Les deux voies classiques de la métrologie, la règle et l'interféromètre ont chacun des défauts bien connus qui en rendent l'utilisation parfois aléatoire, parfois impossible.
En bref, un interféromètre (Michelson, Posters, etc.), subdivise un déplacement en fraction de longueurs d'ondes. Mais ces fractions de longueurs d'ondes (les franges ) ne sont jamais des multiples exacts du système de mesure employé. Il faut transformer les écarts de franges (en ,um par exemple). C'est une complication ennuyeuse. Il y a pire. Les variations de longueurs d'ondes provenant d'une source (en général un laser He Ne) sont provoquées non seulement par l'instabilité de la fréquence du laser qui doit alors être stabilisé, ce qui est coûteux, mais encore et surtout
par les changements perpétuels de l'indice de réfraction de l'air.
On a proposé un grand nombre de solutions pour pallier ces inconvénients. Mais l'expérience prouve que l'utilisation d'interféromètres pour mesurer un déplacement reste peu praticable dans la technique industrielle.
La règle classique, c'est-à-dire comportant une division à traits fins, situés à des intervalles réguliers, a une lacune. Les positions intermédiaires entre deux traits doivent être interpolées.
Pour résoudre ce problème, on a proposé des solutions nombreuses qui sont souvent soit lentes, soit compliquées, soit imprécises.
Or, un problème qui se pose pour les fabricants de machines de haute précision est de pouvoir déterminer la position d'un organe mobile avec une précision au moins égale à +1 um pour les machines à usiner et de +0,1 llm pour les machines à mesurer.
Les solutions proposées ou réalisées peuvent se classer dans les catégories principales suivantes:
a) Les interférences lumineuses. Leur sensibilité à l'ambiance les rend inutilisables hors des laboratoires.
b) Les règles divisées (par exemple traits de 10 llm tous les mm) exigent un interpolateur très fin dont l'action est précise mais lente si la lecture est laite par une exploration optique ou si la règle est électrique (par exemple inductosyr Farrand) I'interpolation très fine devient aléatoire.
c) Les règles divisées finement que nous appellerons reseaux.
L'avantage des réseaux est qu'ils exigent une interpolation moins fine pour déterminer une position précise. Idéalement, il faudrait qu'il n'y ait pas d'interpolation du tout, ce qui voudrait dire que le pas du réseau devrait être de 2 ,um pour les machines à usiner et de 0,2 llm pour les machines à mesurer.
Ces finesses de division sont irréalisables par les procédés usuels.
Le but de la présente invention est de proposer un système qui soit en même temps suffisamment fin pour que les besoins des fabricants de machines soient satisfaits et suffisamment simple pour être praticable.
La présente invention a pour objet un procédé de mesure des déplacements d'une règle de précision graduée, caractérisé par le fait qu'on crée un champ d'ondes stationnaires à trois dimensions par le croisement de deux faisceaux de lumière monochromatique issus de la même source, l'interfrange des ondes stationnaires étant égal à l'intervalle séparant deux graduations successives de la règle, qu'on dispose dans ce champ d'ondes stationnaires la règle de précision de manière que la face graduée de celle-ci soit perpendiculaire au plan bissecteur des faisceaux se croisant, et par le fait qu'on recueille la lumière, réfléchie ou transmise, modulée par le déplacement de la règle par rapport au champ d'ondes stationnaires sur une cellule photo-électrique.
Cette invention a également pour objet un dispositifpour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte un prisme de Posters dont l'interface semi-transparent est disposé perpendiculairement à la face graduée de la règle de précision, une source de lumière monochromatique éclairant une des faces latérales du prisme, et au moins une cellule photo-électrique recevant les rayons réfléchis par la règle.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple une mise en oeuvre particulière du procédé objet de l'invention et un moyen pour sa mise en oeuvre.
La fig. 1 illustre le principe du procédé de mesure.
La fig. 2 illustre un dispositif pour la réalisation du procédé de mesure.
La fig. 3 est un détail d'une variante du dispositif illustré à la fig. 2.
Pour expliquer clairement le principe du procédé décrit, il faut se représenter une règle en verre métallisé divisée par exemple en mm ou en fraction de mm, de manière à obtenir des zones étroites transparentes, ce qui est parfaitement classique et s'obtient sur une machine à diviser habituelle.
L'interpolateur est constitué par un petit interféromètre placé perpendieulairement au plan de la règle et réglé de manière à créer dans l'espace un champ d'ondes stationnaires à 3 dimensions dont l'interfrange (ajustable) est égal à l'intervalle séparant deux graduations consécutives de la règle.
En observant le champ des ondes stationnaires à travers les divisions de la règle, on verra, en déplaçant la règle longitudinalement, une série de coïncidences entre les traits transparents et les régions alternativement lumineuses et sombres des ondes stationnaires.
Une cellule photo-électrique, en recueillant la lumière ainsi modulée dans l'espace et qui traverse la règle, donne un courant modulé dans le temps lorsqu'on déplace la règle.
Il est clair que si l'on a par exemple 100 ondes stationnaires entre deux traits de la règle, il y a 100 éclairages et extinctions lorsque la règle se déplace de la longueur d'une de ses divisions.
Les conditions de fonctionnement sont les suivantes:
11 faut que le plan divisé de la règle se déplace dans l'espace où les ondes stationnaires existent.
Il faut que les traits de la règle soient de largeur égale ou inférieure au demi-interfrange des ondes stationnaires.
Par exemple, 100 ondes stationnaires entre deux traits millimétriques impliquent que les traits soient de 5 um de large au plus.
Il faut relever les caractéristiques suivantes de cette disposi tion:
1. Pour créer le champ d'ondes stationnaires à 3 dimensions, il suffit de croiser deux faisceaux issus de la même source sous un angle qui dépend du pas choisi. La bissectrice de cet angle sera sensiblement perpendiculaire au plan de la règle.
2. Les ondes staionnaires existent dans toute la région où les faisceaux se croisent. Elles sont des plans parallèles entre eux et à la bissectrice des faisceaux si les faisceaux sont cylindriques.
Dans ce cas, la position le long de la bissectrice est sans influence. II n'y a donc pas de mise au point optique à faire comme dans le cas d'un objectif formant une image.
Si les faisceaux sont deux cônes identiques, les ondes stationnaires seront des surfaces non parallèles, ce qui change l'interfrange des ondes selon la position du plan intercepteur. On peut donc, dans ce cas, modifier finement le pas ou infrange d'interpolation en déplaçant l'interféromètre par rapport à la règle. Ceci sans préjudice du réglage des angles des faisceaux. Le pas est réglable (théoriquement) entre l'infini (teinte plate, faisceaux parallèles) et la longueur d'onde de la lumière utilisée (faisceau antiparallèle), soit une variation d'angle de 0 à 180'.
Mais il est évident que pratiquement il n'y a, dans ce cas, aucun intérêt à avoir des ondes stationnaires larges et aucune possibilité d'examiner des ondes stationnaires issues de deux faisceaux opposés et qui deviennent parallèles à la règle.
Avec un angle proche de 18 entre les deux faisceaux (pour k=0,628 ,um) on obtient une zone profonde où les ondes stationnaires sont espacées de 2 llm, ce qui permet de compter des pas de
I um avec un compteur alimenté par la cellule couplée à un amplificateur symétrique (les traits de la règle doivent avoir une largeur de 1 um au plus).
Les traits de la règle peuvent être espacés, soit au minimum d'un intervalle égal à l'interfrange des ondes stationnaires, soit au maximum d'un multiple exact de l'interfrange des ondes stationnaires, mais qui ne soient pas plus longs que le diamètre de la zone où les deux faisceaux se croisent, ceci pour assurer la continuité du comptage.
Si le comptage doit être fait dans les deux sens, il faut avoir deux modulations décalées d'un quart de pas, ce qui peut se faire.
par exemple, en utilisant deux groupes décalés.
La modulation produite par le déplacement est sinusoïdale, ce qui permet par voie électronique d'obtenir une interpolation supplémentaire à l'intérieur d'une onde stationnaire.
On peut aussi, en inclinant les ondes stationnaires par rapport à la règle, créer des franges de moirure qui, coïncidant ellesmêmes avec un réticule, permettent d'obtenir une interpolation plus fine que l'interfrange des ondes stationnaires.
La coïncidence entre une règle à réseau aussi serré que les ondes stationnaires et celle-ci permettrait d'avoir une meilleure valeur moyenne des positions et un meilleur rendement lumineux que si la règle est classiquement divisée par intervalles beaucoup plus larges que les traits fins, cela aussi bien pour une coïncidence parallèle que pour des franges de moirure.
Pour obtenir des ondes stationnaires dans l'espace il suffit, par exemple, d'utiliser un prisme de Posters en inclinant le rayon entrant de manière que les deux rayons sortants se croisent sous l'angle voulu. C'est donc simple et cela n'exige pas d'optique complexe.
La création locale des ondes stationnaires donne un réseau sinusoïdal, net et contrasté. Toute la lumière est utilisée et la profondeur de champ est considérable par rapport à, par exemple. un réticule divisé qui, projeté par une optique réductrice. donnerait alors une image non plane, déformée et peu contrastée.
De même, amener un réticule divisé de 2 um en 2 m suffisamment près d'une règle pour que la lumière ne diffuse pas. sans toucher la règle, est pratiquement impossible.
Les ondes stationnaires ne sont relativement droites, équidistantes et parallèles que si le front d'onde est plan et les éléments de l'interféromètre plats.
Si l'on pose la condition que les intervalles soient assez bien définis pour que l'on puisse encore les interpoler à 1/10 prés, cela signifie que la planéité des fronts d'onde doit être meilleure que 1/10 de frange, ce qui correspond à une bonne optique courante.
Par conséquent, une interpolation par interférence d'une règle divisée par exemple tous les 100 llm ayant des traits de 1 llm, avec un champ d'ondes stationnaires espacées de 2 um, donne une interpolation numérique de 1 zm en I llm avec une optique plane à 1/2 frange, tandis que, si l'on veut encore interpoler soit par franges de moirure avec un réticule secondaire, soit électroniquement en 1/10 llm, il faut que la planéité de l'optique sur la surface utilisée soit assurée à 1/20 frange, ce qui est tout à fait raisonnable.
Les franges de moirure, elles, étant distantes de par exemple 200 um, il est facile de les superposer à un réticule qui ne soit pas trop prés de la règle ou même d'en faire une image avec un objectif courant.
L'interfrange d'ondes stationnaires est conditionné par l'angle des faisceaux qui interfèrent et par la longueur d'onde qui change spontanément, soit par écarts de fréquences dans le laser, soit par changement de l'indice de l'air.
Il est clair que tout ce qui a été proposé pour la stabilisation des interféromètres longitudinaux peut être appliqué à cet interféromètre transversal . Mais, par le fait que les erreurs ne sont cumulées que sur l'intervalle d'une division de la règle, il en résulte, et c'est là un avantage de cette disposition, que les erreurs provenant des causes mentionnées plus haut sont pratiquement négligeables.
En effet, si l'on ne prend aucune précaution pour stabiliser le laser et l'indice de l'air, la longueur d'onde pourrait avoir une variation relative de l'ordre de 10 4.
Dans le cas d'un interféromètre classique mesurant un mètre, cela correspond à une erreur de la mesure de longueur de 10 4 mètre soit de 100 ,um. Dans le cas d'une règle interpolée de mm en mm, cela correspond à une erreur de 10 4 mm, soit 1/10 de ,um ou, si la règle est subdivisée en 1/10 mm, à une erreur de 0,1.104 mm, soit 1/100 llm (pour n'importe quelle longueur totale de règle) et si la règle est un réseau du même pas que les ondes stationnaires, L'erreur est nulle. Les erreurs de division de la règle peuvent être déterminées par un étalonnage, et peuvent être corrigées à partir d'une mémoire quelconque, par exemple une came de correction.
En résumé, la règle peut être interpolée d'une manière simple et précise et sans que cette interpolation fluctue d'une manière imprévisible.
La fig. 1 illustre le principe de ce procédé: la et lb sont deux faisceaux monochromatiques convergents qui créent dans la région où les faisceaux se croisent un champ d'ondes stationnaires à 3 dimensions 2. La règle 3 est transparente dans cet exemple et elle comporte une couche opaque 4 dans laquelle sont tracées des fentes transparentes 5. Une ou plusieurs de ces fentes se trouvent dans le champ où il y a des ondes stationnaires. Si la ou les fentes sont centrées sur une frange claire, il passera plus de lumière que si la ou les fentes sont centrées sur une frange obscure.
La distance entre deux fentes doit être inférieure à la longueur couverte par le champ total des ondes stationnaires pour qu'il n'y ait pas de lacune pendant le déplacement.
Dans une application particulière du procédé on utilise un réseau qui a, par exemple. un pas de 2 llm, divisé sur une règle métallique réfléchissante. La possibilité d'obtenir un tel réseau par marquage de la surface au moyen d'interférence à très haute puissance est décrite dans un autre brevet. La règle doit être en général métallique pour que sa dilatation thermique soit proche de celle de la machine et des pièces à usiner ou à mesurer. Le pas de 2 m n'est qu'un exemple. mais il est un exemple typique, car en comptant les noirs et les blancs de la division on obtient une finesse de pas de 1 llm et parce qu'une interpolation facile à 1/10 permet de déterminer une position 0,1 llm près.
Un pas plus fin que 2 llm serait plus délicat à obtenir et un pas plus large exigerait une interpolation plus poussée donc moins sûre.
Le réseau est introduit dans la région où se croisent deux faisceaux monochromatiques et cohérents d'une lumière continue.
Les faisceaux se croisent sous un angle tel que les ondes stationnaires parallèles dans l'espace ont un pas identique au réseau (par exemple 2 clam). Il est clair que si les franges éclairées tombent sur les zones réfléchissantes du réseau, toute la lumière est renvoyée.
Si les franges éclairées du réseau tombent sur les zones non réfléchissantes, la lumière sera diffusée. On peut obtenir ainsi une modulation de la lumière réfléchie (ou transmise aussi, dans le cas d'une règle ayant des zones réfléchissantes et des zones transparentes) qui est très intense. Lorsqu'il existe un mouvement relatif de la règle par rapport à la région où sont produites les franges ou ondes stationnaires, la lumière fluctue selon une fonction sinusoïdale à laquelle se superpose un certain niveau de la lumière continu.
Une ou plusieurs cellules photo-électriques rapides permettent de transformer les signaux lumineux en signaux électriques et. par conséquent, de compter le nombre de fluctuations pendant un déplacement et de compenser la composante continue (voir fig. 2).
Le fait que les signaux lumineux (et électriques) sont sinusoïdaux facilite énormément les éventuelles interpolations qui s'obtiennent classiquement en combinant deux signaux décalés d'un quart de pas et issus par exemple de deux lecteurs décalés d'un quart de pas. L'interpolation est alors une mesure de la phase du signal combiné par rapport à un des signaux originels. De même, classiquement, I'existence de deux trains de signaux décalés d'un quart de phase permet de compter le passage des signaux en tenant compte du sens de déplacement.
Se référant à la fig. 2, le dispositif comporte un prisme de Posters 6, c'est-à-dire deux prismes à 30 au sommet avec couche semi-réfléchissante 7.
Le faisceau de lumière a + b est parallèle, cohérent et monochromatique. II est typiquement issu d'un laser HeNe. Il se sépare en deux faisceaux a et b qui en se croisant forment un champ d'ondes stationnaires planes fp dont on règle le pas en modifiant l'angle a.
La règle 8 qui est un réseau de même fréquence spatiale que fp réfléchit ou ne réfléchit pas les faisceaux a' et b' suivant son décalage.
Les faisceaux a' et b' se rejoignent sur la cellule 10 après avoir été condensés par la lentille 9.
Les interférences qui se produisent entre les faisceaux a' et b' sont fixes et ne sont pas modulées par le déplacement de la règle/réseau 8. Elles n'ont aucune influence sur le fonctionnement, la règle 8 n'étant jamais assez plate pour pouvoir créer une teinte plate et éteindre l'éclairage par annulation réciproque des faisceaux a' et b'. On peut toujours créer une légère asymétrie pour éviter ce cas extrême. Les avantages de cette disposition sont:
a) Les ondes stationnaires ou franges produites sont aussi fines qu'on le désire tout en conservant un grand contraste. Ce qui est impossible en formant une image d'un réseau existant par une optique sphérique formant une image.
b) La zone où les franges existent est tellement étendue ou profonde que la position du niveau de la règle n'est absolument pas critique.
c) La récupération des faisceaux modulés se fait du même côté de la règle que l'éclairage. Cette commodité est telle qu'il est possible de négliger les faisceaux traversant dans le cas d'une règle réfléchissante/transparente. Rappelons qu'en pratique ce sont surtout les règles métalliques opaques et réfléchissantes qui sont utili sées.
d) Le dispositif est d'une extrême simplicité et comporte moins d'éléments que d'autres solutions proposées.
e) Il est facile en glissant un verre plan parallèle 1 1 dans la moitié de l'épaisseur d'un faisceau ou des deux faisceaux de créer une zone déphasée de la quantité voulue. Dans ce cas le faisceau de retour a' + b' sera aussi dédoublé et par un procédé classique de séparation par deux miroirs déviateurs (non représentés) et deux cellules de réception, on obtient les deux signaux désirés pour un comptage réversible ou une interpolation (fig. 3).
The two classical methods of metrology, the rule and the interferometer each have well-known defects which make their use sometimes uncertain, sometimes impossible.
In short, an interferometer (Michelson, Posters, etc.), subdivides a displacement into fractions of wavelengths. But these fractions of wavelengths (the fringes) are never exact multiples of the measurement system used. We must transform the fringe deviations (in, um for example). It's a boring complication. There is worse. The variations in wavelengths coming from a source (in general a He Ne laser) are caused not only by the instability of the frequency of the laser which must then be stabilized, which is expensive, but also and above all
by the perpetual changes of the refractive index of the air.
A large number of solutions have been proposed to overcome these drawbacks. However, experience shows that the use of interferometers to measure displacement remains impractical in industrial technology.
The classic rule, that is to say comprising a division with fine lines, located at regular intervals, has a shortcoming. Intermediate positions between two lines must be interpolated.
To solve this problem, numerous solutions have been proposed which are often either slow, or complicated, or imprecise.
However, a problem which arises for the manufacturers of high precision machines is to be able to determine the position of a movable member with an accuracy at least equal to +1 μm for the machining machines and of +0.1 μm for the machines. measuring machines.
The solutions proposed or implemented can be classified into the following main categories:
a) Light interference. Their sensitivity to the environment makes them unusable outside laboratories.
b) The divided rulers (for example lines of 10 μm every mm) require a very fine interpolator whose action is precise but slow if the reading is carried out by an optical exploration or if the ruler is electric (for example inductosyr Farrand) The very fine interpolation becomes random.
c) The finely divided rules that we will call networks.
The advantage of networks is that they require less fine interpolation to determine an accurate position. Ideally, there should be no interpolation at all, which would mean that the pitch of the grating should be 2.0 µm for machining machines and 0.2 µm for measuring machines.
These fineness of division are impractical by the usual methods.
The aim of the present invention is to provide a system which is at the same time sufficiently thin so that the needs of machine manufacturers are satisfied and sufficiently simple to be practicable.
The present invention relates to a method for measuring the displacements of a graduated precision ruler, characterized in that a three-dimensional standing wave field is created by the crossing of two monochromatic light beams originating from the same source, the distance between the standing waves being equal to the interval separating two successive graduations of the ruler, that we have in this field of standing waves the precision ruler so that the graduated face of the latter is perpendicular to the bisecting plane of the intersecting beams, and by the fact that we collect the light, reflected or transmitted, modulated by the displacement of the ruler with respect to the standing wave field on a photoelectric cell.
The subject of this invention is also a device for implementing the method, characterized in that it comprises a Posters prism whose semi-transparent interface is arranged perpendicular to the graduated face of the precision ruler, a source of monochromatic light illuminating one of the lateral faces of the prism, and at least one photoelectric cell receiving the rays reflected by the rule.
The appended drawing illustrates schematically and by way of example a particular implementation of the method which is the subject of the invention and a means for its implementation.
Fig. 1 illustrates the principle of the measurement method.
Fig. 2 illustrates a device for carrying out the measurement method.
Fig. 3 is a detail of a variant of the device illustrated in FIG. 2.
To clearly explain the principle of the process described, it is necessary to represent a rule in metallized glass divided for example in mm or in fractions of mm, so as to obtain transparent narrow areas, which is perfectly conventional and is obtained on a machine. to divide usual.
The interpolator consists of a small interferometer placed perpendicularly to the plane of the ruler and adjusted so as to create in space a 3-dimensional standing wave field whose (adjustable) interfringe is equal to the interval separating two consecutive graduations of the ruler.
By observing the field of the standing waves through the divisions of the ruler, one will see, moving the ruler longitudinally, a series of coincidences between the transparent lines and the alternately bright and dark regions of the standing waves.
A photoelectric cell, by collecting the light thus modulated in space and which passes through the rule, gives a current modulated in time when the rule is moved.
It is clear that if there are for example 100 standing waves between two lines of the rule, there are 100 lights and extinctions when the rule moves the length of one of its divisions.
The operating conditions are as follows:
The divided plane of the ruler must move in the space where the standing waves exist.
The lines of the rule must be of width equal to or less than the half-interfringe of the standing waves.
For example, 100 standing waves between two millimeter lines implies that the lines are 5 µm wide at most.
The following features of this provision should be noted:
1. To create the 3-dimensional standing wave field, it suffices to cross two beams coming from the same source at an angle which depends on the chosen pitch. The bisector of this angle will be substantially perpendicular to the plane of the rule.
2. Stationary waves exist throughout the region where the beams cross. They are planes parallel to each other and to the bisector of the beams if the beams are cylindrical.
In this case, the position along the bisector has no influence. There is therefore no optical focusing to be done as in the case of an objective forming an image.
If the beams are two identical cones, the standing waves will be non-parallel surfaces, which changes the interfringe of the waves depending on the position of the intercepting plane. In this case, it is therefore possible to finely modify the interpolation pitch or infrange by moving the interferometer relative to the rule. This without prejudice to the adjustment of the beam angles. The pitch is adjustable (theoretically) between infinity (flat tint, parallel beams) and the wavelength of the light used (antiparallel beam), ie an angle variation from 0 to 180 '.
But it is obvious that practically there is, in this case, no interest in having wide standing waves and no possibility of examining standing waves coming from two opposite beams and which become parallel to the rule.
With an angle close to 18 between the two beams (for k = 0.628, um) we obtain a deep zone where the standing waves are spaced 2 μm apart, which makes it possible to count steps of
I um with a counter supplied by the cell coupled to a symmetrical amplifier (the lines of the rule must have a width of 1 μm at most).
The lines of the ruler may be spaced either at least an interval equal to the standing wave interfringe, or at most an exact multiple of the standing wave interfringe, but not longer than the diameter of the area where the two beams intersect, to ensure continuity of counting.
If the counting must be done in both directions, it is necessary to have two modulations shifted by a quarter of a step, which can be done.
for example, using two staggered groups.
The modulation produced by the displacement is sinusoidal, which electronically makes it possible to obtain additional interpolation within a standing wave.
It is also possible, by tilting the standing waves with respect to the ruler, to create moiré fringes which, themselves coinciding with a reticle, make it possible to obtain an interpolation finer than the interfringe of the standing waves.
The coincidence between a rule with a grating as tight as the standing waves and this one would make it possible to have a better average value of the positions and a better light output than if the rule is conventionally divided by intervals much wider than the fine lines, that both for parallel coincidence and for moiré fringes.
To obtain standing waves in space it suffices, for example, to use a Posters prism by tilting the incoming ray so that the two outgoing rays cross at the desired angle. It is therefore simple and it does not require complex optics.
The local creation of standing waves gives a sinusoidal network, clear and contrasted. All the light is used and the depth of field is considerable compared to eg. a divided reticle which, projected by a reducing optic. would then give a non-plane, distorted and low contrast image.
Likewise, bring a 2m by 2m split reticle close enough to a ruler so that the light does not scatter. without touching the ruler, is virtually impossible.
Standing waves are only relatively straight, equidistant, and parallel if the wavefront is flat and the interferometer elements flat.
If we set the condition that the intervals are well enough defined so that we can still interpolate them to within 1/10, this means that the flatness of the wave fronts must be better than 1/10 of the fringe, this which corresponds to a good current optics.
Therefore, an interference interpolation of a ruler divided for example every 100 μm having lines of 1 μm, with a standing wave field spaced 2 μm apart, gives a digital interpolation of 1 zm in I μm with an optic plane with 1/2 fringe, while, if one still wants to interpolate either by moiré fringes with a secondary reticle, or electronically in 1/10 llm, it is necessary that the flatness of the optics on the surface used is ensured at 1/20 fringe, which is quite reasonable.
As the moiré fringes are at a distance of for example 200 μm, it is easy to superimpose them on a reticle which is not too close to the ruler or even to make an image of it with a common lens.
The interfringe of standing waves is conditioned by the angle of the interfering beams and by the wavelength which changes spontaneously, either by frequency deviations in the laser, or by a change in the air index.
It is clear that everything that has been proposed for the stabilization of longitudinal interferometers can be applied to this transverse interferometer. But, by the fact that the errors are cumulated only over the interval of one division of the rule, it follows, and this is an advantage of this arrangement, that the errors arising from the causes mentioned above are practically negligible.
Indeed, if we do not take any precaution to stabilize the laser and the air index, the wavelength could have a relative variation of the order of 10 4.
In the case of a conventional interferometer measuring one meter, this corresponds to an error of the length measurement of 10 4 meter, ie 100 .mu.m. In the case of a ruler interpolated from mm to mm, this corresponds to an error of 10 4 mm, i.e. 1/10 of. Um or, if the ruler is subdivided into 1/10 mm, an error of 0.1.104 mm, or 1/100 llm (for any total ruler length) and if the ruler is a lattice of the same pitch as the standing waves, the error is zero. Ruler division errors can be determined by calibration, and can be corrected from any memory, such as a correction cam.
In short, the rule can be interpolated in a simple and precise way and without this interpolation fluctuating in an unpredictable way.
Fig. 1 illustrates the principle of this process: la and lb are two converging monochromatic beams which create in the region where the beams cross a 3-dimensional standing wave field 2. Rule 3 is transparent in this example and it comprises a layer opaque 4 in which transparent slits 5 are traced. One or more of these slits are in the field where there are standing waves. If the slit (s) are centered on a light fringe, more light will pass through than if the slit (s) are centered on a dark fringe.
The distance between two slits should be less than the length covered by the total standing wave field so that there is no gap during displacement.
In a particular application of the method, a network is used which has, for example. a step of 2 µm, divided on a reflective metal ruler. The possibility of obtaining such a network by marking the surface by means of interference at very high power is described in another patent. The rule should generally be metallic so that its thermal expansion is close to that of the machine and the parts to be machined or measured. The 2m pitch is just one example. but it is a typical example, because by counting the blacks and the whites of the division one obtains a fineness of step of 1 µm and because an easy interpolation to 1/10 makes it possible to determine a position 0.1 µm close.
A step finer than 2 μm would be more difficult to obtain and a larger step would require more extensive interpolation and therefore less reliable.
The grating is introduced into the region where two monochromatic and coherent beams of continuous light intersect.
The beams cross at an angle such that the standing waves parallel in space have a pitch identical to the grating (for example 2 clam). It is clear that if the illuminated fringes fall on the reflective areas of the network, all the light is returned.
If the illuminated fringes of the network fall on the non-reflective areas, the light will be diffused. It is thus possible to obtain a modulation of the reflected light (or also transmitted, in the case of a rule having reflective zones and transparent zones) which is very intense. When there is a relative movement of the ruler with respect to the region where the fringes or standing waves are produced, the light fluctuates according to a sinusoidal function on which a certain level of continuous light is superimposed.
One or more fast photoelectric cells make it possible to transform light signals into electrical signals and. therefore, to count the number of fluctuations during a displacement and to compensate for the DC component (see fig. 2).
The fact that the light (and electrical) signals are sinusoidal enormously facilitates the possible interpolations which are conventionally obtained by combining two signals shifted by a quarter of a step and coming for example from two readers shifted by a quarter of a step. Interpolation is then a measure of the phase of the combined signal with respect to one of the original signals. Likewise, conventionally, the existence of two signal trains shifted by a quarter of a phase makes it possible to count the passage of the signals while taking account of the direction of displacement.
Referring to fig. 2, the device comprises a Posters prism 6, that is to say two prisms 30 at the top with semi-reflecting layer 7.
The beam of light a + b is parallel, coherent and monochromatic. It typically comes from a HeNe laser. It separates into two beams a and b which, by crossing each other, form a field of flat standing waves fp, the pitch of which is adjusted by modifying the angle a.
Rule 8 which is a network of the same spatial frequency as fp reflects or does not reflect the beams a 'and b' according to its offset.
Beams a 'and b' meet on cell 10 after being condensed by lens 9.
The interferences which occur between the beams a 'and b' are fixed and are not modulated by the displacement of the rule / network 8. They have no influence on the operation, the rule 8 is never flat enough for be able to create a flat shade and switch off the lighting by reciprocal cancellation of the beams a 'and b'. You can always create a slight asymmetry to avoid this extreme case. The advantages of this arrangement are:
a) The standing waves or fringes produced are as fine as desired while maintaining high contrast. Which is impossible by forming an image of an existing network by a spherical optics forming an image.
b) The area where the fringes exist is so extensive or deep that the position of the ruler level is absolutely not critical.
c) The modulated beams are recovered on the same side of the rule as the lighting. This convenience is such that it is possible to neglect the crossing beams in the case of a reflective / transparent rule. It should be remembered that in practice it is mainly opaque and reflective metallic rulers that are used.
d) The device is extremely simple and has fewer elements than other proposed solutions.
e) It is easy by sliding a parallel plane glass 1 1 in half the thickness of a beam or of the two beams to create an area out of phase by the desired amount. In this case the return beam a '+ b' will also be split and by a conventional method of separation by two deflector mirrors (not shown) and two reception cells, the two desired signals are obtained for a reversible counting or an interpolation ( fig. 3).