif selon la revendication 9, ca- ractérisé en ce que la hauteur du coin de cube (10), son indice de réfraction, la longueur d'onde centrale de la source (22) et le pas du réseau de diffraction (14) sont déterminés pour que les intensités des faisceaux captés d'ordre +1 et -1 de diffraction soient en opposition de phase. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la source lumineuse (22) est reliée par deux fibres optiques (38, 40) au plan focal (28) de la lentille de collimation (24), les extrémités de ces fibres dans le plan focal (28) étant séparées d'une dis- tance telle que les intensités captées des faisceaux ré- fléchis ayant le même ordre de diffraction sont en qua- drature de phase. 12. Dispositif selon la revendication 9 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux sources lumineuses (221, 222) du type précité, émettant sur des longueurs d'onde centrales différentes. 13. Dispositif selon la revendication 12, ca- ractérisé en ce que les extrémités de douze fibres op- tiques sont disposées dans le plan focal (28) de collima- tion en au moins une ligne ou en deux lignes comprenant chacune deux fibres optiques d'émission et quatre fibres optiques de réception, les distances entre les fibres d'une même ligne étant déterminées en fonction de la lon- gueur d'onde centrale du faisceau émis, de la distance focale de la lentille et du pas du réseau pour recevoir les faisceaux réfléchis d'ordre +1 et -1 de diffraction. 14. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la fréquence d'acquisition des signaux réfléchis est de l'ordre de 200 Hz, et la fréquence de fourniture des valeurs angulaires a est de l'ordre de 20 Hz.