Brevet FR3149082A1 — publié le 20241129

Ce dispositif de mesure (19) comprend deux miroirs (25) coaxiaux comprenant chacun une surface réfléchissante (27, les surfaces réfléchissantes des deux miroirs étant positionnées l’une en face de l’autre et formant chacune une portion d’une même ellipsoïde de révolution (29) comprenant un premier et un second foyer (F1, F2), le dispositif de mesure (19) comprenant en outre un module d’émission de lumière (31) selon un axe principal d’émission (33) passant par le premier foyer (F1), et un module de collecte de lumière (35) selon un axe principal de collecte (37) passant par le premier foyer (F1), le dispositif de mesure (19) étant configuré pour être positionné de sorte que le second foyer (F2) de l’ellipsoïde de révolution (29) est positionné à la surface d’un objet à mesurer (21). Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Dispositif de mesure à miroir ellipsoïdique de révolution La présente invention concerne des applications d’interférométrie, de profilométrie et de contrôle de déplacement en temps réel. En particulier, la présente invention concerne la mise en œuvre d’un chemin optique en vue d’une des applications précédentes, par exemple en interférométrie la mesure d’une différence de marche entre ledit chemin optique et un chemin optique de référence. De manière générale, l’invention concerne un dispositif de mesure mettant en œuvre un chemin optique comprenant une réflexion sur la surface d’un objet étudié. Techniques antérieures L’interférométrie consiste de manière simplifiée en la comparaison des chemins optiques d’un bras optique de référence d’une part, et un bras optique de mesure d’autre part. Un chemin optique est généralement défini par la distance optique entre une source de lumière et un détecteur de ladite lumière ou un écran, l’indice de réfraction du milieu dans lequel la lumière se propage étant pris en compte. La différence de chemin optique entre le bras optique de référence et le bras optique de mesure est généralement appelée « différence de marche » et permet de donner des indications sur la qualité ou la forme d’un objet à mesurer, par exemple des lentilles ou des surfaces positionnées sur le chemin optique du bras optique de mesure. De nombreux interféromètres actuels intègrent des fibres optiques dans chacun des bras optiques de référence ou de mesure. Ces fibres optiques permettent de simplifier le design et surtout l’intégration de tels interféromètres dans un environnement peu spacieux. Les fibres optiques permettent en effet un déport d’une source lumineuse, par exemple un laser, et/ou d’un détecteur ou d’un écran à l’extérieur d’un environnement peu spacieux, autrement dit ne pouvant contenir la source lumineuse et/ou le détecteur ou l’écran, ou ne permettant pas une maintenance aisée. Dans une telle configuration, la lumière empruntant le chemin optique du bras optique de mesure passe dans une fibre optique puis se propage en espace libre afin d’interagir avec l’objet à mesurer, en réfraction ou en réflexion, puis revient dans une deuxième fibre optique en direction du détecteur ou de l’écran. On entend par espace libre un espace s’opposant à un espace optique guidé, un espace libre étant par exemple un gaz tel que de l’air ou un milieu diélectrique tel que du verre optique. La deuxième fibre optique peut également être une seconde utilisation de la première fibre optique dans le sens inverse de propagation de la lumière. Cependant, la recollection du flux lumineux après l’interaction de la lumière avec l’objet à mesurer est complexe. En effet, du fait de la propagation gaussienne du faisceau laser en espace libre, le rapport du flux collecté par le détecteur ou par l’écran sur le flux émis par la source de lumière est très faible, peu de lumière étant collectée par la deuxième fibre optique. On a représenté schématiquement sur la un mode de réalisation d’une extrémité 1 de fibre optique 3 reliée à son autre extrémité (non représentée) à un laser. L’extrémité 1 de la fibre optique 3 représentée comprend une ferrule 5 entourant la fibre optique 3, un manchon 7 de ferrule entourant la ferrule 5, une lentille à gradient d’indice 9 (appelée « GRIN lens » en termes anglo-saxons) positionnée au bout de la fibre optique 3, ainsi qu’un manchon extérieur 11 entourant la lentille à gradient d’indice 9 ainsi que le manchon 7 de ferrule. Le faisceau laser 13 en sortie est dit gaussien. Il comprend une portion étroite 15 appelée « waist » puis un élargissement 17 du faisceau laser 13 responsable du faible flux récolté. De plus, la focalisation du faisceau au niveau du waist 15 implique des contraintes de positionnement de l’objet à mesurer à une distance faible de ce waist et donc faible de l’extrémité 1 de la fibre optique 3, ce qui n’est parfois pas possible ou souhaitable, par exemple lorsque l’objet à mesurer atteint des températures élevées, ou est en mouvement, tel que des aubes de turbomachines. Les mêmes problématiques se posent avec l’usage d’un profilomètre, ce dernier ne comprenant alors qu’un bras optique de mesure et pas de bras optique de référence. Un profilomètre peut servir à déterminer un chemin optique, par exemple dans le but de déterminer le relief d’une surface, ou à contrôler un déplacement, par exemple la rotation d’aube d’une turbomachine par détection ou non desdites aubes en face dudit profilomètre. En outre, lorsque l’objet à mesurer est une surface, et que cette surface est inclinée par rapport à l’axe du faisceau lumineux, les interféromètres et profilomètres existants ne permettent pas de continuer à prendre des mesures à moins d’orienter la source de lumière et/ou le détecteur ou l’écran et/ou les fibre optiques débouchant sur ces derniers orthogonalement à la surface. Cette orientation peut se faire manuellement ou de manière motorisée mais est souvent limitée mécaniquement. Les profilomètres et interféromètres existants récoltent donc peu de flux lumineux au niveau de leur détecteur ou de leur écran, et sont à la fois dépendants de l’angle entre la surface observée et l’axe du faisceau lumineux, et dépendants de la distance entre l’objet et l’extrémité de la fibre optique guidant la lumière depuis la source de lumière ou vers le détecteur ou l’écran. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un dispositif de mesure moins dépendant de l’angle entre la surface de l’objet à mesurer et l’axe de mesure, et moins dépendant de la distance entre le guide de lumière et l’objet à mesurer, et pouvant collecter plus de lumière. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure comprenant deux miroirs coaxiaux comprenant chacun une surface réfléchissante, les surfaces réfléchissantes des deux miroirs étant positionnées l’une en face de l’autre, les surfaces réfléchissantes des deux miroirs formant chacune une portion d’une même ellipsoïde de révolution, l’ellipsoïde de révolution étant définie par un grand axe et deux petits axes égaux et comprenant un premier et un second foyer, les deux miroirs s’étendant longitudinalement entre le premier foyer et le second foyer, le dispositif de mesure comprenant en outre un module d’émission de lumière selon un axe principal d’émission passant par le premier foyer, et un module de collecte de lumière selon un axe principal de collecte passant par le premier foyer, le dispositif de mesure étant configuré pour être positionné de sorte que le second foyer de l’ellipsoïde de révolution est positionné à la surface d’un objet à mesurer. Ainsi, la présence de deux foyers formés par la forme ellipsoïdique de révolution des miroirs permet de pouvoir éloigner le dispositif de mesure de l’objet à mesurer, et permet d’être moins dépendant de l’angle entre la surface de l’objet à mesurer et le grand axe car tout rayon lumineux passant par le second foyer reviendra au niveau du premier foyer et donc potentiellement dans le module de collecte de lumière. Ce second effet permet en outre de maximiser la quantité de lumière collectée. Avantageusement, le module d’émission de lumière comprend une source de lumière laser. Avantageusement, les deux miroirs s’étendent longitudinalement sur une distance supérieure à la moitié de la distance séparant les deux foyers. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure comprend en outre une lame de verre plane à faces parallèles configurée pour être positionnée sur la surface de l’objet à mesurer. Dans un mode particulier de réalisation, le module de collecte de lumière comprend une lentille de collecte et une fibre optique, la lentille de collecte étant configurée pour focaliser un flux lumineux dans la fibre optique. Avantageusement, le module d’émission de lumière et le module de collecte sont positionnés à une distance du premier foyer inférieure à un quart du petit axe de l’ellipsoïde de révolution. Avantageusement, l’angle entre l’axe principal d’émission de lumière du module d’émission de lumière et le grand axe de l’ellipsoïde de révolution est égal à l’angle entre l’axe principal de collecte du module de collecte et le grand axe de l’ellipsoïde de révolution, l’axe principal d’émission, l’axe principal de collecte et le grand axe étant compris dans un même plan. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif de mesure comprend en outre deux miroirs plans parallèles au grand axe et orthogonaux au plan comprenant l’axe principal d’émission, l’axe principal de collecte et le grand axe, les miroirs plans étant respectivement positionnés à égal distance entre le premier foyer et le module d’émission de lumière d’une part, et le premier foyer et le module de collecte de lumière d’autre part. La présente invention a également pour objet un interféromètre comprenant un bras optique de référence et un bras optique de mesure comprenant le dispositif de mesure tel que défini précédemment La présente invention a encore pour objet un profilomètre comprenant un dispositif de mesure tel que défini précédemment et un détecteur relié au module de collecte de lumière. 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 : dont il a déjà été fait mention est une vue en coupe d’une extrémité de fibre selon l’état de la technique ; est une vue en coupe d’un premier mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention ; est une vue en coupe d’un rayon lumineux traversant et réfléchi par une lame de verre d’un dispositif de mesure selon l’invention ; est une vue en coupe d’un deuxième mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention ; et est une vue en coupe d’un troisième mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté schématiquement sur la un premier mode de réalisation d’un dispositif de mesure 19 d’un objet à mesurer 21, et en particulier de la surface 23 dudit objet à mesurer 21. Les mesures effectuées sont par exemple des mesures de distance de la surface par rapport à un point de référence, ou des mesures d’angle de la surface par rapport à un axe prédéfini, ces mesures pouvant être utilisées pour retracer le profil de la surface 23 de l’objet à mesurer 21. Le dispositif de mesure 19 comprend deux miroirs 25 coaxiaux comprenant chacun une surface réfléchissante 27 positionnées l’une en face de l’autre. Les surfaces réfléchissantes 27 des deux miroirs 25 forment chacune une portion d’une même ellipsoïde de révolution 29, l’ellipsoïde de révolution 29 étant définie par un grand axe, ledit grand axe étant un axe de révolution de l’ellipsoïde et étant défini par un demi-grand axe a, et deux petits axes égaux, définis par les demi-petits axes b et c tels que b=c, et comprenant un premier et un second foyer F1 et F2. L’équation de l’ellipsoïde 29 peut ainsi être établie de la manière suivante : Les deux miroirs 25 s’étendent longitudinalement entre le premier foyer F1 et le second foyer F2. Optionnellement, les deux miroirs 25 sont deux portions d’un même miroir ellipsoïdique de révolution. Dans un mode particulier de réalisation, les deux miroirs 25 s’étendent longitudinalement sur une distance supérieure à la moitié de la distance séparant les deux foyers F1 et F2. On entend par direction longitudinale une direction parallèle à la direction suivie par le grand axe de l’ellipsoïde de révolution 29. Le dispositif de mesure 19 comprend en outre un module d’émission de lumière 31 selon un axe principal d’émission 33 passant par le premier foyer F1, et un module de collecte de lumière 35 selon un axe principal de collecte 37 passant par le premier foyer F1. Dans un mode particulier de réalisation, le module d’émission de lumière 31 et le module de collecte de lumière 35 sont positionnés à une distance du premier foyer F1 inférieure à un quart du petit axe de l’ellipsoïde de révolution 29 de manière à maximiser la quantité de lumière collectée dans le module de collecte de lumière 35. Avantageusement, l’angle A entre l’axe principal d’émission de lumière 33 du module d’émission de lumière 31 et le grand axe de l’ellipsoïde de révolution 29 est égal à l’angle B entre l’axe principal de collecte 37 du module de collecte 35 et le grand axe de l’ellipsoïde de révolution 29, l’axe principal d’émission 33, l’axe principal de collecte 37 et le grand axe étant compris dans un même plan. Le dispositif de mesure 19 est configuré pour être positionné de sorte que le second foyer F2 de l’ellipsoïde de révolution 29 est positionné à la surface 23 de l’objet à mesurer 21. En particulier, le dispositif de mesure 19 comprend un espace libre 39 permettant l’approche d’un objet à mesurer 21 au niveau du second foyer F2. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure 19 comprend une structure 41 configurée pour supporter les deux miroirs 25, ainsi que le module d’émission de lumière 31 et le module de collecte de lumière 35 de manière solidaire entre eux. Optionnellement, le dispositif de mesure 19 comprend un moteur et un axe de rotation (non représentés) reliés à la structure et configurés pour incliner le grand axe et ainsi de suivre la courbure de l’objet à mesurer 21. Le module d’émission de lumière 31 comprend une source de lumière 43, par exemple une diode électroluminescente ou de préférence une source de lumière cohérente telle qu’un laser. Cette configuration à deux foyers F1 et F2 permet, de par les propriétés mathématiques d’une ellipsoïde de révolution 29, de garantir que tous les rayons lumineux passant par le premier foyer F1 passeront par le second foyer F2, et inversement. Ainsi, selon les dimensions de l’ellipsoïde de révolution 29, la focalisation n’est plus limitée à la position du waist 15 mais est disponible au second foyer F2, permettant de s’affranchir d’une distance faible entre le module d’émission de lumière 31 et l’objet à mesurer 21. Autrement dit, un premier waist est disponible au niveau du premier foyer F1, ledit premier waist étant imagé en un deuxième waist au niveau du second foyer F2, à son tour imagé en un troisième waist au niveau du premier foyer F1. Des objets chauds ou en mouvement sont alors plus facilement mesurables. L’ellipsoïde de révolution 29 permet également de s’affranchir partiellement de l’angle entre le grand axe et la surface de l’objet à mesurer. En effet, même si la surface est inclinée, un rayon lumineux issu du second foyer passera par le premier foyer et pourra être collecté par le module de collecte de lumière 35. Dans un mode d’utilisation du dispositif de mesure 19, de la lumière est émise par le module d’émission de lumière 31, cette lumière étant principalement dirigée vers le premier foyer F1. Cette lumière est ensuite réfléchie sur un miroir 25 vers le second foyer F2. La lumière interagit avec l’objet à mesurer 21 au niveau du second foyer F2 puis est réfléchie ou diffusée vers un miroir 25, puis à nouveau réfléchie vers le premier foyer F1. Le module de collecte 35 permet alors de collecter une grande partie de la lumière passant par le premier foyer F1. Le dispositif de mesure 19 est par exemple intégré dans un interféromètre ou un profilomètre. Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, un interféromètre comprend un bras optique de référence et un bras optique de mesure comprenant le dispositif de mesure 19. Une différence de marche entre le bras optique de référence et le bras optique de mesure peut ainsi être mesurée afin de mesurer une distance à laquelle se trouve l’objet à mesurer 21, ou un angle de sa surface, ou encore afin de contrôler un mouvement. En particulier, le module de collecte 35 envoie par exemple de la lumière vers un écran 45, tout comme le bras optique de référence, formant ainsi des interférences qui peuvent ensuite être étudiées pour finaliser la mesure. Dans un autre mode de réalisation, un profilomètre comprend un unique bras de mesure comprenant le dispositif de mesure 19 et un détecteur 47 relié au module de collecte de lumière 35. Le temps mis par la lumière entre son émission et sa détection par le détecteur 47 peut alors être étudié pour déterminer la distance à laquelle se trouve la surface 23, et donc pour déterminer un profil de surface 23. Dans un mode de réalisation, le module d’émission de lumière 31 comprend une fibre optique 48 guidant la lumière émise par la source de lumière 43, par exemple un laser, vers une extrémité de la fibre optique 48 débouchant à proximité du premier foyer F1. L’extrémité de la fibre optique est par exemple semblable à l’extrémité 1 présenté sur la , dont le waist 15 est préférentiellement positionné au niveau du premier foyer F1. La fibre optique 48 du module d’émission 31 est par exemple une fibre optique à maintien de polarisation, ce qui permet une biréfringence dans la fibre optique et la manipulation de deux modes d’émission de lumière orthogonaux. La fibre optique 48 du module d’émission 31 est par exemple monomode, permettant d’être particulièrement adapté pour la formation d’interférence, notamment dans un interféromètre, et comprend un cœur de diamètre compris entre 5 et 100 microns. Dans un mode de réalisation, le module de collecte de lumière 35 comprend une fibre optique 49 guidant la lumière collectée, par exemple vers un détecteur 47 ou un écran 45. La fibre optique 49 du module de collecte 35 est par exemple une fibre optique à maintien de polarisation. La fibre optique 49 du module de collecte 35 est par exemple monomode ou multimode, et comprend un cœur de diamètre compris entre 100 et 1000 microns afin de pouvoir collecter un maximum de lumière. Optionnellement, la fibre optique 49 du module de collecte 35 comprend un cœur étendu thermiquement (« thermally expanded core » en termes anglo-saxons) de manière à optimiser le couplage entre la fibre optique et l’espace libre dans lequel évolue la lumière entre le module d’émission 31 et le module de collecte 35, l’espace libre comprenant de l’air. L’extrémité de la fibre optique 49 du module de collecte 35 est par exemple semblable à l’extrémité 1 présenté sur la , à la différence qu’elle sert à collecter de la lumière plutôt qu’à en émettre. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif de mesure 19 comprend une lame de verre 51 plane à faces parallèles configurées pour être positionnée sur la surface 23 de l’objet à mesurer 21. On a représenté schématiquement sur la une lame de verre 51 plane configurée pour être positionnée sur la surface 23 de l’objet à mesurer 21. La lame 51 comprend une première surface 53 comprenant un revêtement anti-reflet et une deuxième surface 55 destinée à être en contact avec l’objet à mesurer 21, la deuxième surface 55 comprenant un traitement miroir. La lame de verre 51 permet de mesurer l’angle C entre la surface 23 de l’objet à mesurer 21 et la direction du grand axe. Pour cela, la mesure d’une différence de marche induite par la traversée de la lame de verre 51 par la lumière est nécessaire, cette mesure d’angle C ne fonctionnant que dans le cadre d’un interféromètre. Dans cette configuration, l’objet à mesurer 21 est positionné de sorte que le second foyer F2 est positionné dans la lame de verre 51. On a représenté schématiquement sur la un deuxième mode de réalisation du dispositif de mesure 19 identique au premier mode de réalisation, et dans lequel le module de collecte de lumière 35 comprend en outre une fibre optique 49 et une lentille de collecte 57 configurée pour focaliser un flux lumineux reçu depuis l’objet à mesurer 21 dans la fibre optique 49. Cette lentille de collecte 57 permet d’augmenter la quantité de lumière collectée. On a représenté schématiquement sur la un troisième mode de réalisation similaire aux premier et deuxième modes de réalisation, le dispositif de mesure 19 comprenant en outre deux miroirs plans 59 parallèles au grand axe et orthogonaux au plan comprenant l’axe principal d’émission 33, l’axe principal de collecte 37 et le grand axe. Les miroirs plans 59 sont respectivement positionnés à égal distance entre le premier foyer F1 et le module d’émission de lumière 31 d’une part, et le premier foyer F1 et le module de collecte de lumière 35 d’autre part. Les miroirs plans 59 permettent de créer une image du foyer F1 au plus proche des modules d’émission 31 et de collecte 35, et ainsi de maximiser la lumière collectée dans le module de collecte de lumière 35. De manière générale, les dimensions du demi-grand axe a et des demi-petits axes b et c influent sur les performances et sur la robustesse du dispositif de mesure face à un changement de distance entre le dispositif de mesure et l’objet à mesurer, ou face à un changement d’angle entre la surface 23 et le grand axe. Par exemple une ellipsoïde de révolution de demi-grand axe a = 15mm et de demi-petit axe b = c = 7 mm est plus sensible à un changement de distance qu’une ellipsoïde de révolution de demi-grand axe a = 15mm et de demi-petit axe b = c = 5 mm qui elle est plus sensible à un changement d’angle. Dispositif de mesure (19) caractérisé en ce qu’il comprend deux miroirs (25) coaxiaux comprenant chacun une surface réfléchissante (27), les surfaces réfléchissantes des deux miroirs étant positionnées l’une en face de l’autre et formant chacune une portion d’une même ellipsoïde de révolution (29), l’ellipsoïde de révolution (29) étant définie par un grand axe et deux petits axes égaux et comprenant un premier et un second foyer (F1, F2), les deux miroirs (25) s’étendant longitudinalement entre le premier foyer (F1) et le second foyer (F2), le dispositif de mesure (19) comprenant en outre un module d’émission de lumière (31) selon un axe principal d’émission (33) passant par le premier foyer (F1), et un module de collecte de lumière (35) selon un axe principal de collecte (37) passant par le premier foyer (F1), le dispositif de mesure (19) étant configuré pour être positionné de sorte que le second foyer (F2) de l’ellipsoïde de révolution (29) est positionné à la surface d’un objet à mesurer (21). Dispositif de mesure selon la revendication 1 dans lequel le module d’émission de lumière (31) comprend une source de lumière (43) laser. Dispositif selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel les deux miroirs (25) s’étendent longitudinalement sur une distance supérieure à la moitié de la distance séparant les deux foyers (F1, F2). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre une lame de verre (51) plane à faces parallèles configurée pour être positionnée sur la surface (23) de l’objet à mesurer (21). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le module de collecte de lumière (35) comprend une lentille de collecte (57) et une fibre optique (49), la lentille de collecte (57) étant configurée pour focaliser un flux lumineux dans la fibre optique (49). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le module d’émission de lumière (31) et le module de collecte (35) sont positionnés à une distance du premier foyer (F1) inférieure à un quart du petit axe de l’ellipsoïde de révolution. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’angle (A) entre l’axe principal d’émission de lumière (33) du module d’émission de lumière (31) et le grand axe de l’ellipsoïde de révolution (29) est égal à l’angle (B) entre l’axe principal de collecte (37) du module de collecte (35) et le grand axe de l’ellipsoïde de révolution (29), l’axe principal d’émission (33), l’axe principal de collecte (37) et le grand axe étant compris dans un même plan. Dispositif de mesure selon la revendication 7, comprenant en outre deux miroirs plans (59) parallèles au grand axe et orthogonaux au plan comprenant l’axe principal d’émission (33), l’axe principal de collecte (37) et le grand axe, les miroirs plans (59) étant respectivement positionnés à égal distance entre le premier foyer (F1) et le module d’émission de lumière (31) d’une part, et le premier foyer (F1) et le module de collecte de lumière (35) d’autre part. Interféromètre comprenant un bras optique de référence et un bras optique de mesure comprenant le dispositif de mesure (19) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Profilomètre comprenant un dispositif de mesure (19) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 et un détecteur (47) relié au module de collecte de lumière (35).