Brevet FR2823298A1 — publié le 20021011

NOUVEAU LAMBDAMETRE DE HAUTE PRECISION FONCTIONNANTSANSELEMENTSOPTIQUESMOBILES INVENTEURS : Monsieur Yves SURREL * Monsieur Patrick JUNCAR * La présente invention concerne de nouveaux types de mesureurs de longueurs d'onde, notamment optiques, et communement appelés LAMBDAMETRES. Ces Systèmes de mesure ou équipements. objets de l'invention, permettent des mesures quasi-automatiques, sans dît-placements d'éléments optiques durant les mesures et dullt l'lncertltude de mesure est extrêmement rëdujte. Oan5 l'état de l'art actuel, les lambdamètres sont essentiellement constitués par un équipement de base du type interféromètre de Michelson, dont on fait varier la position de l'un des miroirs, l'autre restant fixe. On envoie simultanement dans l'interferometre deux radiations dont l'une représente une longueur d'onde de 1 référence r et l'autre représente la longueur d'onde inconnue À 12 dèterminer. Ou mesure la diffsrence totale de la phase des franges d'interférence . (p (/A r) eut/&commat; pour chacune des deux radiations et dans le cas de deux positions du miroir mobile. Le rapport ? (À r) est égal au rapport des longueurs d'ondes - * BNM-INM/CNAM PARIS Le processus opératoire, li aux équipements actuels décrits ci-dessus présente tes principaux inconvénients suivants : - Mise en oeuvre mécanique d'un miroir mobile rendant les mesures délicates et longues. - Détermination du rapporter par la pente d'une droite /\ i déterminée à partir de deux points seulement. Les objectifs généraux de l'invention consistent à effectuer les mesures de longueur d'onde : - premièrement en supprimant pendent les mesures toute intervention mécanique sur certains des éléments optiques de l'equipement, comme le deplacement d'un miroir d'interferomètre dans le cas des équipements actuellement commercialisés. - deuxièmement, en utilisant des procédés de calculs originaux du type algorithme de détection de phase adapté pour le traitement des informations. - troisièmement, en déterminant la pente de la droite î (r) aux moindres carrés à partir d'un très grand nombre de mesures indépendantes. L'invention sera mieux comprise a l'aide des explications et figures qui suivent. La Figure 1 rappelle très schématiquement la constitution d'un lambdametre commercialisé classique. Les directions 1 et 2 représentent les radiations lumineuses, respectivement aux longueurs d'onde de rètèrence Ar et inconnue/Ai à déterminer. Selon le principe de fonctionnement de l'interfécomëtre de Miche ! son. tes radiations 1 et 2, pour chacune des positions A et B du miroir 5, après passage dans le miroir semi-transparent 3 et avoir subi une réflexion totale sur les miroirs 4 et 5 présentent aux sorties 6 et 7 de l'Interféromètre, une différence totale de la phase des franges d'interférence correspondantes aux deux radiations 1 et 2 avec (y 4/[. x cos ] ; 5 la distance entre les 2 positions A et B du miroir 5. la longueur d'onde dans le milieu de propagation (ire plus souvent I talr) et l est l'inclinaison des rayons par rapport à la normale aux miroirs 4 et 5. Des cales piezoélectriques solidaires des miroirs 5 permettent une détermination la plus exacte possible des phases f l et (p r dans les états initial et final. L'évaluation de la longueur d'onde inconnue i s'effectue à partir de la droite représentée sur le graphique de la Figure 2 et dont la pente r Ai. est égale à \ Selon un premier objet de It Invention du nouveau lambdametre. les phases 'i ety r des rdjations 1 et 7 7 2 dont dépend directement la longueur tonde à rechercher sont obtenues"en continu"tout au long du déplacement du miroir 5. La mesure de la phase s'effectue en echantittonnant les signaux d'interférence et en utilisant un algorithme adapté à la detection de phase. L'étude théorique de tels algorithmes a prc-demment fait l'obiet. par l'un des inventeurs (ves SURREL) d'ëtuds préliminaires de faisabilité, pubilêes dans la revue Applied Optics. Vol. 35, N"1 pp 51-60. 1996 sous e titrp e"Uesin ot alorithms for phase measurements by the use of phase stepping". Le succès de ces travaux théoriques de faisabilité a permis le passage à des travaux expérimentaux innovants dont les résultats tunt partiellement l'objet de la présente demande de brevet d'juvention. Se ! un notre premier objet de l'invention, l'emploi de l'algorithme de détection de phase adapte présente l'intérêt supplémentaire de ne pas nécessiter une synchronisation rigoureuse entre la fréquence d'ect'antiilionnage et la fréquence du signai d'interférence correspondant. Contrairement aux lambdamètres commercialisés où la "droite de phase"de la Figure 2 ne comporte que deux points de mesure exploitables, la détermination des phases"en continu", selon notre premier objet de l'invention permet l'obtention d'un nombre de points de mesures notablement plus important. Ceci permet t'utilisation de la méthode des"moindres carres"pour l'obtention du rapport À ì avec une très faible incertitude./r Selon un deuxië'me obiet de l'tnvention, la variation de marche temporel le est remplacée par une variat-ton de marche spatiale. Suivant un exemple non limitatif de ce deuxième objet de l'invention, les figures de franges d'interférence 8 sont Proieétes sur une caméra CCD comme il est montre sur la Figure 3. ou des franges verticales sont représentées, A titre d'exemple. Chacune des images des franges aux longueurs d'onde Àr et sont successivement projetées sur une caméra CCD et enregistrées. Chaque image est analyste ligne par ligne par simple décalage de phase spatial (évaluation locale de la phase pour chaque groupe de franges). La détermination de la pente de la droite de la Figure 2 est effectuée, ligne par ligne préférentiellement, (mais d'une maniere non limitative), par ! a méthode des moindres carrés. Une moyenne est ensuite faite pour toutes les lignes de la caméra. Il n'est pas nécessaire de prendre en compte ! es défauts oventuels de la rects ventuets de ta redit jnéartt. = ds ttàs pfr'iM'RH 5 t le capteur CCD. Par ailleurs. les différences de marche accessibles avec un interféromètre spatial selon le deuxième obiet de l'invention sont tres inférieures à celles que l'on peut obtenir avec un interféromètre temporel selon le premier objet de notre invention 5 (quelques 10 franges du tieu de quetques 10 fran"f ? s). Selon un troisième obiet de t'invention. on réalise un système de mesure où l'interferometre incorpore permet de retrouver une différence de marche importante. Selon ce troisième obiet de notre invention. on utilise un interféromètre où le champ des franges est sépare en 2 parties. La Figure 4 montre un schéma trë-s simplifié de l'interferometre realise suivant le troisieme objet de l'invention. Le miroir 5 à reflection totale de la Figure 1 est remplace par deux demi-miroirs 5a et 5b places respectivement en position supérieure et inférieure des faisceaux lumineux diffusant successivement, à partir de sources 9, une énergie A la longueur d'onde de rëièrence. A r et à la longueur d'onde inconnue/ ] à determiner. Les deux demi-miroirs sont disposés à des distances différentes dont l'écart peut tacitement être connu avec une précision de 10 La Figure 5 montre l'image des 2 interférogrammes obtenus. Le premier des deux demi-miroirs Sa, correspond à des petites différences de marche, le second demi-miroir Sb correspond à des différences de marche beaucoup plus grandes, dependant de la distance entre les deux demi-miroirs Sa et Sb. Comme il a été décrit dans le deuxième obiet d l'Invention.}'intertaromatre correspondant au troisième obiet de l'invention est éclaire d'abord par la longueur d'onde Ar et ensuite par la deuxième longueur d'onde inconnue 1. Une première évaluation du rapport Ar est faite si partir des interfèrogrammes enregistres. évaluatIon suffisante pour déterminer l'écart d'ordre des franges P entre les parties inférieure" ! et supérieures- de i'interferogramme-Une"connexion"satisfaisante des deux demi-interferogrammes peut ainsi être opérée comme il est montre sur la Figure 6. ij Le demi-champ 1 comporte quelques tO franges, le 0 demi-champ 2 comporte quelques 10 franges mais l'écart de phase moven entre les deux demi-interferogrammes Ç" correspond à quelques 10 franges. Les différents et nouveaux lambdamtres décrits dans cette demande de brevet d'invention présentent une précision lamais égalee, car l'incertitude finale sur le rapport- est extrêmement faible. À i En utilisant une camera CCD de qualité modeste {caméra 8 bits. 10 pixels), ordre d grandeur de l'incertitude sur le rapport * r est de 210 A. Avec la même caméra. cette incertitude est aussi faible -1e que 310 en utilisant la technique a 2 demi-champs (deux interfrogrammes). Contrairement d. la plupart des lambdametres commerclalisès. ce nouveau type de lambdamètre spatial selon le troisième obiet de notre invention ne présente pas de limitation à son utilisation, en dehors de la sensibî Ijtè spectrale de la caméra CCD et des caractéristiques spectrales de transparence des tments nptt] ue3. Le spectre des lonuours d'onde \ ds radiations à mesurer est notamment extrêmement large. En particulier. toute longueur d'onde de radiation dans le domaine visible du spectre est mesurable. Il n'y a pas non plus de limitation sur l'écart entre les longueurs d'ondes inconnue et de référence. Si necessaire. on utilisera un algorithme de detection de phase diffèrent pour chacune des 2 longueurs d'onde. Par ailleurs, les sources de radiations employées peuvent être utilisées indifféremment en régime continu ou pulse. REVENDICATIONS 1) Systèmes optiques de mesure de longueurs d'ondes optiques caractérisés en ce qu'ils comportent un équipement de base du type interféromètre permettant la comparaison entre une longueur d'onde optique de référence et les longueurs d'ondes optiques inconnues à déterminer. 2) Systèmes optiques de mesures de longueurs d'onde optiques selon la revendication 1 caractérisés en ce que ces systèmes optiques ne comportent aucun élément mobile durant les mesures. 3) Systèmes optiques de mesures de longueurs d'onde optique selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que le miroir 5 est utilisé sous forme de 2 demi-miroirs 5a et 5b disposés à des distances différentes et de telle sorte que le champ de franges d'interférences est séparé en 2 parties qui présentent entre elles une différence de marche très importante. 4) Procédé de mise en oeuvre des Systèmes optiques de mesures de longueurs d'onde optiques selon la revendication 1 caractérisés en ce que la détermination de la phase respective des longueurs d'onde de référence A r et inconnues A i s'effectue par échantillonnage des signaux d'interférences en sorties 6 et 7 du système optique. 5) Procédé de mise en oeuvre des Systèmes optiques de mesures de longueurs d'onde optique selon la revendication 4 caractérisés en ce que, un algorithme adapté à la détection de phase est utilisé en association avec l'échantillonnage et qu'une synchronisation rigoureuse entre la fréquence d'échantillonnage et la fréquence du signal d'interférence correspondant n'est pas nécessaire. 6) Procédé de mise en oeuvre des Systèmes optiques de mesures de longueurs d'onde optiques selon la revendication 4 caractérisés en ce que les mesures sont effectuées en continu tout au long du déplacement du miroir 5 permettant ainsi l'obtention d'un nombre de points de mesure important. 7) Procédé de mise en oeuvre des Systèmes optiques de mesures de longueurs d'onde optique selon la revendication 4, du type lambdamètre spatial, caractérisés en ce que les franges d'interférence sont projetées sur une caméra CCD, analysées ligne par ligne suivant le simple décalage spatial des phases et moyennées ensuite pour toutes les lignes sur la camèra.