Brevet FR2764975A1 — publié le 19981224

La présente invention est relative aux procédés et dispositifs de mesure de distances par émission laser. De nombreux dispositifs interférométriques de mesure de distances sont déjà connus. Notamment, on connaît des structures à laser à cavité externe, comportant une diode d'émission laser, ainsi qu'une photodiode de détection qui est disposée par rapport à la diode d'émission laser du côté opposé à sa face d'émission. Cette photodiode reçoit un signal qui correspond à l'interférence générée par la superposition d'une part de l'onde stationnaire dans la cavité de la diode d'émission laser et d'autre part de l'onde réfléchie par une cible vers laquelle la diode d'émission laser est orientée. Un montage en ce sens a notamment été décrit dans "Laser Diode Feedback Interferometer for Measurement of Displacements without Ambiguity" - S. Donati, G. Giuliani, S. Merlo, IEEE, Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, N" 1, January 1995. Une variante d'une telle structure a également été proposée dans la demande de brevet EP 0 468 302 où il est décrit un dispositif de mesure de distance dans lequel des figures d'interférences sont générées à la surface d'une bille transparente, par la superposition d'une part d'une onde stationnaire qui s'établit dans la bille lors de la traversée de celle-ci par les faisceaux émis par une diode laser et d'autre part, par des faisceaux réfléchis par un réflecteur que l'on dispose sur la cible dont on veut mesurer la distance par rapport à la diode laser. Toutefois, de tels dispositifs interférométriques à cavité externe ne sont utilisés que pour suivre des déplacements : ils comportent des moyens pour le comptage des franges d'interférences ainsi générées, de façon à pouvoir suivre l'avancement ou le recul du point cible en direction duquel la diode laser est orientée. Un but de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif pour la mesure de distances absolues. L'invention propose à cet effet un procédé de mesure de distance selon lequel on aligne un ensemble constitué par une diode d'émission laser et une photodiode, disposée du côté opposé à la face par laquelle la diode d'émission laser émet, avec un point cible dont on veut déterminer la distance à la diode d'émission laser, caractérisé en ce qu'on détermine au moins une valeur fréquentielle caractéristique d'au moins l'une des raies du signal électrique en sortie de la photodiode et qu'on traite cette valeur pour déterminer la distance recherchée. Ledit point cible devra préférentiellement comporter un rétroréflecteur afin de mieux coopérer à la mesure. Notamment et avantageusement, on détermine la fréquence centrale fi de la ième raie et on calcule la distance Z recherchée à partir de la relation Z = ic/2nfi, où c est la vitesse de la lumière dans le vide, n l'indice du milieu entre la diode d'émission laser et le point cible avec lequel la diode d'émission laser et la photodiode sont alignées. Préférentiellement, on fait varier le courant d'alimentation de la diode d'émission laser et on traite les variations d'intensité ou de fréquence d'au moins l'une des raies pour affiner la mesure de distance. L'invention concerne également un dispositif qui comporte des moyens de traitement pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention trouve notamment et avantageusement une application pour la mesure fine de longueurs de structures de télescopes ou d'interféromètres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustratrice et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation possible pour l'invention ; la figure 2 est un graphe sur lequel on a porté un exemple de spectre obtenu avec le dispositif de la figure 1. Le dispositif opto-électronique illustré sur la figure 1 comporte une diode d'émission laser 1 et une photodiode 2, toutes deux disposées dans un même boîtier 3. Plus particulièrement, la diode d'émission laser 1 est sensiblement disposée de façon centrale dans le boîtier 3, tandis que la photodiode 2 est disposée sur le fond du boîtier 3, du côté opposé à la face par laquelle la diode d'émission laser 1 émet principalement. Le boîtier 3 présente, du côté opposé à la photodiode 2, un hublot 4 à travers lequel la diode laser 1 émet. On notera que l'on trouve couramment dans le commerce de tels boîtiers 3 comportant une diode d'émission laser et une photodiode (cette dernière étant généralement prévue pour le contrôle de l'émission de la diode laser). Une optique 6 (objectif) est disposée à la sortie du hublot 4 pour transformer le faisceau divergent issu de la diode d'émission laser 1 en un faisceau parallèle. Un rétroréflecteur 7 est disposé au point cible dont la distance est à mesurer. Ce rétroréflecteur 7 est par exemple un trièdre de réflexion. L'alignement entre le boîtier 3, l'objectif 6 et le rétroréflecteur 7 est par exemple contrôlé au moyen d'une caméra de type CCD qui permet, en observant le rétroréflecteur 7 depuis une position très voisine du boîtier 3, d'orienter convenablement par le boîtier 3, la diode d'émission laser 1, en se guidant sur la tache lumineuse apparente du faisceau émis par la diode d'émission laser 1 sur le rétroréflecteur 7. La diode d'émission laser 1 est alimentée par un boîtier d'alimentation 5. La photodiode 2, alimentée par l'intermédiaire d'un T de polarisation 8, est connectée par l'intermédiaire d'un amplificateur 10 à un analyseur de spectre 9. Lorsque le boîtier 3 est correctement aligné avec le rétroréflecteur 7, la cavité laser extérieure ainsi créée oscille sur de nombreux modes longitudinaux qui sont spatialement confondus et par suite, qui se superposent sur la photodiode. Les fréquences des mélanges ainsi générés sont détectées sur l'analyseur de spectre 9 où ils apparaissent sous forme de raies de fréquence "fi" qui sont équidistantes en fréquence d'une quantité f = où c est la vitesse de la lumière dans le vide, et Z la longueur optique de la cavité comprise entre le rétroréflecteur et la face arrière de la diode d'émission laser ; c'est à dire celle qui est en regard de la photodiode. I1 est rappelé qu'une longueur optique est le produit d'une longueur géométrique par l'indice de réfraction du milieu qui l'occupe. La connaissance de la fréquence fi au centre de la ième raie donne la longueur optique absolue Z. Un calculateur 11 relié à l'analyseur 9 calcule cette longueur Z en fonction des valeurs de fréquence fi déterminée par l'analyseur 9, à partir de la relation Z = ic/2fi. Si nécessaire, le calculateur peut tenir compte de la longueur de la diode laser qui est une donnée fournie par le constructeur. Bien entendu, la résolution du dispositif dépend des capacités de l'analyseur à mettre en évidence les faibles variations de fréquences du centre d'une raie. Notamment, on détecte préférentiellement, selon les capacités en fréquence du préamplificateur et de l'analyseur de spectre, la raie dont l'ordre i est le plus élevé possible, la sensibilité de la mesure pour un Z étant donnée par d(fi)/d(Z) = - 2if2/c et augmente avec i. Egalement, après alignement sur le rétroréflecteur 7 ayant pour conséquence le changement du seuil de fonctionnement de la diode d'émission laser 1, une réduction du courant d'alimentation de la diode d'émission laser 1 permet d'affiner les différentes raies observées et d'augmenter la précision de la mesure. L'invention trouve avantageusement application pour le suivi de déformation de grandes structures par exemple de bâtiments, de télescopes ou de bancs d'expérience. Des expérimentations ont été menées avec un dispositif comportant une diode laser standard de type commercialisé par la société SHARP sous la dénomination LT 027 dont les caractéristiques sont les suivantes seuil : 44 mA, pente : 0,35 mW/mA puissance maximum : 10 mw, réponse photodiode associée : 0,3 mA/mW (émis), longueur d'onde : 780 nm, largeur de raie : longueur optique de cavité mesurée : 1,03 mm, réf lectances: Rmiroir arrière = Rmiroir avant = 0,26. Le couplage avec le réflecteur externe était assuré par un objectif 6 de grossissement x 10 et d'ouverture 0,25. L'amplificateur 10 était un amplificateur commercialisé par la Société TRONTECH avec une bande passante s'étendant de O à 2 GHz et une amplification de +32 dB. L'analyseur de spectre 9 présentait par exemple une bande passante s'étendant de O à 1,5 GHz. Le spectre obtenu est celui représenté sur la figure 2. Pour i = 1 et fl = 133 MHz (soit une longueur optique de 1,13 m), la largeur de la raie visualisée était de 30 KHz à mi-hauteur. La résolution d'un tel dispositif est de 20 pm environ (avec un traitement de signal permettant de repérer le centre de la raie à + 3 KHz.), conformément à une expérimentation qui a été effectuée en plaçant le rétroréf lecteur sur un support, à une distance de 80 mètres. En variante encore, on a également utilisé une diode commercialisée par la Société HITACHI sous la référence HL 8325G, présentant une face avant traitée antireflet de façon à permettre de meilleures précisions de mesure, avec les caractéristiques suivantes seuil après traitement : 55 mA, réf lectance : Rmiroir avant (résiduel) = 6.6 10-5 puissance : 35 mW/115 mA, réponse photodiode : 10 pA/mW (émis), longueur d'onde : 830 nm, longueur optique de cavité : 2,27 mm. Pour i = 1 et fl = 137 MHz (soit une longueur optique de 1,09 m), la largeur de la raie visualisée était de 2 KHz à mi-hauteur. Avec un traitement de signal permettant de mesurer la position du centre de la raie à + 200 Hz, la résolution d'un tel système est de + 1,6 pm. Par ailleurs, en faisant varier le courant dans la diode d'émission laser 1 de 2 mA, on déplace la fréquence fl de 300 KHz en même temps qu'on fait varier de façon périodique en fréquence l'amplitude de la raie en la faisant décroître jusqu'à 0. Cette variation de la fréquence et de l'amplitude de fl est également obtenue en déplaçant le réflecteur 7 d'environ 12 pm. Cette variation est beaucoup plus importante que celle correspondant à la sensibilité prévue, puisque pour dZ = 12 pm on a dfl = (- 2if2/c).dZ = 1,5 RHz Par conséquent, la synchronisation des modes longitudinaux, à l'origine de ces observations, permet d'atteindre une résolution d'environ 10-2 pin dans un intervalle de 12 pin. D'autres variantes de réalisation de l'invention sont bien entendu possibles. En particulier, l'analyseur de spectre peut être remplacé par un simple fréquencemètre, auquel cas le dispositif présente l'avantage d'être d'un coût réduit. Egalement, le dispositif peut être utilisé avec d'autres types de réflecteurs que des réflecteurs trièdriques, par exemple des réflecteurs plans. Il peut également être utilisé sans rétroréflecteur. Sans rétroréflecteur, ce dispositif ne peut pas mesurer des longueurs ; il ne peut que mesurer des vitesses à condition que l'objectif 6 focalise le rayonnement de la diode d'émission laser 1 et que celui-ci ne soit pas trop éloigné en regard de son état de surface. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de distance selon lequel on aligne un ensemble constitué par une diode d'émission laser (1) et une photodiode (2), disposée du côté opposé à la face par laquelle la diode d'émission laser (1) émet, avec un point cible dont on veut déterminer la distance par rapport à la diode d'émission laser (1), caractérisé en ce qu'on détermine au moins une fréquence caractéristique d'au moins l'une des raies du signal électrique en sortie de la photodiode (2) et qu'on traite cette valeur pour déterminer la distance recherchée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine la fréquence centrale "fi" de la ième raie et en ce qu'on calcule la distance Z recherchée à partir de la relation Z = ic/2nfi, où c est la vitesse de la lumière dans le vide, n l'indice du milieu entre la diode d'émission laser (1) et le point cible sur lequel un boîtier (3), dans lequel sont disposées la diode d'émission laser (1) et la photodiode (2), est aligné. 3. Procédé selon lune des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on fait varier le courant d'alimentation de la diode d'émission laser (1) et en ce qu'on traite les variations d'intensité ou de fréquence d'au moins l'une des raies pour affiner la mesure de distance. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on dispose un rétroréf lecteur (7) au point cible dont on veut mesurer la distance à la diode d'émission laser (1). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rétroréflecteur (7) est de type triédrique. 6. Dispositif de mesure de distance comportant, dans un boîtier (3), un ensemble constitué par une diode d'émission laser (1) et une photodiode (2), disposée du côté opposé à la face par laquelle la diode d'émission laser (1) émet, ledit ensemble étant destiné à être aligné avec un point cible dont on veut déterminer la distance par rapport à la diode d'émission laser (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déterminer au moins une valeur fréquentielle caractéristique d'au moins une des raies du signal électrique en sortie de la photodiode (2) et pour traiter cette valeur afin de déterminer la distance recherchée. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la diode d'émission laser (1) présente sur sa face avant un traitement antireflet. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent un analyseur de spectre (9). 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent un fréquencemètre. 10. Utilisation d'un procédé selon lune des revendications 1 à 4 ou d'un dispositif selon l'une des revendications 5 à 9 pour la mesure fine de longueurs sur des structures de télescopes ou d'interféromètres.