Brevet FR2765964A1 — publié le 19990115

DISPOSITIF OPTIQUE DE MESURE DE DISTANCE AVEC UNE GRANDE PRECISION. L'invention concerne un dispositif optique de mesure de distance avec une très grande précision, permettant notamment de mesurer les variations de distances comprises entre quelques millimètres et quelques mètres avec une précision relative d'au moins 10-7. I1 est déjà connu de mesurer des distances ou des variations de distances au moyen d'un faisceau laser émis vers une cible, en transformant les variations de distance bL en variations de la phase 6p du signal optique associée à l'onde laser. p = 4zL > bç = 4n8L x Cette méthode présente plusieurs inconvénients Elle impose d'utiliser un faisceau laser dont la longueur d'onde présente une stabilité en fréquence meilleure que la précision relative recherchée sur la mesure des variations de distance. Lorsque cette précision est de l'ordre de 10-7, les contraintes imposées sur le fonctionnement du laser sont très délicates à respecter, notamment sur de longues durées et conduisent à sélectionner des sources laser d'une utilisation complexe et d'un coût très élevé. Elle ne donne accès à des mesures absolues de ces variations de distance que si l'utilisation du système est continue. En effet, les mesures de phase réalisées présentent une incertitude modulo 2z, ce qui impose de les réaliser au moyen d'un compteur de franges (mesure incrémentale). Si le système de mesure est arrêté pendant une certaine période et que la distance surveillée continue à évoluer, la valeur contenue dans le compteur à la remise. en route a toutes chances d'être erronée. La qualité du signal obtenu peut être dégradée par la présence de réflexions parasites, car celles-ci sont susceptibles de correspondre à des interféromètres de différences de marche aléatoires dont les variations ne sont pas corrélées à celles de l'interféromètre de mesure. Ces réflexions parasites sont en outre susceptibles de perturber le fonctionnement de la source laser en créant des phénomènes de cavités externes et donc de dégrader sa stabilité tant en intensité qu'en longueur d'onde. De telles réflexions sont en particulier générées par les extrémités d'une fibre optique que l'on interpose entre le système d'émission/réception et la cible pour faciliter l'implantation du capteur ou le déporter à grande distance. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients de la technique connue, pour l'obtention d'une précision relative très élevée, typiquement de 10-7, sur des mesures des variations de distances comprises entre quelques millimètres et quelques mètres. Elle propose, à cet effet, un dispositif caractérisé en ce qu'il comprend trois interféromètres reliés en série et traversés par un flux de lumière polychromatique, la différence de marche du premier interféromètre représentant la distance à mesurer, la différence de marche du deuxième interféromètre représentant une distance fixe de référence, et la différence de marche du troisième interféromètre étant réglable entre une valeur nulle et la différence des différences de marche des deux premiers interféromètres, et un détecteur photosensible recevant le signal de sortie du troisième interféromètre. Ce dispositif permet de mesurer les variations de distances relativement importantes, de l'ordre de quelques mètres, avec une précision relative d'au moins 10 , en utilisant un interféromètre dont la différence de marche est réglable entre une valeur nulle et une valeur de quelques millimètres, ces quelques millimètres correspondant au double de la valeur maximale admissible pour l'écart entre la distance à mesurer et la distance de référence. Du fait de la faible cohérence de la source lumineuse, l'enveloppe du signal interférométrique obtenue lors du balayage de l'interféromètre à différence de marche réglable présente deux maxima, le premier correspondant à la différence de marche nulle de ce troisième interféromètre et le second à une différence de marche égale à la différence des différences de marche de deux premiers. Pour chacun de ces maxima, la différence de marche effective associée au signal interférométrique est nulle, et en conséquence, la phase du signal enregistré ne dépend plus de la longueur d'onde : ceci permet de relâcher complètement toutes les contraintes de stabilité en longueur d'onde applicables à la source lumineuse. Par ailleurs, du fait de la faible cohérence temporelle de la source, les réflexions parasites ne génèrent pas de signaux susceptibles de perturber le fonctionnement de la source ou de se superposer aux informations utiles. Selon une autre caractéristique de l'invention, le troisième interféromètre reçoit également un flux lumineux émis par un laser stabilisé en fréquence, et dont l'interférogramme fournit une échelle de mesure de la différence de marche précitée du troisième interféromètre. En utilisant l'interférogramme du flux lumineux du laser stabilisé en fréquence, on peut donc mesurer avec une grande précision la variation de différence de marche de l'interféromètre réglable lorsqu'il passe d'une différence de marche nulle à une différence de marche égale à la différence des différences de marche de deux premiers interféromètres. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, les interféromètres utilisés sont des interféromètres de MICHELSON, comprenant des cubes séparateurs associés à des moyens de réflexion constitués par des rétroréflecteurs, et au moins les rétroréflecteurs définissant les distances précitées sont des coins de cube creux dont les différentes parties sont assemblées entre elles par adhérence moléculaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, le deuxième interféromètre à différence de marche fixe est monté sur une platine à très faible coefficient de dilatation thermique (réalisée par exemple en ZERODUR, qui est une céramique vitreuse dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à 2 . 10-8) , le deuxième interféromètre et sa platine de support étant montés dans une enceinte à vide. Pour réduire l'encombrement, le deuxième interféromètre peut comprendre un dispositif de repliement de faisceau mettant en oeuvre de manière préférentielle un deuxième coin de cube creux monté de manière decalee par rapport au premier. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le dispositif est du type multiplexable et comprend plusieurs premiers interféromètres formant plusieurs capteurs de distance, associés à des moyens de commutation commandés par des moyens de traitement de l'information. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif selon l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement les signaux de sortie du troisième interféromètre de ce dispositif - la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe des moyens de collimation utilisés dans les interféromètres du dispositif selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique des composants essentiels d'un interféromètre selon l'invention - la figure 5 représente schématiquement un mode de réalisation du deuxième interféromètre - la figure 6 est un schéma de principe d'un dispositif multiplexable selon l'invention. Le dispositif représenté en figure 1 comprend essentiellement une source lumineuse 10 à spectre large, ayant par exemple une longueur d'onde centrale de 1300 ou 1500 nm, telle qu'une diode électroluminescente, une diode superradiante ou une source à fibre dopée Erbium utilisée en régime d'émission spontanée amplifiée, reliée par une fibre optique 12 monomode au foyer d'une lentille de collimation 14 générant un faisceau de rayons parallèles éclairant un premier interféromètre 16, qui est ici un interféromètre de MICHELSON constitué d'un cube séparateur 18 associé à deux moyens 20, 22 de réflexion de la lumière qui sont de préférence des rétroréflecteurs en coin de cube. Le deuxième moyen de réflexion 22 est situé à une distance L du cube séparateur 18 (L étant la distance à mesurer) à laquelle correspond une différence de marche D dans l'interféromètre, D étant égal à deux fois L. Ce premier interféromètre 16 est relié par l'intermédiaire d'un coupleur 24 monté sur la fibre optique 12 et d'une fibre optique 26 se terminant au foyer d'une lentille de collimation 28, à un deuxième interféromètre 30 comprenant un cube séparateur 32 associé à deux moyens 34, 36 de réflexion de la lumière, qui sont de préférence des rétroflecteurs en coin de cube dont l'un est à une distance LO du cube séparateur 32, cette distance LO étant une distance de référence fixée avec une très grande stabilité. La différence de marche optique DO dans le deuxième interféromètre 30 est égal à deux fois la longueur LO. La sortie du deuxième interféromètre 30 est couplée, par l'intermédiaire d'une lentille de focalisation 38 et d'une fibre optique 40 se terminant au foyer d'une lentille de collimation 42, à un interféromètre 44 à balayage comprenant un cube séparateur 46 et deux moyens 48, 50 de réflexion de la lumière, de préférence des rétroréflecteurs en coin de cube, qui sont situés à des distances du cube séparateur 46 telle que la différence de marche optique dans le troisième interféromètre soit réglable de zéro au double de l'écart maximum E entre les distances L et LO. Les fibres optiques de liaison avec le troisième interféromètre peuvent être multimodes, ce qui facilite le recouplage du flux lumineux dans la fibre 40 en sortie du deuxième interféromètre. Le signal de sortie du troisième interféromètre 44 est appliqué, par l'intermédiaire d'une lentille de focalisation 52, à un photorécepteur 54 associé à un système de traitement de l'information. Quand la différence de marche optique d du troisième interféromètre est nulle, on obtient en sortie de cet interféromètre le maximum du signal A de la figure 2, qui correspond à l'interférogramme du flux lumineux émis par la source 10. L'obtention de cet interférogramme en sortie du troisième interféromètre 44 permet donc de se caler sur le zéro de sa différence de marche optique. La mise en série des deux premiers interféromètres crée des signaux interférométriques dont les différences de marche caractéristiques sont 0, L, LO, L + LO, L - L0. Lorsqu'on les relie au troisième interféromètre à balayage à faible différence de marche, on ne voit que les pics de corrélation centrés sur 0 et L - LO, car L, L0 et L + L0 sont grands et ne sont donc pas accessibles. Par ailleurs, lorsqu'un signal interférométrique résulte d'un battement, son amplitude effective est divisée par 2. Le signal utile B qui est du type E - (L - L0) et résulte de deux battements, a une amplitude effective réduite d'un facteur 4. Par déplacement de l'un des moyens 48, 50 de réflexion de la lumière, on fait varier la différence de marche dans le troisième interféromètre 44 pour obtenir le signal B auquel correspond une différence de marche égale au double de l'écart entre les distances L et L0, la différence de marche étant mesurée au maximum du signal B. Pour mesurer la différence de marche optique correspondant à l'écart E, on peut avantageusement utiliser l'interférogramme d'un faisceau laser émis par un générateur laser 56 stabilisé en fréquence et dont la sortie est reliée à l'entrée du troisième interféromètre 44 par une fibre optique 58 et un coupleur 60. Il suffit alors d'enregistrer l'interférogramme de ce faisceau laser et de l'utiliser pour mesurer la différence de marche optique correspondant à l'écart E entre les distances L et LO. Comme cet écart E est typiquement de quelques millimètres, on peut obtenir une précision relative de 10 sur la mesure de la distance L en utilisant une source de lumière dont la stabilité relative en fréquence n'est que de 10-3 ou 10-4. A titre d'exemple, une telle source peut être constituée par un laser He-Ne de performances standard (0,63 pu), par une diode laser stabilisée (par réseau holographique ou réseau de Bragg), ou plus simplement encore par le flux réfléchi par un réseau de Bragg stabilisé en température lorsque celui-ci est éclairé par une diode électroluminescente de caractéristiques standard (la dépendance thermique de la longueur d'onde émise par un tel arrangement n'excède en effet pas lO-S/"C en relatif). Dans les deux derniers cas, les longueurs d'onde centrales de ces sources seraient soit de 1300 nm, soit de 1550 nm. Les longueurs de cohérence de ces différentes sources sont en outre suffisantes pour assurer une très bonne visibilité du signal sur la totalité de la plage de différences de marche balayée. Quatre méthodes sont utilisables pour la détection des deux valeurs caractéristiques (0 et L - LO) de la différence de marche du troisième interféromètre La première utilise une simple recherche de maximum, et l'on peut penser que sa précision est limitée à A/4 sur la différence de marche (c'est-à-dire S/8 sur la distance, soit environ 0,125 pm). La deuxième utilise la totalité du signal interférométrique pour calculer la fonction de corrélation entre le signal enregistré et un signal théorique approprié : la précision accessible sur la mesure de différence de marche peut être estimée à B/10 (soit environ 0,05 pm sur la distance). La troisième consiste à monter l'un des coins de cube utilisé comme réflecteur dans le troisième interféromètre sur une cale piézoélectrique, à exciter cette cale par une tension électrique oscillante dont la fréquence f est égale à la fréquence de résonance de la cale piézoélectrique, puis à filtrer le signal électrique délivré par le détecteur autour des fréquences f et 2f. Sous réserve que le déplacement du réflecteur ait une amplitude convenable, on peut montrer que les signaux ainsi obtenus sont respectivement proportionnels au cosinus et au sinus de la phase recherchée. I1 est donc possible d'en extraire la phase et de rechercher le point du balayage qui soit à la fois proche du maximum de signal et de phase nulle. La précision de détermination de la différence de marche accessible à une telle méthode est évaluée à B/100 (soit environ 5 nm sur la mesure de distance). La dernière méthode consiste à insérer dans l'un des bras du MICHELSON à balayage une lame biréfringente dont la différence de marche soit de B/8 et dont les axes propres de biréfringence soient confondus avec les axes principaux du MICHELSON (plan sagittal et plan tangentiel). Sous réserve d'éclairer ce MICHELSON à l'aide d'une source non polarisée et de disposer en sortie un cube séparateur de polarisation dont les axes sont confondus avec ceux de la lame biréfringente, on récupère sur les deux sorties du MICHELSON deux signaux interférométriques en quadrature (puisqu'ayant accumulé un retard de B/4 par traversée en double passage de la lame biréfringente), qui permettent de remonter sans ambiguïté à l'information de phase (dont on connaît sinus et cosinus) . Pour que cette méthode soit efficace, il faut que la lame biréfringente soit B/8 pour les longueurs d'onde moyennes des deux sources utilisées (diode électroluminescente et longueur de référence) et qu'elle soit en outre achromatique au voisinage de la longueur d'onde centrale de la diode électroluminescente. La précision accessible dans ce cas devrait pouvoir être portée à B/250 soit de l'ordre de 2 nm sur la mesure de distance. On a représenté schématiquement en figure 3 les moyens qui sont utilisés dans le dispositif selon l'invention pour la connexion d'une fibre optique à l'entrée d'un interféromètre, tel par exemple que le premier interféromètre 16. Ce dispositif comprend un boîtier cylindrique 62 dans lequel est logée la lentille de collimation 14, une extrémité du boîtier 62 recevant l'extrémité de la fibre optique 12 par l'intermédiaire d'un fourreau 64 et d'une cale 66 dont l'épaisseur peut être ajustée pour que la face d'extrémité de la fibre optique 12 soit correctement positionnée par rapport au foyer de la lentille 14, l'autre extrémité du boîtier 62 recevant un autre boîtier dans lequel est disposé le cube séparateur 18 et le premier rétroréflecteur 20 de l'interféromètre 16. Dans une variante de réalisation de ce dispositif de collimation, deux lames optiques formant prisme peuvent être agencées entre la lentille 14 et le cube séparateur 18 en étant montées à rotation autour de l'axe optique du dispositif, ces deux lames étant associées à des moyens de réglage de leur orientation angulaire autour de l'axe optique de façon à pouvoir aligner exactement l'axe du faisceau lumineux avec le sommet du rétroréflecteur 22 en coin de cube. Dans un mode préférentiel de réalisation de l'interféromètre 16 (figure 4), le rétroréflecteur 20 est un coin de cube réalisé dans le même matériau que le cube séparateur (de la silice par exemple) et assemblé à lui par adhérence moléculaire, tandis que le rétroréflecteur 22 est du type coin de cube creux. Dans ces conditions, il est souhaitable que le demi-prisme de sortie du cube séparateur 18 présente une légère sur-épaisseur e égale à la hauteur du rétroréflecteur adhéré sur l'autre demiprisme. Cette précaution permet de garantir l'achromatisme de la différence de marche générée et d'annuler les modifications de différence de marche induites par une modification de la température moyenne du collimateur (boîtier 62). On a représenté schématiquement en figure 5 une vue en perspective d'un mode de réalisation du deuxième interféromètre 30 qui, pour présenter une différence de marche optique extrêmement stable, est monté sur une platine 68 en une matière du type ZERODUR, ayant un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible (inférieur à 2.10a) sur laquelle sont fixés, par adhérence moléculaire, un dispositif de collimation analogue au dispositif 62 de la figure 3, un rétroréflecteur 36 en coin de cube et un dispositif de sortie 70 analogue au dispositif de collimation utilisé à l'entrée de l'interféromètre. Pour que la précision sur la mesure des variations d'une distance soit effectivement de 10-7, la distance de référence LO doit avoir une stabilité intrinsèque meilleure que cette valeur et par exemple de quelques 10-8. Cela explique le choix de la matière de type ZERODUR pour le support du deuxième interféromètre. Lorsque la distance de référence LO a été calibrée lors de sa fabrication, avec une précision meilleure que 10-7, par exemple à l'aide d'un laser stabilisé en fréquence, il est envisageable de faire des mesures absolues de distances (et non pas seulement de 7 leurs variations) avec une précision d'au moins 10-7 . Pour diminuer l'encombrement en longueur, on peut utiliser des moyens de repliement du faisceau lumineux, constitués par un rétroréflecteur 72 en coin de cube creux placé approximativement au niveau de la sortie du dispositif de collimation 62 précité, la position transverse des coins de cube 36 et 72 étant ajustée de manière à générer un nombre d'aller-retours égal à la valeur recherchée (de 1 à 5 par exemple) de repliement du faisceau, ce qui permet de diviser d'autant l'encombrement physique correspondant à la distance LO. Avantageusement, la platine 68 et le deuxième interféromètre 30 sont disposés à l'intérieur d'une enceinte à vide 74, représentée en pointillés en figure 4, ce qui permet de s'affranchir de la pression environnante et de ses variations. En figure 6, qui représente schématiquement un dispositif multiplexable de mesure de distances selon l'invention, on retrouve la source lumineuse 10 associée par un ensemble de commutation 76 à n voies, à un ensemble de n interféromètres formant n capteurs de distances 78, chacun destiné à mesurer une distance L1, L2, ...., Ln, l'écart absolu entre ces différentes distances restant compatible avec la plage de balayage du troisième interféromètre, soit quelques millimètres, l'ensemble de commutation 76 étant commandé par les moyens 80 de traitement de l'information qui sont associés au troisième interféromètre 44. Les autres références de la figure 6 désignent des moyens identiques à ceux désignés par les mêmes références en figure 1. Dans ce dispositif, les moyens 80 de traitement de l'information permettent de sélectionner tour à tour chaque capteur de distance 78 par l'intermédiaire de l'ensemble de commutation 76. Pour chaque capteur 78, le troisième interféromètre 44 fournit l'écart entre la distance mesurée par ce capteur et la distance fixe LO de référence correspondant à la différence de marche optique du deuxième interféromètre 30. De façon générale, le dispositif selon l'invention permet de mesurer une distance avec une précision de l'ordre d'au moins 10-7 et de mesurer également, de façon continue ou discontinue, les variations de cette distance par rapport à une distance fixe de référence. REVENDICATIONS 1) Dispositif optique de mesure de distance avec une grande précision, caractérisé en ce qu'il comprend trois interféromètres (16, 30, 44) reliés en série et traversés par un flux de lumière polychromatique, la différence de marche optique du premier interféromètre (16) représentant la distance L à mesurer, la différence de marche optique du deuxième interféromètre (30) représentant une distance fixe LO de référence, et la différence de marche optique du troisième interféromètre (44) étant réglable entre une valeur nulle et la différence des différences de marche des deux premiers interféromètres, et un détecteur photosensible (54) recevant le signal de sortie du troisième interféromètre. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième interféromètre (44) est également éclairé par un flux lumineux émis par une source stabilisée telle qu'un générateur laser (56) stabilisé en fréquence, ou par un flux lumineux réfléchi par un réseau de Bragg stabilisé en température et éclairé par une diode électroluminescente, et dont l'interférogramme fournit une échelle de mesure de la différence de marche précitée du troisième interféromètre. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les interféromètres (16, 30, 44) sont des interféromètres de MICHELSON, comprenant des cubes séparateurs (18, 32, 46) associés à des moyens de réflexion constitués par des rétroréflecteurs (20, 22, 34, 48, 50) 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins les rétroréflecteurs déterminant les distances précitées sont des coins de cubes creux dont les différentes parties sont assemblées par adhérence moléculaire. 5) Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le cube séparateur (18) du premier interféromètre est assemblé par adhérence moléculaire à un premier rétroréflecteur (20) et comporte, sur sa face de sortie vers l'autre rétroréflecteur (22), une surépaisseur égale à la hauteur du premier rétroréflecteur (20). 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection des valeurs caractéristiques 0 et (L - L0) de la différence de marche du troisième interféromètre (44) est réalisée par - une recherche de maximum, - une corrélation entre le signal interférométrique de sortie du troisième interféromètre et un signal théorique approprié, - excitation à la résonance d'une cale piézoéletrique supportant l'un des réflecteurs du troisième interféromètre, calcul de la phase du signal de sortie et recherche d'un point de balayage proche du maximum d'amplitude et de phase nulle, - ou insertion dans un bras du troisième interféromètre d'une lame biréfringente ayant une différence de marche de B/8 et dont les axes propres de biréfringence sont confondus avec les axes principaux de l'interféromètre, et obtention sur les sorties de l'interféromètre de signaux interférométriques en quadrature de phase, permettant de déterminer la phase. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux lumineux traversant les trois interféromètres est émis par une source lumineuse (10) telle qu'une diode électroluminescente par exemple, reliée par une fibre optique monomode (12) au foyer d'une lentille de collimation (14). 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fibre optique monomode (12) est montée sur l'extrémité d'un boîtier cylindrique (62) contenant la lentille de collimation (14), par l'intermédiaire d'un raccord et d'une cale d'épaisseur (66) pour l'ajustement de la distance entre l'extrémité de la fibre optique (12) et la lentille (14). 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un boîtier contenant le cube séparateur (18) et un moyen (20) de réflexion lumineuse est monté sur l'autre extrémité du boîtier (62) contenant la lentille (14). 10) Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le boîtier (62) contenant la lentille de collimation (14) comprend également deux lames optiques formant prisme, montées à rotation autour de l'axe optique en aval de la lentille de collimation (14), et des moyens de réglage de l'orientation angulaire de ces deux lames autour de l'axe optique, pour aligner l'axe du faisceau lumineux transmis par l'interféromètre sur le sommet d'un coin de cube rétroréflecteur. 11) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième interféromètre (30) est monté sur une platine (68) à très faible coefficient de dilatation thermique. 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le deuxième interféromètre (30) et sa platine de support (68) sont logés dans une enceinte à vide (74). 13) Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que le deuxième interféromètre (30) comporte un dispositif de repliement de faisceau, constitué par un autre coin de cube creux (72) associé à celui (36) définissant la distance de référence et décalé par rapport à ce dernier. 14) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est du type multiplexable et comprend plusieurs premiers interféromètres formant des capteurs de distance (78) associés à des moyens de commutation (76) commandés par des moyens (80) de traitement de l'information.