Procédé pour la mesure très précise de longueurs et installation pour sa mise en oeuvre
Les installations actuellement connues permettant de mesurer des longueurs avec le plus de précision comportent
a) un interféromètre dont l'un des miroirs est déplaçable;
b) une cellule photo-électrique captant les franges d'interférence;
c) un modulateur constitué par une grille entraînée dans un mouvement périodique de va-et-vient perpendiculaire au faisceau des rayons tombant sur la cellule photo-électrique et disposé devant cette dernière, de manière qu'un petit déplacement du miroir provoque un déplacement des franges d'interférence et donc, une variation proportionnelle du rapport des temps successifs s'écoulant entre deux maxima ou minima successifs de l'intensité lumineuse captée par la cellule photo-électrique
d) un appareillage électronique transformant les variations du courant de la cellule photo-électrique en impulsions de courant de très brèves durées ou instantanées
e) un appareillage de mesure commandé par ces impulsions de courant et rendant visible la variation du rapport des temps successifs s'écoulant entre deux maxima ou minima successifs de l'intensité lumineuse,
captée par la cellule photo-électrique. En conséquence, cet appareillage de mesure traduit l'inégalité des temps s'écoulant entre les impulsions instantanées émises au cours d'une période complète du mouvement de va-et-vient de la grille, en mesure du déplacement du miroir mobile par rapport à une position choisie comme origine.
Une installation de ce genre est décrite dans le brevet N" 299742 et des appareillages électroniques et de mesure sont décrits dans les brevets Nos 224987, 281171, 257310, 280542. Ce genre d'installation et d'appareillage est donc considéré comme connu, de sorte qu'il est inutile de les décrire en détail ici.
Ces installations présentent toutefois l'inconvénient que les intensités lumineuses captées par la cellule photo-électrique sont faibles, ou bien que les contrastes entre les maxima et les minima successifs de l'intensité lumineuse restent peu prononcées, de sorte que la possibilité de créer des interférences mesurables se restreint aux faibles a différences de marche et limite par conséquent la longueur mesurable dont on peut déplacer le miroir mobile.
La présente invention a pour objet un procédé pour la mesure très précise de longueurs selon lequel on définit le déplacement d'un objet lié à l'un des miroirs d'un interféromètre, par la mesure de la variation du temps s'écoulant entre deux valeurs extrêmes successives de l'intensité lumineuse, modulée périodiquement par déplacement de franges d'interférence et captées par une cellule photo-électrique. Ce procédé tend à remédier à l'inconvénient cité et donc à allonger considérablement la course mesurable du miroir à déplacer, par le fait que la disposition décrite ci-dessous a le meilleur rendement lumineux théoriquement possible et provoque les contrastes les plus marqués entre les minima et les maxima de lumière frappant la cellule.
Il consiste à éclairer les miroirs de l'interféromètre par des rayons monochromatiques et règle les positions relatives des organes de cet interféromètre, de manière à obtenir un éclairage sensiblement homogène des champs observés par étalement à l'infini des franges d'interférence et par le fait qu'on module l'intensité lumineuse du champ des interférences par une modification périodique du chemin optique parcouru par les rayons de l'un au moins des deux faisceaux de rayons interférant entre eux.
L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé et qui comprend un interféromètre et un modulateur de l'intensité lumineuse par déplacement de franges d'interférence. Cette installation se distingue des installations connues par le fait que les miroirs de l'interféromètre sont disposés l'un par rapport à l'autre et par rapport à une source de rayons monochromatiques d'intensité lumineuse constante, de manière à obtenir un éclairage sensiblement homogène du champ observé,
par étalement à l'infini des franges d'interférence et par le fait que le modulateur est disposé sur le parcours de l'un au moins des deux faisceaux de rayons interférant entre eux et provoque une variation périodique du chemin optique parcouru par les rayons de l'un au moins des deux faisceaux de rayons interférant entre eux.
La figure unique du dessin annexé représente, à titre d'exemple, une vue perspective schématisée des organes d'une installation. selon l'invention.
Selon la forme d'exécution représentée, l'installation comporte
a) un interféromètre I comprenant une source lumineuse monochromatique S, un dispositif optique O formant un faisceau de rayons parallèles, un dispositif séparateur P comportant une surface c semi-réfléchissante formant un angle de 450 avec l'axe optique x du dispositif optique O et deux miroirs m1 et m2 dont l'un est fixe, tandis que l'autre est mobile suivant l'axe a du faisceau de rayons incidents.
b) un appareillage électronique Il comportant une cellule photo-électrique b et un dispositif électronique d transformant les variations du courant de la cellule photo-électrique en impulsions électriques instantanées.
c)
un appareillage de mesure III comportant un instrument de mesure de courant continu i présentant une grande inertie et un inverseur e du sens d'écoulement du courant, commandé par les impulsions de courant émises par l'ap pareillage électronique.
Tous ces organes et éléments étant connus et décrits en détail dans les brevets mentionnés, ne seront pas décrits plus en détail ici.
Les organes de l'interféromètre ainsi que la cellule photo-électrique b sont montés sur un bâti 1 portant une glissière 2. Un chariot 3 portant le miroir mobile m1 et une division r, est déplaçable le long de cette glissière et en regard d'une règle divisée de précision (non représentée). Cette division r est gravée dans une surface 6 perpendiculaire au plan du miroir m, et située approximativement dans le plan médian longitudinal du miroir m. La surface 6 et le miroir m1 font partie d'un support 7 dépla çable par rapport au chariot 3. Les déplacements de ce support 7 sont commandés par un dispositif d'actionnement à magnétostriction MS.
Ce dispositif comporte
a) un cylindre 8 en acier nickel à 60 O/o dont l'axe est parallèle à l'axe a du faisceau des rayons tombant sur le miroir m,. L'extrémité antérieure de ce cylindre, munie d'une joue d'extrémité 9 en acier doux, est fixée rigidement sur le chariot 3 par des organes de fixation 10.
b) un noyau 1 1 en nickel pur, coaxial au cylindre 8 et dont l'extrémité postérieure est fixée rigidement à une joue d'extrémité 12 en acier doux fixée rigidement à l'extrémité postérieure du cylindre 8. L'extrémité antérieure du noyau
11 traverse librement la joue 9-par une ouverture 13 pratiquée dans cette dernière, et porte le support 7 ;
c) un enroulement 14 logé entre le cylindre 8 et le noyau 1 1 est alimenté en courant continu particulièrement bien stabilisé.
A cet effet, le circuit d'alimentation de cet enroulement comprend un redresseur 15 branché sur un réseau de distribution R et un stabilisateur 16. Une résistance réglable 17 permet de modifier la valeur du courant d'alimentation.
Ainsi, le champ magnétique engendré par le courant circulant dans l'enroulement 13 provoque un allongement du cylindre 8 et une contraction du noyau 11. Par contre, l'échauffement dû à ce même courant provoque un allongement du cylindre et du noyau. Or, il est aisé de se rendre compte que grâce au montage prévu du noyau 11 dans le cylindre 8 et de ce cylindre sur le chariot 3, les allongements et contractions du cylindre et du noyau, dus à la striction m.a- gnétique, s'additionnent, tandis que les allongements du cylindre et du noyau dus à l'échauf- fement, s'annulent. En conséquence, par simple modification du courant d'alimentation de l'enroulement 13, il est possible de provoquer des déplacements du support 7 le long de l'axe a dont les amplitudes sont aussi petites qu'on le désire.
L'installation présente encore un modulateur
MO engendrant une modification périodique du chemin s parcouru par le faisceau de rayons frappant le miroir fixe m2.
Ce modulateur comporte un coin en verre 18 porté par un axe 19 solidaire de membranes souples 20 fixées rigidement. sur le bâti 1. Cet axe, disposé parallèlement au plan du miroir m-, est actionné dans un mouvement de va-et-vient périodique par un dispositif électro-dynamique
E. Ce dispositif comporte
a) une bobine mobile 21 portée par l'axe 19 et alimentée en courant alternatif par le réseau R ;
b) un carter 22 en acier doux muni d'une ouverture circulaire 23 dans laquelle est engagé un noyau 24 porté par un aimant permanent 25 fixé au carter. La bobine 21 est engagée librement dans l'entrefer circulaire ménagé entre le noyau 24 et le bord de l'ouverture 23.
I1 est clair que les variations pérodiques de l'intensité du courant traversant la bobine 21 plongée dans le champ magnétique de l'entrefer, engendrend un mouvement de va-et-vient périodique du coin de verre 18.
Le fonctionnement de l'installation décrite est le suivant
Lorsque la source S est alimentée en courant continu, le faisceau de rayons parallèles sortant du dispositif optique O est divisé par la surface semi-réfléchissante c en deux faisceaux venant frapper les miroirs m1 et m2. Ces faisceaux sont réfléchis par ces miroirs et réunis par la surface semi-réfléchissante c en un faisceau de rayons d'axe y, capté par la cellule photo-électrique.
Or, si les miroirs m1 et m2 sont, d'une part, absolument plans et, d'autre part, absolument parallèles aux fronts des ondes incidentes, on obtient un étalement à l'infini des franges d'interférence, de sorte que l'éclairage des champs observés par un observateur situé à la place de la cellule b, est sensiblement homogène.
Dans ces conditions et en admettant que le modulateur ne soit pas en action, un déplacer ment linéaire à vitesse constante du miroir m1 provoque une variation sinusoïdale de l'intensité d'éclairage du champ observé et donc de l'intensité lumineuse captée par la cellule photoélectrique b. Cette intensité lumineuse passe alors par un maximum lorsqu'il y a concordance de phase sur la surface semi-réfléchissante entre les deux faisceaux de rayons réfléchis par les miroirs m1 et m2 et par un minimum lorsqu'il y a opposition de phase. L'amplitude du déplacement du miroir m, nécessaire pour passer d'un maximum d'intensité lumineuse au maximum suivant est évidemment égale à la demi-longueur d'ondes de la source lumineuse monochromatique.
En effet, la longueur du chemin optique parcouru par le rayon incident et réfléchi subit une variation égale au double du déplacement du miroir.
Si maintenant le miroir mobile m, est réglé dans une position telle le long de la glissière 2, que lorsque le coin de verre 18 est dans sa position médiane, l'intensité lumineuse captée par la cellule photo-électrique b soit maximum et qu'on mette alors le modulateur en action, on obtient une variation périodique de l'intensité lumineuse captée par la cellule. En modifiant la tension d'alimentation de la bobine 21 on peut t faire en sorte que l'intensité lumineuse captée par la cellule soit minimum pour les deux positions extrêmes du coin 18.
Dans ces conditions, les temps successifs qui s'écoulent entre deux maxima successifs d'intensité lumineuse sont égaux. I1 s'ensuit que l'appareillage électronique, qui émet une impulsion électrique chaque fois que l'intensité lumineuse atteint un maximum, émet des impulsions électriques à intervalles de temps réguliers. Chaque impulsion électrique émise, provoque l'inversion du sens de l'écoulement d'un courant continu dans l'instrument de mesure i. Les impulsions électriques étant émises à intervalles de temps réguliers, les temps d'écoulement du courant dans un sens et dans l'autre à travers l'instrument de mesure sont égaux entre eux.
Du fait de l'inertie de cet instrument de mesure qui l'empêche de suivre les inversions du courant, son équipage mobile prend une position d'équilibre qui est fonction du rapport des temps d'écoulement du courant dans un sens et dans l'autre. En conséquence, lorsque ces temps sont égaux, ce rapport est égal à l'unité et l'équipage mobile reste dans sa position de repos correspondant au zéro de l'échelle de cet instrument.
Par contre, le plus petit déplacement du miroir m1 hors de la position définie plus haut, provoque un déplacement du maximum de l'intensité lumineuse captée par la cellule par rapport au mouvement périodique du coin de verre 18.
Le maximum d'intensité lumineuse se produisant pour une position asymétrique du coin de verre, les temps successifs s'écoulant entre les maxima successifs d'intensité lumineuse au cours d'une oscillation complète du coin de verre 18 sont inégaux. En conséquence, les impulsions électriques sont émises à des intervalles de temps inégaux et l'instrument de mesure i indique le rapport de ces intervalles de temps successifs, qui est fonction du déplacement du miroir ml. Il est clair que dans une variante d'exécution de l'installation décrite, I'appareil lage électronique pourrait émettre une impulsion électrique chaque fois que l'intensité lumineuse captée par la cellule b atteint périodiquement une valeur extrême maximum ou minimum.
Les essais effectués ont permis de constater qu'il est possible, à l'aide de l'installation décrite, de déterminer un maximum ou un minimum d'éclairage et donc une position exacte du miroir m1 avec une précision égale val/1000 et même à 1/10.000 de frange, à condition que la lumière soit réellement monochromatique et que les surfaces optiques soient parfaitement planes.
Le remplacement d'une frange par une autre au cours du déplacement du miroir m, est donc repérable avec une précision extrêmement grande grâce à la réapparition d'impulsions électriques émises à intervalles de temps réguliers, c'est-à-dire de situations identiques ou symétrique. Cette régularité ou symétrie peut être utilisée pour actionner un compteur électrique C. Ce compteur indique alors le nombre de franges (donc de demi-longueurs d'ondes) qui se sont succédé entre deux positions définies du miroir 'n1.
Ce compteur est actionné d'une unité chaque fois que les impulsions émises par l'appareillage électronique d sont équidistantes dans le temps. Pour cela, il suffit de superposer aux impulsions électriques émises par l'appareillage électronique d, des signaux électriques émis en permanence à intervalles de temps réguliers par un dispositif émetteur f alimenté par le réseau
R. Chaque fois qu'il y a coïncidence entre les impulsions électriques et les signaux électriques, ceux-ci s'additionnent et actionnent le compteur.
Dans ces conditions, la vitesse de déplace- ment du miroir m1 doit être au plus égale à la vitesse nécessaire pour passer d'une frange à la frange suivante au cours d'une période du oourant d'alimentation du réseau R. Pour un réseau à 50 périodes, cette vitesse est d'environ 0,3 u par 1/50 seconde soit 0,9 millimètres par minute.
L'installation décrite peut être utilisée de la manière suivante
Une règle étalon est placée parallèlement à la glissière 2 et le tout est placé dans un comparateur de type connu et utilisé actuellement dans les principaux laboratoires de métrologie. A l'aide des deux microscopes de ce comparateur, - qui peuvent être du type optique habituel ou aussi du type photo-électrique décrit dans les brevets suisses Nos 280542 et 281171 déjà cités - on repère une longueur sur la règle, longueur définie par l'intervalle entre deux divisions. Sans modifier l'intervalle entre les deux microscopes, on transporte cet intervalle ainsi défini, dans l'axe des déplacements du miroir m,. On centre alors ce miroir ml, premièrement sous l'un, puis sous l'autre microscope.
Les déplacements de réglage fin sont obtenus par modification de la résistance 17 qui provoque l'actionnement du miroir m, par l'effet de la striction magnétique.
Le miroir m1 est déplacé d'un nombre entier exact de longueurs d'ondes ce qui est possible soit en les comparant au compteur C, soit, ce qui est beaucoup plus simple en pratique, grâce à la connaissance approximative préalable des intervalles des traits sur la règle. La lecture de l'instrument i permet de garantir avec une très haute précision que le déplacement s'est fait d'un nombre entier et non fractionnaire de longueurs d'ondes. Comme il y a forcément un certain écart entre la longueur de la règle et la plus proche longueur mesurée sur l'interféromètre en longueurs d'ondes entières, il est nécessaire que les microscopes faisant la comparaison, permettent de lire cet écart avec un tarage précis.
Pour vérifier ce tarage, il suffit d'avoir préalablement visé avec un microscope la division r du miroir m1 et d'avoir déplacé d'une ou de quelques longueurs d'ondes le miroir ml, au moyen du dispositif à magnétostriction, tout en lisant simultanément la correspondance des mesures faites sur l'instrument i en longueur d'ondes entières et dans le microscope à tarer en divisions de leur réticule s'il s'agit de microscopes optiques ou de leur indicateur électronique s'il s'agit de microscopes photo-électriques.
Une forme d'exécution de l'installation a été décrite ici à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, mais il est clair que de multiples variantes peuvent être prévues. Le modulateur, par exemple, pourrait être placé sur le chemin optique des faisceaux de rayons tombant sur le miroir mobile m1 et réfléchis par celui-ci. Le modulateur pourrait être constitué par l'un des miroirs ml ou m2 actionné dans un mouvement périodique de va-et-vient suivant un axe perpendiculaire à son plan au moyen, par exemple, du dispositif électrodynamique E, ou d'un dispositif à magnétostriction alimenté en courant alternatif.
L'amplitude du déplacement du miroir doit alors être égale à une demi-longueur d'ondes de la lumière monochromatique utilisée afin de provoquer une variation périodique de la longueur du chemin optique égale à une longueur d'ondes.
Le modulateur pourrait aussi être constitué par une plaque rotative présentant des plans non parallèles ou par un corps dont on modifie périodiquement l'indice de réfraction par modification périodique d'un facteur physique, par exemple la pression agissant sur ce corps. En résumé, le modulateur peut être constitué par tout dispositif permettant de modifier périodiquement le chemin optique d'un faisceau de rayons.
L'appareillage de mesure peut comprendre, d'une part, une source lumineuse alimentée par les impulsions instantanées émises par l'appareillage électronique d et, d'autre part, un dispositif stroboscopique comprenant une échelle et des repères rotatifs permettant de rendre visibles les différences des temps s'écoulant entre les éclairs émis par la source lumineuse. Un tel dispositif de mesure étant décrit dans le brevet suisse N" 224987, il est inutile de le décrire en détail ici.
L'apareillage de mesure peut également comprendre un oscillographe alimenté par les impulsions instantanées. Un tel oscillographe peut, comme décrit dans le brevet suisse No 281171, comporter un tube à rayons cathodiques dont le spot se déplaçant en synchronisme avec l'organe modulateur est influencé par les impulsions émises par le dispositif électronique.
REVENDICATIONS:
I. Procédé pour la mesure très précise de longueur selon lequel on définit le déplacement d'un objet lié à l'un des miroirs d'un interféromètre, par la mesure de la variation du temps s'écoulant entre deux valeurs extrêmes successives de l'intensité lumineuse, modulée périodiquement, par déplacement de franges d'interfé- rence et captée par une cellule photo-électrique, caractérisé par le fait qu'on éclaire les miroirs de l'interféromètre par des rayons monochromatiques et règle les positions relatives des organes de cet interféromètre,
de manière à obtenir un éclairage sensiblement homogène des champs observés par étalement à l'infini des franges d'interférence et par le fait qu'on module l'intensité lumineuse du champ des interférences par une modification périodique du chemin optique parcouru par les rayons de l'un au moins des deux faisceaux de rayons interférant entre eux.
II. Installation pour la mise en oeuvre du procédé et comprenant un interféromètre et un modulateur de l'intensité lumineuse par déplacement de franges d'interférence, caractérisé par le fait que les miroirs de l'interféromètre sont disposés l'un par rapport à l'autre et, par rapport à une source de rayons monochromatiques d'intensité lumineuse constante, de manière à obtenir un éclairage sensiblement homogène du champ observé par étalement à l'infini des franges d'interférence et par le fait que le modulateur est disposé sur le parcours de l'un au moins des deux faisceaux de rayons interférant entre eux et provoque une variation périodique du chemin optique parcouru par les rayons de l'un au moins des deux faisceaux de rayons interférant entre eux.