Brevet FR2913492A1 — publié le 20080912

DEMANDE DE BREVET B06-5183FR MSA Etablissement public dit : Laboratoire national de métrologie et d'essais Etablissement public dit : Conservatoire national des Arts et Métiers Système de métrologie optique Invention de : Inventeurs Système de métrologie optique La présente invention concerne les systèmes de métrologie et plus particulièrement les systèmes de métrologie optique. Le positionnement d'objets massifs avec une grande précision nécessite généralement un système de positionnement encombrant ou sensible à l'environnement. Certaines applications ne peuvent permettre de telles contraintes, notamment dans le domaine spatial où les contraintes de poids et de volume se répercutent directement sur les coûts, par exemple les coûts de mise en orbite d'un satellite. Parmi les dispositifs de positionnement optique existants, on peut citer les dispositifs de déplacement à fibres optiques, les capteurs capacitifs ou encore les capteurs interférométriques. Les capteurs de déplacement à fibre optique utilisent un ensemble de fibres optiques pour émettre un faisceau lumineux qui vient se réfléchir sur un objet ou sur une partie de l'objet à localiser. D'autres fibres optiques permettent de guider la lumière réfléchie ou diffusée vers une cellule photoélectrique qui émet un signal de mesure. Le positionnement de l'objet est déterminé d'après sa nature et la quantité de lumière reçue par la cellule photoélectrique par rapport à la quantité de lumière émise. Les capteurs capacitifs sont basés sur un couplage capacitif entre l'objet à positionner et une armature de référence. L'intensité du couplage permet de déterminer la distance entre l'armature et l'objet. Les règles optiques sont peu adaptées aux applications de précision nécessitant compacité, sensibilité et légèreté de l'élément sensible au déplacement. Les capteurs interférométriques ont une très bonne sensibilité mais ne sont adaptés qu'à l'identification des déplacements relatifs. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de fournir un système de métrologie qui permette d'obtenir une précision sub- nanométrique atteinte uniquement par les systèmes interférométriques, dans un agencement compact et donc un système combinant précision, compacité et faible coût. L'invention a donc pour objet un dispositif de positionnement optique comprenant un laser, associé à un modulateur acousto-optique pour émettre au moins deux faisceaux lasers parallèles modulés en opposition de phase, lesdits faisceaux étant focalisés sur une fente solidaire de l'objet à positionner et perpendiculaire à la direction de positionnement, et une photodiode adaptée pour collecter les faisceaux issus de la fente et associée à un amplificateur à détection synchrone pour délivrer un signal traduisant la position de la fente par rapport à la position de référence. Le dispositif de positionnement peut en outre comprendre un système optique apte à collimater, focaliser et collecter les faisceaux laser. Le dispositif de positionnement peut également comprendre un générateur de fonction électrique et un oscillateur, l'oscillateur émettant à sa sortie un signal radiofréquence présentant une modulation de fréquence par un signal électrique périodique, notamment par un signal de forme rectangulaire, de plus basse fréquence émis par le générateur de fonction électrique, le signal périodique radiofréquence étant envoyé vers le modulateur acoustooptique afin de commander la séparation des faisceaux laser. Dans un dispositif de positionnement tel que défini ci-dessus, le signal électrique délivré par le générateur de fonction électrique peut être un signal de référence pour l'amplificateur à détection synchrone. L'invention a également pour objet, selon un autre aspect, un procédé de positionnement d'un objet par rapport à une position de référence dans lequel on détecte la variation de position de l'objet par rapport à la référence en fonction de la variation d'intensité de deux faisceaux laser modulés en opposition de phase émergeants d'une fente solidaire de l'objet à positionner. On peut ajuster la sensibilité du dispositif en modifiant la largeur de la fente matérielle. On peut encore détecter la variation d'intensité des faisceaux laser émergents de la fente grâce à une photodiode. On peut obtenir un signal de position par détection synchrone à partir du signal provenant de la photodiode collectant les faisceaux lasers émergents. On peut obtenir un signal d'erreur en parallèle d'un signal de position après la détection synchrone. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure la décrit un mode de réalisation du dispositif de positionnement optique selon l'invention ; - la figure lb décrit un autre mode de réalisation du dispositif de positionnement optique selon l'invention ; -la figure 2 décrit schématiquement le positionnement des faisceaux laser et de la fente ; - la figure 3 décrit des répartitions spatiales d'intensité obtenues au moyen du dispositif de positionnement optique, avant et après la fente. En se référant tout d'abord à la figure la, le dispositif de métrologie comprend essentiellement un laser 1 dont le faisceau pénètre dans un modulateur acousto-optique 3 et comprend également un générateur de fonction périodique 7 connecté à un amplificateur à détection synchrone 9 par une connexion 8 et un oscillateur radiofréquence 5 qui communique avec le générateur de fonction périodique 7 par la connexion 6 et avec le modulateur acousto-optique 3 par la connexion 4. Le modulateur acousto-optique 3 est relié par au moins deux de ses sorties à deux fibres monomodes 10, elles-mêmes reliées à des collimateurs 11. Les collimateurs 11 sont positionnés dans un système optique comprenant une lentille Ll suivie d'une lentille L2 et d'une fibre multimode 12. La sortie de la fibre multimode 12 est reliée à une photodiode 13 elle-même reliée à l'amplificateur à détection synchrone 9 par la connexion 14. Une fente F, solidaire de l'objet OBJ à positionner, est placée entre les lentilles L1 et L2. Sur la figure la, on a représenté la structure générale d'un dispositif de positionnement selon l'invention. I1 est destiné à positionner un objet OBJ par rapport à la partie optique OPT du dispositif de positionnement optique. Le laser 1 est configuré pour émettre une onde de type gaussien présentant un mode transverse électromagnétique de type (0;0). La figure 3 montre le profil d'intensité 19 d'une telle onde selon la direction x. Le modulateur acousto-optique 3 est basé sur le principe de la diffraction de Bragg. Une onde sonore est générée dans un cristal par une onde radiofréquence ce qui génère une déformation du cristal faisant apparaître une structure de type réseau. Lors de la traversée du cristal par un faisceau laser, une diffraction intervient séparant le faisceau laser en deux faisceaux. La répartition de l'intensité totale entre les deux faisceaux dépend alors de l'angle entre le faisceau incident et l'onde sonore dans le cristal, en accord avec les équations de Bragg. De plus, l'onde sonore du modulateur acousto-optique 3 est modulée par un signal basse fréquence issu du générateur basse fréquence 7. Pour un faisceau initial présentant un angle d'incidence donné, la répartition de l'intensité entre les deux faisceaux sera modulée par la modulation en énergie de l'onde sonore, donc selon la puissance de l'onde radiofréquence injectée dans le modulateur acousto-optique. Les deux faisceaux émergents du modulateur acousto-optique 3 sont alors en opposition de phase. La figure lb montre un autre mode de réalisation de l'invention. Le modulateur acousto-optique 3 a été supprimé au profit de deux lasers la et lb. Le laser la est relié par la liaison 4a au générateur basse fréquence 7. De même, le laser lb est relié par la liaison 4b au générateur basse fréquence 7. En sortie, ils sont reliés aux fibres optiques monomode 10. Les deux lasers la et lb sont commandés par le générateur basse fréquence 7 de façon à émettre en alternance. On obtient deux faisceaux modulés en opposition de phase. Le reste du dispositif est identique au dispositif décrit sur la figure la. Chacun de ces deux faisceaux est guidé par une fibre optique monomode 10 suivie par un collimateur 11. Les collimateurs 11 permettent d'aligner les faisceaux entre eux, par rapport à l'axe optique formé par les lentilles Ll et L2 et par rapport à la fente F. Les faisceaux sont alors focalisés par la lentille Ll en amont de la fente F. Les faisceaux émergents convergent à travers la lentille L2 vers l'entrée de la fibre optique multimode 12 qui débouche sur la photodiode 13. La photodiode 13 émet un signal électrique vers l'amplificateur 9 à détection synchrone. L'amplificateur 9 à détection synchrone reçoit sur son entrée de référence le signal basse fréquence provenant du générateur basse fréquence 7 qui a servi à moduler l'onde incidente sur le modulateur acousto-optique 3. L'amplificateur 9 à détection synchrone isole les signaux présentant la même fréquence que le signal basse fréquence parmi tous les signaux provenant de la photodiode 13. Les signaux isolés sont alors émis par la liaison 15. Une onde gaussienne présente la répartition d'intensité 19 de la figure 3, soit une répartition de type gaussienne passant par un maximum et tendant vers un minimum selon les deux directions de l'axe des abscisses. A cause de la forme de la courbe d'intensité en fonction de la position, une intensité donnée peut correspondre à deux positions. On ne peut déterminer la position absolue de l'objet. En utilisant deux faisceaux gaussiens en opposition de phase, on obtient en sortie de la fente F la répartition d'intensité 21 de la figure 3. La fente F se déplace dans le plan formé par les deux faisceaux selon l'axe 18, la fente F étant perpendiculaire au dit plan. Le petit coté de la fente est dans la direction du déplacement 18 et le grand coté est perpendiculaire à la direction de déplacement 18. Plusieurs positions sont possibles pour la fente F. Les positions extrêmes sont les positions où le recouvrement entre les faisceaux est nul. Une position interdite existe au point de convergence des faisceaux, où le profil d'intensité en sortie de la fente F ne permet pas de déterminer la position de la fente F. La fente F est de dimension équivalente à la largeur de la tache de focalisation d'un faisceau laser, dont les dimensions sont égales ou supérieures au carré de la longueur d'onde du faisceau laser. Lorsque la fente F se déplace, elle occulte successivement un faisceau laser puis l'autre. Les deux faisceaux laser étant en opposition de phase et décalés spatialement au niveau de la fente, on peut déterminer la contribution de chaque faisceau laser à l'intensité totale à la sortie de la fente. On peut montrer que le profil d'intensité à la sortie de la fente en fonction de la position décrit une courbe de forme gaussienne s'annulant à l'origine des abscisses et présentant un minimum et un maximum de part et d'autre de l'origine. Grâce à ce profil d'intensité 21 et pour une fente F centrée sur l'axe 17 entre les deux faisceaux, un faible déplacement de la fente F selon la direction 18 générera une forte variation d'intensité. La sensibilité du dispositif ne dépend alors que de la pente à l'origine de la répartition d'intensité, cette pente étant réglable en modifiant la focalisation des faisceaux et/ou la largeur de la fente. Le dispositif de positionnement par onde optique permet de positionner, par rapport à la partie optique OPT du dispositif et avec précision, un objet solidaire d'une fente F dont la petite largeur correspond à la direction de positionnement. Généralement, la masse de la fente F pourra être considérée comme négligeable devant la masse de l'objet OBJ. En conséquence, la vitesse de réponse du système de positionnement par rapport aux mouvements de l'objet OBJ est rapide, rendant le dispositif de positionnement également adapté à la détection de position et de mouvements d'objets présentant des mouvements rapides, tels que des oscillations. Comme on peut le voir sur les figures la et lb, Le dispositif de positionnement optique peut être décomposé en un bâti 16 et une partie optique OPT reliés par des fibres optiques. Le dispositif de positionnement optique présente ainsi la particularité de pouvoir fonctionner avec la partie optique OPT fonctionnant dans divers milieux comprenant notamment le vide et les liquides. La partie optique OPT étant reliée par des fibres optiques, sa localisation n'est limitée que par l'absorption desdites fibres optiques due à la longueur desdites fibres optiques. On peut ainsi concevoir des applications en milieux hostiles, par exemple pour la mesure d'éléments ou de fissures dans le noyau d'une centrale nucléaire. La partie optique OPT ne présentant aucun système électrique ou électronique, elle ne présente aucune sensibilité aux ondes électromagnétiques, lui permettant de fonctionner dans des environnements difficiles, comme des centrales électriques, des radomes radar ou des atmosphères explosives. Le dispositif de positionnement optique pourrait également trouver une application en sismologie ultrasensible, grâce à sa forte sensibilité, ou dans les application de métrologie en microscopie, comme la microscopie en champ proche. I1 peut être envisagé d'intégrer les différents éléments du dispositif par des techniques de microélectronique en utilisant par exemple des lasers de type VECSEL et des guides d'ondes pour remplacer les fibres optiques. De même, une grande partie voir la totalité de l'électronique de commande peut être intégrée permettant alors d'obtenir un dispositif de positionnement compact et d'une grande précision. I1 peut également être envisagé de réaliser un dispositif comprenant un nombre plus élevé de faisceaux laser. Par exemple quatre faisceaux laser pourraient permettre de contrôler le déplacement d'un objet selon deux directions distinctes. Dans ce cas, la fente serait remplacée par un trou, chaque paire de faisceaux permettant de déterminer le déplacement du trou selon une direction dans la limite du diamètre dudit trou. Enfin, en vue de réduire les coûts, les fibres optiques pourraient être supprimées. Les faisceaux laser seraient directement collimatés en sortie du modulateur acousto-optique et la photodiode disposée directement en sortie du système optique. Cette approche pourrait également être combinée à l'utilisation de deux lasers à la place du modulateur acousto-optique comme décrit dans le mode de réalisation alternatif afin de réduire les coûts de façon encore plus drastique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de positionnement d'un objet par rapport à une position de référence, caractérisé par le fait qu'il comprend un laser (1), associé à un modulateur acousto-optique (3) pour émettre au moins deux faisceaux lasers parallèles et modulés en opposition de phase, lesdits faisceaux étant focalisés sur une fente (F) solidaire de l'objet (OBJ) à positionner, le grand coté de ladite fente (F) étant perpendiculaire à la direction de positionnement, et une photodiode (13) adaptée pour collecter les faisceaux issus de la fente (F) et associée à un amplificateur à détection synchrone (9) pour délivrer un signal traduisant la position de la fente (F) par rapport à la position de référence. 2. Dispositif de positionnement selon la revendication 1 comprenant un système optique apte à collimater, focaliser et collecter les faisceaux laser. 3. Dispositif de positionnement selon la revendication 1 comprenant un générateur de fonction électrique (7) et un oscillateur (5), l'oscillateur (5) émettant à sa sortie un signal radiofréquence présentant une modulation de fréquence comparable à la fréquence du signal électrique périodique émis par le générateur de fonction électrique (7), le signal périodique radiofréquence étant envoyé vers le modulateur acousto-optique (3) afin de commander la séparation des faisceaux laser. 4. Dispositif de positionnement selon la revendication 3 dans lequel le signal électrique délivré par le générateur de fonction électrique (7) est un signal de référence pour l'amplificateur à détection synchrone (9). 5. Procédé de positionnement d'un objet par rapport à une position de référence dans lequel on détecte une variation de position d'un objet (OBJ) par rapport à une position de référence en fonction d'une variation d'intensité de deux faisceaux laser modulés enopposition de phase émergeants d'une fente solidaire de l'objet (OBJ) à positionner. 6. Procédé de positionnement selon la revendication 5 dans lequel on ajuste la sensibilité du dispositif en modifiant la largeur de la fente (F). 7. Procédé de positionnement selon la revendication 5 dans lequel on détecte la variation d'intensité des faisceaux laser émergents de la fente (F) au moyen d'une photodiode (13). 8. Procédé de positionnement selon la revendication 7 dans lequel on obtient un signal de position par détection synchrone à partir du signal provenant de la photodiode (13) collectant les faisceaux lasers émergents. 9. Procédé de positionnement selon la revendication 8 dans lequel on obtient un signal d'erreur en parallèle d'un signal de position après la détection synchrone.