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CA 02680015 2009-09-03
WO 2008/110721 1 PCT/FR2008/050178
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,
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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 acousto-
optique 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.
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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 LI suivie d'une lentille L2 et d'une
fibre multimode 12. La sortie de la fibre multimode 12 est reliée à une
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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 LI et L2.
Sur la figure la, on a représenté la structure générale d'un
dispositif de positionnement selon l'invention. Il 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
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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
5 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 L1 et L2 et par rapport à la fente F. Les
faisceaux sont alors focalisés par la lentille LI 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
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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 génèrera 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.
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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.
Il 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.
Il 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, chaqué paire de faisceaux permettant de
déterminer le déplacement du trou selon une direction dans la limite
du diamètre dudit trou.
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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.
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