Brevet FR2712691A1 — publié le 19950524

L'invention a pour objet un dispositif de mesure par interférométrie laser permettant de mesurer un déplacement quelconque d'un réflecteur dans un certain cône d'exploitation possible, grâce à un système de poursuite du réflecteur qui présente l'avantage de n'introduire aucune erreur dans la mesure. Le principe d'une mesure ou d'un contrôle par interférométrie, notamment avec un laser, réside dans le comptage des franges d'interférences provoquées par l'allongement du trajet d'un faisceau lumineux par rapport à un trajet fixe d'un faisceau de référence, les deux faisceaux étant issus d'une même source, divisés par un séparateur (lame ou miroir semi-réfléchissant, prisme polarisant, prisme de NICOL...) jusqu'à, pour l'un, un réflecteur fixe et pour l'autre, un réflecteur mobile, les faisceaux étant alors réfléchis vers le séparateur où ils se recombinent. Le faisceau réfléchi recombiné présente des interférences, exploitées par une cellule de mesure, lorsque le réflecteur mobile bouge. Il existe deux familles de lasers l'une dite monofréquence avec laquelle les franges d'interférence correspondent à la demi-longueur d'onde de la lumière dans l'air (environ 0,3 micromètres), l'autre bifréquence avec laquelle on exploite la variation (effet Doppler) des deux fréquences émises dans le faisceau recombine. Un appareillage de qualité est un appareillage dans lequel la répartition énergétique dans les faisceaux qui reviennent des cibles vers la cellule de mesure est équilibrée. On rappellera que les réflecteurs sont constitués par des miroirs en forme de coin de cube qui ont la propriété de renvoyer le rayon réfléchi parallèlement au rayon incident qu'ils reçoivent et symétriquement par rapport à leur sommet. Pour mesurer ou contrôler un déplacement, il faut donc connaître la direction de ce déplacement et installer l'appareil dans cette direction afin que les faisceaux émis en direction du coin de cube mobile soient toujours interceptés par lui et qu'il y ait donc toujours un retour exploitable. Une autre méthode consiste à assurer une poursuite de la cible quelle que soit sa trajectoire dans des limites données. Il est alors permis de mettre en oeuvre des structures légères et de faible coût et donc de pratiquer une métrologie d'une précision au moins égale à celle des énormes machines coûteuses et lourdes qui existent sur le marché (nécessité d'une climatisation, d'un guidage soigné, d'un matériau stabilité et de manoeuvres de masses importantes). Les moyens pour assurer une poursuite correcte du déplacement d'une cible doivent agir sur l'ensemble des faisceaux incidents et réfléchis relatifs à la cible de référence et à la cible mobile pour neutraliser l'influence des incertitudes géométriques et des jeux mécaniques du dispositif de poursuite sur la longueur du trajet des faisceaux. L'une des techniques connues consiste à placer le dispositif optique de poursuite en amont du séparateur afin d'agir sur le faisceau incident avant sa séparation et sur le faisceau réfléchi alors qu'il est recombiné. Une autre technique confondre le dispositif de poursuite et le séparateur. Ces deux techniques présentent un inconvénient car elles modifient, au cours de la poursuite, l'angle du faisceau incident par rapport à la lame semi-réfléchissante. En effet, la répartition de la quantité d'énergie entre le faisceau traversant et le faisceau dévié par cette lame est directement liée à cette incidence, que ce faisceau soit à fréquence unique ou à double fréquence. Aussi, pour toutes les incidences différentes de 450, il existe une pollution d'un faisceau par l'autre qui, au niveau de l'interprétation agit comme un bruit et nuit à la qualité des résultats. La présente invention entend éliminer cet inconvénient en proposant un dispositif dans lequel l'optique de poursuite est située au-delà de la lame séparatrice par rapport à la source tout en agissant sur la totalité des faisceaux incidents et réfléchis. A cet effet l'invention a donc pour objet un dispositif de mesure par interférométrie laser de la variation de la distance séparant deux points de l'espace mobiles l'un par rapport à l'autre et équipés chacun d'une cible réfléchissante, comportant une source d'un faisceau de lumière cohérente, une surface séparatrice disposée sur le trajet du faisceau pour le partager en deux faisceaux dont chacun est orienté en direction d'une cible, l'un traversant et l'autre dévié, et qui comporte une surface réfléchissante du faisceau dévié pour l'orienter parallèlement au faisceau traversant, un mécanisme optique de poursuite recevant en entrée d'une part les deux faisceaux parallèles pour les orienter tout en conservant leur parallélisme en direction des deux cibles de manière que chaque faisceau soit constamment maintenu pointé sur la cible correspondante, et d'autre part, les faisceaux parallèles réfléchis par les cibles, pour les diriger tout en maintenant leur parallélisme respectivement vers les surfaces séparatrice et réfléchissante. On comprend que par cette disposition on conserve inchangé l'angle d'incidence du faisceau issu de la source sur la surface séparatrice, supprimant ainsi tous les problèmes liés à la variation de la répartition des énergies entre faisceaux déviés et faisceaux traversants qui se produisait lorsque l'incidence du faisceau issu de la source sur la surface séparatrice, variait lors d'une mesure. La qualité de la séparation des faisceaux ainsi réalisée permet de ne mettre en oeuvre qu'une seule source à partir de laquelle on procède à plusieurs divisions du faisceau afin de pouvoir réaliser des mesures multiples. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description de deux exemples de réalisation donnés ciaprès à titre purement indicatif. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma illustrant un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma illustrant un second mode de réalisation de l'invention. - la figure 3 est un schéma du mode de réalisation de la figure 1 dans lequel le dispositif de poursuite est représenté plus en détail. Sur ces figures, un faisceau laser 1 est issu d'une source 2 et rencontre une surface séparatrice 3 semi-réfléchissante qui divise le faisceau 1 en deux faisceaux 4 et 5, le faisceau 4 étant dit traversant, c'est à dire non dévié, et le faisceau 5 étant dévié. Le faisceau 5 rencontre une surface réfléchissante 6 qui permet de l'orienter parallèlement à la direction du faisceau traversant 4. Ces deux faisceaux pénètrent dans un système de poursuite optique qui est représenté schématiquement en 7 et, classiquement, comporte une pluralité de miroirs mobiles les uns par rapport aux autres permettant de conserver parallèles les faisceaux 4 et 5 tout en permettant d'atteindre des cibles 8, 9 dont l'une 8 est fixe tandis que l'autre 9 est mobile bien entendu, dans des limites déterminées. Les cibles 8 et 9 sont ici représentées comme des coins de cube dans le domaine de la métrologie et de l'interférométrie laser et qui ont comme propriété de réfléchir un faisceau incident parallèlement à lui-même, et ce quelle que soit l'incidence de ce faisceau par rapport à la cible, le faisceau incident et le faisceau réfléchi étant symétriques l'un de l'autre par rapport à un axe médian passant par le sommet du coin de cube qui matérialise le point de l'espace correspondant. Le système optique du dispositif 7 de poursuite est tel que chacun des miroirs qu'il comporte reçoit non seulement les faisceaux 4 et 5 en amont, mais également les faisceaux réfléchis 4' et 5' par les cibles 8 et 9. Grâce à cette condition, les incertitudes mécaniques et géométriques de cet ensemble de miroirs du dispositif de poursuite se neutralisent et n'ont aucune influence sur la longueur des chemins lumineux. Le faisceau dévié 5 atteint quant à lui la cible mobile 9 et le faisceau réfléchi 5' par cette cible mobile atteint la surface semi-réfléchissante 3 dans une zone qui, par ailleurs, est traversée par le faisceau 4' réfléchi par la cible 8 et par le miroir 6. Ainsi, un faisceau recombiné 10 est dirigé vers une cellule de mesure qui permet d'apprécier le déplacement de la cible 9 par rapport à la cible 8 et plus exactement la projection de ce déplacement sur la direction des faisceaux 4, 4', 5 et 5'. Dans le cas de la figure 1, le faisceau 5 , 5' relatif à la cible mobile 9 encadre le faisceau 4, 4 relatif à la cible fixe 8. Pour que cela soit possible, il convient que la cible 8 soit relativement étroite et ne dépasse guère la somme de deux diamètres d'un faisceau c'est à dire 12 mm de côté soit 16 à 18 mm d'ouverture pour les faisceaux des machines actuellement sur le marché. La cible 9 pourra elle, posséder une ouverture de l'ordre d'une trentaine de millimètres. A la figure 2, la cible fixe 8' est transparente au faisceau dévié 5 simplement par troncature de son sommet. Le faisceau dévié 5 peut donc atteindre la cible mobile 9' au travers de la cible fixe 8', le rayon dévié 5, 5' étant alors encadré par le rayon traversant 4, 4' relatif à la cible fixe 8'. En outre, le dispositif de la figure 2 comporte un dernier miroir réfléchissant 11 qui permet de renvoyer le faisceau recombiné en direction d'une cellule de mesure 12 qui est associé et voisin de la source du faisceau laser 1. Ce dernier miroir peut bien entendu être installé sur le dispositif représenté à la figure 1. Les schémas illustrant les deux réalisations de l'invention font apparaître que l'incidence du faisceau 1 sur la surface semi-réfléchissante 3 reste constante pendant le fonctionnement du dispositif. Il s'ensuit que, correctement réglée à l'origine, la surface semi-réfléchissante 3 partage de manière optimale l'énergie entre les faisceaux 4 et 5. De ce fait, on élimine toute difficulté née d'une variation dans ce partage d'énergie due à la variation de l'incidence des faisceaux sur la lame réfléchissante. Dans les exemples de réalisation décrits ci-dessus, le faisceau traversant est celui destiné à la cible fixe. Ce n'est pas sortir du cadre de l'invention que de prévoir d'affecter le faisceau (5) dévié à la cible fixe et le faisceau traversant (4) à la cible mobile. A la figure 3 le système optique de poursuite du dispositif selon l'invention est représenté de manière plus détaillée que dans les schémas précédents. On retrouve sur cette figure les éléments déjà décrits en regard de la figure 1 et de la figure 2 avec les mêmes références. Le système de poursuite comporte un chariot 13 mobile parallèlement aux faisceaux 4 et 5 issus de la surface semi-réfléchissante 3 et du miroir 6 (flèches A, B) . Ce chariot 13 porte un miroir plan 14 qui reçoit tous les faisceaux 4, 5, 4', 5' grâce auquel le chemin lumineux moyen de tous ces faisceaux passe par un miroir plan 15 le long d'un trajet sensiblement perpendiculaire aux flèches A et B, ce miroir 15 étant porté par un chariot secondaire 16 mobile par rapport au chariot 13 perpendiculairement à la direction du mouvement A, B du chariot 13 (flèches C, D). Le trajet lumineux moyen des faisceaux 4, 4', 5 et 5' rencontre ensuite un dernier miroir plan 17 orientable autour de deux axes contenus son plan et perpendiculaires grâce à des moteurs d'asservissement 18, 19. Les miroirs 14, 15 et les chariots 13 et 16 permettent de placer les faisceaux lumineux dans un volume déterminé par l'amplitude de la course des chariots. Ce volume est intercepté par le miroir 17 qui autorise de placer l'axe moyen de l'ensemble des faisceaux dans l'alignement des sommets des coins de cube 8 et 9 si ceux-ci sont contenus dans un cône déterminé dont le sommet pourrait être le sommet du coin de cube 8 s'il est fixe comme ce sera le cas dans la majeure partie des cas d'utilisation du dispositif. Le coin de cube 8 étant par exemple entre 0,5 m et 1 m du miroir 17 et le coin de cube 9 à une dizaine de mètres de la cible 8, on comprend que le volume dans lequel la cible 9 évoluera peut être important sans interruption de la poursuite. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure par interférométrie laser de la variation de la distance séparant deux points de l'espace mobiles l'une par rapport à l'autre et équipés chacun d'une cible (8, 9) réfléchissante, comportant une source (2) d'un faisceau (1) de lumière cohérente, une surface (3) séparatrice disposée sur le trajet du faisceau (1) pour le partager en deux faisceaux (4, 5) dont chacun est destiné à une cible (8, 9), l'un traversant (4) et l'autre dévié (5), caractérisé en ce qu'il comporte une surface réfléchissante (6) du faisceau dévié (5) pour l'orienter parallèlement au faisceau traversant (4), un mécanisme optique (7) de poursuite recevant en entrée d'une part les deux faisceaux parallèles (4 et 5) pour les orienter tout en conservant leur parallélisme en direction des deux cibles (8, 9) de manière que chacun des faisceaux (4, 5) soit constamment maintenu pointé sur la cible correspondante (8, 9) et d'autre part les faisceaux parallèles réfléchis (5', 4') par les cibles (8, 9) pour les diriger respectivement, tout en maintenant leur parallélisme, respectivement vers les surfaces séparatrice (3) et réfléchissante (6). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cible (8') la plus proche du mécanisme de poursuite est fixe et en ce que le faisceau incident sur et réfléchi par cette cible mobile (8') encadre le faisceau incident sur et réfléchi par l'autre cible (9'), la cible fixe (8') étant transparente au faisceau relatif à la cible mobile. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cible (8') la plus proche du mécanisme de poursuite est fixe et en ce que le faisceau incident sur et réfléchi par la cible fixe est encadré par le faisceau incident sur et réfléchi par la cible mobile (9), la cible fixe (8) étant de dimensions plus faibles que celles de la cible mobile (9) pour être comprise entre les faisceaux (5, 5') relatifs à la cible mobile (9).