Brevet FR2753276A1 — publié le 19980313

La présente invention se rapporte à un télémètre interférométrique à balayage continu en fréquence ainsi qu'à un procédé de mise en oeuvre de l'interféromètre. La télémétrie laser interférométrique met en oeuvre une source laser et un système interférométrique optique ainsi qu'un ensemble de détection et de comptabilisation des franges en vue de la mesure des distances. Dans les télémètres classiques, la source laser alimente un interféromètre optique dit de Michelson. Une partie de l'amplitude de la source laser est envoyée sur l'un et l'autre des deux bras de l'interféromètre par l'intermédiaire d'une lame séparatrice semi-transparente. La distance inconnue à mesurer est déterminée par la variation de phase de l'onde résultante sur l'ensemble de détection placé en sortie de l'interféromètre. La variation de phase peut être réalisée selon deux principes de mesure mettant en oeuvre des variables différentes. Le premier principe concerne la mesure de la modification de la différence de chemin optique. Il s'agit d'une méthode classique de mesure à l'aide d'un interféromètre optique. Elle requiert un étalonnage du zéro par une manipulation initiale. Au cours de cette manipulation, on amène le miroir mobile de l'interféromètre à une première position où la différence de chemin optique est nulle, c'est-à-dire à une position pour laquelle les trajets optiques entre les deux bras de l'interféromètre et la déviatrice sont identiques. Il s'agit de la position sans interférence qui correspond au zéro de l'instrument. Classiquement, lorsqu'on éloigne le miroir mobile de cette première position, on assiste à un défilement de raies dites franges d'interférence sur l'ensemble de détection. La distance à mesurer est proportionnelle au nombre de ces franges. Dans le facteur de proportionnalité figure également la valeur de la longueur d'onde de l'émission laser. Ainsi, la mesure de distance ne peut être effectuée qu'à la condition de connaître la longueur d'onde d'émission de la source laser utilisée, et la précision de mesure dépend de celle avec laquelle on connaît cette longueur d'onde. Or, la mesure précise de la longueur d'onde de la lumière s'avère notablement difficile et nécessite un appareil de mesure coûteux. La mise en oeuvre de ce premier principe nécessite également l'utilisation d'un moteur et d'un système d'entraînement du miroir mobile, solution particulièrement encombrante. Selon le second principe, l'objet est à distance fixe de l'interféromètre et on fait varier la longueur d'onde d'émission de la source laser utilisée. On assiste également à un défilement de franges d'interférence qui permet, après comptabilisation, de mesurer la distance avec une certaine précision. Cette mesure dépend une nouvelle fois de la connaissance de la longueur d'onde de la lumière utilisée, et sa précision de celle avec laquelle on connaît la longueur d'onde. D'autre part, pour faire varier la longueur d'onde de la lumière utilisée, une solution consiste à moduler le courant d'alimentation de la source laser. Cette solution entraîne une limitation de la plage d'accord continu du système, sous peine de voir apparaître des phénomènes de non-linéarité dans le fonctionnement de la source laser. La plage d'accord continu étant plus faible, le nombre de franges qui défilent et qui peuvent être comptabilisées est moins important, et le télémètre finalement moins précis. Une autre solution, dite à cavité externe de Littrow, comporte un réseau de diffraction que l'on fait pivoter autour d'un axe. Le réseau ne renvoie vers la diode qu'une étroite bande spectrale permettant de sélectionner la longueur d'onde d'émission de la source laser. Cette solution nécessite cependant un réglage précis et ne présente pas de sortie constante. D'autre part, le système, peu sélectif, ne permet généralement pas un fonctionnement monomode et nécessite d'intercaler un élément plus sélectif entre la source laser et le réseau, d'où un encombrement du système important. La présente invention a pour but de s'affranchir de la mesure de la longueur d'onde dans la mesure interférométrique laser de la distance et d'effectuer le balayage en longueur d'onde de façon mécanique tout en gardant le courant d'alimentation de la diode constant. A cet effet, elle se rapporte à un télémètre laser interférométrique caractérisé en ce qu'il se compose d'une source laser à balayage continu en fréquence alimentant un système interférométrique optique à deux voies, une voie comprenant un interféromètre objet pour la mesure de la distance inconnue, et l'autre voie comprenant un interféromètre de référence muni d'une distance étalon, les signaux issus de ces deux interféromètres étant exploités après détection par une unité informatique en vue de la détermination de la distance absolue indépendamment de la longueur d'onde d'émission de la source laser et de sa plage d'accord continu. Les deux principaux avantages de ce nouveau type de télémètre laser interférométrique portent sur . une précision de mesure ne dépendant que de celle de l'interféromètre de référence et de la précision du comptage des franges d'interférence . la possibilité d'utiliser une simple diode laser dans sa version commerciale la moins chère. On peut citer également au titre des avantages . l'interféromètre n'est pas sensible aux dérives lentes en longueur d'onde d'émission de la source laser obtention d'une mesure absolue de distance très précise on évite le recours à un appareil de mesure de la longueur d'onde on utilise des composants courants non spécifiques et moins encombrants on n'a pas besoin de mesurer la plage d'accord continu en longueur d'onde. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple et accompagnée des dessins qui représentent la figure 1 un schéma général montrant la constitution du télémètre laser interférométrique selon l'invention ; la figure 2 le schéma de la source laser à balayage en fréquence la figure 3 une figure géométrique illustrant le principe de fonctionnement de la cavité de la source laser ; . la figure 4 une représentation schématique du principe de balayage en fréquence . les figures 5 à 7 des vues schématiques représentant le procédé de comptage des franges. On décrira tout d'abord le télémètre interférométrique conforme à la présente invention dans sa généralité en référence à la figure 1. Celui-ci se compose d'une source laser SL dont le milieu actif est constitué par une diode laser DL du commerce. La diode laser DL est interchangeable selon la longueur d'onde à laquelle on veut travailler, par exemple 780, 1300 ou 1500 nm, et sa plage de gain actif est de l'ordre de 2 à 3 % autour de sa longueur d'onde d'émission nominale. Le montage interférométrique se poursuit par une lame séparatrice BS divisant le faisceau de sortie de la source laser SL en deux voies. Conformément à la caractéristique principale de l'invention, la première voie comprend un interféromètre objet Iobj pour la mesure de la distance inconnue Dobi, et la deuxième voie comprend un interféromètre de référence IRef muni d'une distance étalon DRef L'interféromètre de référence IRef est réalisé en un matériau à faible coefficient de dilatation thermique, par exemple du zérodur ULE. Il doit être calibré, constant, et isolé thermiquement vis-à-vis du milieu extérieur. Ces objectifs sont d'autant plus faciles à atteindre que la distance étalon DRef est petite, typiquement de l'ordre de 20 cm. Le système optique est complété par un isolateur IS permettant d'isoler la source laser SL de toute contre-réaction optique provenant des interféromètres objet Iobj et de référence 1Ref Les sorties optiques des interféromètres Iobj et IRef sont couplées chacune à un détecteur DE relié à l'entrée d'une unité informatique PC via une carte d'acquisition permettant, grâce à un programme adapté, de comptabiliser les franges d'interférence comme décrit plus en détail ci-dessous. Comme représenté sur la figure 1, la distance Dobj à déterminer se situe entre la séparatrice de 1'interféromètre objet Iobj et un rétroréflecteur RR, par exemple le coin d'un cube ou un miroir destiné à être porté par un objet situé à la distance à mesurer. Grâce au télémètre selon la présente invention, on peut effectuer une mesure absolue de la distance Dobj indépendamment de la longueur d'onde d'émission de la source laser SL et de sa plage d'accord continu. Il n'est plus nécessaire, comme c'est le cas en métrologie classique, de référencer un zéro après par exemple une coupure du faisceau ou une panne d'alimentation de la source laser. On peut ainsi mesurer la distance objet Dobj sans avoir à bouger le rétroréflecteur et retrouver le même résultat immédiatement après interruption. Ce résultat est atteint grâce à l'utilisation de l'interféromètre de référence IRef. On démontre en effet que la variation de l'onde résultante quand on fait varier la longueur d'onde d'émission de la source laser SL de X à X + AX engendre un défilement d'un nombre N de franges devant le détecteur donné par N = ~~~ = 2nD ## (1) 2x X2 où # est la phase de l'intensité au niveau du détecteur, n l'indice moyen du milieu de propagation, et D la distance à mesurer. Dans le cas du vide, n=l et la distance D à mesurer peut être exprimée en termes de fréquence c D = N (2) 2## Les distances objet Dobi et de référence DRef s'expriment alors par c Dobi = Nobi (3) 2Av c DRef = NRef (4) 2## où Nobj est le nombre de franges qui défilent devant le détecteur DE couplé à l'interféromètre objet Iobj, et NRef est le nombre de franges qui défilent devant le détecteur DE couplé à l'interféromètre de référence 1Obj En effectuant le rapport membre-à-membre des deux équations (3) et (4) ci-dessus, on trouve une relation simple indépendante de la longueur d'onde d'émission de la source laser SL entre les quatre paramètres Dobi, DRef, Nobi et NRef NObj Dobi = DRef --- (s) NRef Finalement, le programme de l'unité informatique PC détermine le rapport Nobj/NRef et connaissant DRef, on peut calculer la valeur de la distance objet Dobi. On examinera maintenant en détail la source laser SL à balayage continu en fréquence en référence aux figures 2 à 4. La configuration retenue pour la source laser SL est une configuration dite de Littmann. Cette configuration permet d'obtenir une largeur de raie très faible, et donc une grande longueur de cohérence. Grâce à cette configuration, un fonctionnement monomode peut être obtenu sur une certaine plage de longueur d'onde. La cavité externe est constituée d'un réseau de diffraction RD qui diffracte la lumière vers un miroir de réglage M. Ce dernier réfléchit la longueur d'onde X qui arrive normalement à sa surface vers le réseau RD qui va lui-même renvoyer celle-ci dans la diode laser DL. L'onde incidente arrive avec un angle a par rapport à la normale au réseau de diffraction RD. L'angle P de l'onde diffractée tombant normalement sur la surface du miroir M est donné par la relation suivante x sin a + sin ss = n - (6) a où a est le pas du réseau, par exemple 1.200 ou 2.400 traits/mn, et X est la longueur d'onde du mode sélectionné. Comme représenté sur la figure 4, la largeur de la zone de gain (courbe A) de la diode laser DL et la disposition des modes de la cavité externe (courbe B) déterminent les longueurs d'onde pouvant être amplifiées. Pour un angle P donné, la courbe de réflectivité du réseau (courbe C) est alignée avec l'un des modes de la cavité externe susceptible d'être amplifié. Durant le balayage, le mode choisi de la cavité externe doit rester centré sur le pic de réflectivité du réseau RD pour éviter les sauts de modes. Cette condition est vérifiée en effectuant simultanément un pivotement et un déplacement axial du miroir M. Le pivotement du miroir M modifie en effet la longueur d'onde X sélectionnée par le réseau RD, alors que son déplacement axial permet de conserver le mode choisi de la cavité externe. Or, on démontre facilement que la composition d'un pivotement et d'une translation est un pivotement par rapport à un axe extérieur AE. C'est pourquoi, afin d'obtenir un balayage continu en longueur d'onde sans saut de mode, la position de l'axe AE doit être choisie de telle sorte que le mouvement réalisé par le miroir M soit la composition synchrone d'un pivotement qui permet de modifier la longueur d'onde, et d'une translation qui permet la conservation du mode. Le pivotement du miroir M autour de l'axe extérieur AE est réalisé mécaniquement au moyen d'un translateur TR tel qu'un actuateur piézoélectrique. Celui-ci déplace le miroir M de façon continue selon un mouvement alterné de va-et-vient entre deux positions limites pré-établies qui déterminent la plage d'accord continu sans saut de mode de la longueur d'onde d'émission de la diode laser DL. Le balayage en longueur d'onde s'effectuant de façon mécanique, le courant d'alimentation de la diode est maintenu constant, régulé par un circuit de contrôle automatique du courant CAC. On adjoint à ce circuit un circuit de contrôle automatique de la température CAT. L'ensemble est complété par une lentille de collimation LC qui permet d'éviter les phénomènes de divergence du faisceau à la sortie de la diode laser DL. La figure 3 est une figure géométrique illustrant le principe de fonctionnement de la cavité externe sur laquelle sont représentées deux positions successives P et ss' du miroir M distantes de Ass. Durant le balayage, l'angle d'incidence a est conservé. Le pivotement du miroir M autour de son axe extérieur AE modifie continûment la longueur d'onde d'émission de la diode de X à X'. Ce pivotement permet en effet de modifier à la fois la longueur de la cavité externe de L=lo+l à L'=lo+l' et l'angle de diffraction de P à P'. On s'intéresse maintenant au comptage du nombre de franges d'interférence en référence aux figures 5 à 7. Le comptage des franges d'interférence est effectué pendant un intervalle de temps At= t2 -t1 correspondant à une variation bA de la longueur d'onde d'émission X de la source laser SL (figure 5). Pendant cet intervalle, on observe une variation des phases Obj et Ref (figures 6 et 7) des ondes résultantes sur les détecteurs DE reliés aux interféromètres objet Iobj et de référence IRéf respectivement. Ces signaux sont mémorisés puis traités par un programme consacré dans l'unité informatique PC. Le nombre de périodes des signaux ssObj et Ref correspond au nombre de franges d'interférence Nobj et NRef recherchés, d'où l'on déduit ensuite le rapport Nobj/NRef permettant d'accéder à la distance Dobj à mesurer. La précision de la mesure dépend donc du nombre de points pris par période pour déterminer le nombre de périodes des signaux ssObj et La présente invention se rapporte également à une méthode de mesure de distance au moyen du télémètre interférométrique laser selon l'invention. Cette méthode procède des différentes étapes suivantes. Le montage installé, la diode laser est alimentée pour émettre à sa longueur d'onde nominale, puis on actionne le mécanisme d'entraînement du miroir mobile de la cavité externe pour générer un balayage continu en fréquence. Le miroir est pivoté autour d'un axe extérieur, de sorte que son déplacement sur un arc de cercle est la composition d'une translation et d'un pivotement sur lui-même. Ce déplacement permet de générer un balayage continu en fréquence de la diode laser sans saut de mode du mode choisi à un mode adjacent de la cavité externe. La mesure est effectuée après une excursion de fréquence minimale. Les franges qui défilent sont comptabilisées par l'unité informatique qui convertira ces nombres de franges en distance absolue par rapport à une distance de référence donnée par l'interféromètre de référence. On dispose alors d'emblée d'une information directe et absolue concernant la distance inconnue à mesurer. REVENDICATIONS 1. Télémètre interférométrique laser comprenant une source laser et un montage interférométrique à interféromètre-objet, caractérisé en ce que la source laser (SL) est à balayage continu de la fréquence, et en ce qu'elle alimente un système interférométrique à deux voies, une voie comprenant l'interféromètre objet (1obi) pour la mesure de la distance inconnue (Dobj) et l'autre voie comprenant un interféromètre de référence (IRef) muni d'une distance étalon (DRef > . 2. Télémètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux issus des deux interféromètres objet (Iobj) et de référence (IRef) sont exploités après détection par une unité informatique (PC) en vue d'une détermination absolue de la distance (Dobj) à mesurer. 3. Télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu actif de la source laser (SL) est constitué d'une diode laser (DL) à cavité externe. 4. Télémètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cavité externe est constituée d'un réseau de diffraction (RD) qui diffracte la lumière vers un miroir de réglage (M), ce dernier réfléchissant la longueur d'onde X qui arrive perpendiculairement à sa surface vers le réseau (RD) qui va lui-même renvoyer celle-ci dans la diode laser (DL). 5. Télémètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le miroir de réglage (M) pivote autour d'un axe extérieur (AE). 6. Télémètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le déplacement du miroir (M) est réalisé au moyen d'un translateur (TR). 7. Télémètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le translateur (TR) est un actuateur piézoélectrique. 8. Télémètre selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde nominale de la diode laser (DL) est égale à 780, 1.300 ou 1.500 nm. 9. Télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'interféromètre de référence (IR) est réalisé en un matériau à faible coefficient de dilatation thermique, et en ce que sa longueur n'excède pas 20 cm. 10. Procédé de mesure d'une distance à l'aide d'un télémètre interférométrique laser comprenant un interféromètre objet et un interféromètre de référence, caractérisé en ce que l'on sélectionne l'un des modes possibles de la cavité externe et en ce que l'on fait varier continûment la fréquence du faisceau incident de sorte que le mode choisi reste centré sur le pic de réflectivité du réseau, en ce que l'on détecte les signaux à la sortie des interféromètres, et en ce que l'on comptabilise les franges par rapport à une référence donnée par l'interféromètre de référence, en vue de fournir une valeur absolue de la distance à mesurer par rapport à la distance de référence fixe.