Appareil optique de contrôle et de mesure.
L'invention a pour objet un appareil opti- que de contrôle et de mesure comprenant un dispositif optique pour la production de fran gea d'interférence. On sait qu'on peut obtenir un ensemble de franges d'interférence répar- ties dans l'espace au moyen d'une paire d'étroites fentes parallèles illuminées à partir d'une étroite fente disposée derrière lesdites fentes parallèles et symétriquement par rapport à celles-ci, de sorte que des rayons lumi- neux soient en phase les uns avec les autres en des points correspondants des deux fentes et interfèrent les uns avee les autres de manièce que, lorsqu'on les observe à partir d'un point quelconque se trouvant en avant des fentes et dans un plan de symétrie de cellesci,
on voit un ensemble de franges d'interfé- renee rectilignes et parallèles. Ce dispositif connu présente cependant l'inconvénient d'être très long, ce qui le rend difficilement utilisa hle dans de nombreuses applications prati- ques, et on a proposé de le raccourcir en disposant une lentille entre la fente illuminée et la paire de fentes parallèles.
La. présente invention a pour objet un appareil comprenant un dispositif pour la prodiction cl'un ensemble de franges réparties s dans l'espace, ce dispositif présentant une lon rigueur qui, même sans l'emploi de cette lentille supplémentaire, est plus faible et plus adéquate pour l'utilisation pratique du dispositif que celle des dispositifs connus, et ce dispositif étant susceptible d'une plus grande variété d'application que les dispositifs connus, grâce au fait qu'il fournit des franges circulaires concentriques au lieu de franges parallèles rectilignes.
L'appareil, objet de l'invention, est carac térisé en ee que ledit dispositif comprend un organe optique présentant une surface de forme générale conique disposé de manière à produire une image virtuelle annulaire d'une ouverture ponctuelle illuminée, lesrayonsémergents interférant les uns avee les autres, de sorte que, observée depuis un point quelcon- que de l'axe dudit cône, cette image présente un ensemble de franges d'interférence circulaires et concentriques.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution et variantes de li'appareil optique objet de l'invention.
La fig. 1 représente schématiquement, en coupe axiale, le dispositif producteur de franges d'une première forme d'exécution.
La fig. 2 représente semblablement le dispositif producteur de franges d'une seconde forme d'exécution.
Les fig. 3 à 5 représentent des variantes de parties des dispositifs représentés aux fig. 1 et. 2.
La fig. 6 représente, schématiquement et en coupe axiale, un ensemble optique d'obser- va. tion pouvant être combiné avec un dispositif analogue à ceux représentés aux fig. 1 à 5 pour former la troisième forme d'exécution.
La fig. 7 est une vue en bout d'un réticule que comprend l'ensemble optique d'observation représenté à la fig. 6.
Les fig. 8 et 9 représentent deux ensembles optiques d'observation pouvant être combinés avec un dispositif analogue à ceux représentés aux fig. 1 à 5 pour former les quatrième et cinquième formes d'exécution.
La fig. 10 représente un ensemble optique d'observation pouvant être combiné avec un dispositif analogue à ceux représentés aux fig. 1 à 5 pour former une sixème forme d'exé- cution.
La fig. 11 représente schématiquement et en coupe axiale une septième forme d'exéeution, et
les fig. 12 et 13 illustrent chacune l'utili- sation d'une variante de cette septième forme d'exécution.
Le dispositif représenté à la fig. 1 eomprend une source de lumière A qui, dans certains buts, peut être une source de lumière mono-ehromatique, mais qui est plus généralement une source de lumière blanche. Il comprend également un ensemble condenseur
A1 destiné à concentrer la lumière fournie par la source A dans une ouverture ponctuelle
B ménagée dans un diaphragme B1 et un organe optique réfringent conique C disposé à une certaine distance de l'ouverture B, celle-ci se trouvant sur l'axe de la surface co- nique de cet organe.
L'organe conique C présente une surface plane C1 qui est disposée en regard de l'ouverture B et sa surface eoni- que C2 présente un demi-angle d'ouverture seulement légèrement inférieur à 900, l'épais- seur axiale de cet organe étant faible comparée à la distance qui le sépare de l'ouver- ture B.
L'organe conique C produit, dans le plan n transversal perpendiculaire à l'axe de sa surface conique dans lequel se trouve l'ouverture
B, une image virtuelle D de cette ouverture qui a la forme d'un mince anneau concentrique entourant l'ouverture. Le dispositif complet peut, par conséquent, être considéré comme un moyen commode pour produire un anneau circulaire de lumière, à condition qu'en chaque point du cercle, les rayons se trouvent strictement en phase les uns avee les autres, de sorte que les rayons émanant de points de ce cercle interfèrent les uns avec les autres et produisent des franges d'interfé rence circulaires coaxiales au cône.
Ces franges sont réparties dans l'espace le long de l'axe et en avant du cône C, de manière que lorsqu'on les observe à partir d'un point quelconque de l'axe, on voit un ensemble de franges circulaires. La dimension de la frange intérieure apparaît de plus en plus grande à mesure que l'oeil de l'observateur s'éloigne de l'organe conique, le long de l'axe de celui-ci. Cette dimension est en fait proportionnelle à la distance séparant l'oeil de l'image annulaire D de l'ouverture B. Dans le cas de lumière mono-chromatique, les franges circulaires observées à partir d'un point quelconque de l'axe de l'organe conique sont alternativement lumineuses et sombres.
Cependant, avec de la lumière blanche, les franges sont colorées selon les couleurs du spec- tre et, lorsqu'on utilise le dispositif en pratique, de la lumière blanche est généralement plus satisfaisante, car il est facile de se concentrer sur un mince cercle d'une seule cou- leur d'un ensemble de franges.
Le dispositif qu'on vient de décrire est monté dans une enveloppe cylindrique E ou dans une enveloppe comprenant des parties cylindriques centrées avec précision sur l'axe du cône, afin de faciliter son montage sur des blocs à glissière de section en forme de V ou sur d'autres supports susceptibles d'être mis en place de façon exacte.
La fig. 2 représente le dispositif produeteur de franges d'une deuxième forme d'exé- cution comprenant un organe conique réflé- hissant If'au lieu de l'organe réfringent C'.
Afin d'éviter que les franges ne soient interceptées par l'écran présentant l'ouverture ponctuelle, un réflecteur plan semi-transpa- rent W1 est interposé entre l'organe conique réfléchissant F et l'ouverture ponctuelle B afin que le diaphragme B1 présentant cette ouverture et la source de lumière A avee l'en- semble condenseur A1 disposé entre cette source et le diaphragme puissent être disposes d'un côte de l'axe optique, transversalement à celui-ci. L'organe réfléchissant F fonctionne de manière à former une image virtuelle de l'ouverture ponctuelle J3 en D,
image à partir de laquelle on obtient des franges.
Les deux dispositifs producteurs de fran ges décrits ci-dessus peuvent être modifiés de diverses façons. Par exemple, il n'est pas essentiel que le demi-angle d'ouverture de la surface conique Co de l'organe conique C* ou F ne soit que très peu inférieur à 90 , ni que l'organe conique réfringent C soit mince ou que l'image virtuelle D produite dans le premier de ces dispositifs se trouve exactement dans le plan perpendiculaire à l'axe passant par l'ouverture ponctuelle. B.
Dans certains cas, il peut également être désirable que la face d'incidence Cl de l'organe conique réfrin- gent soit. légèrement incurvée au lieu d'être plane, par exemple comme indiqué à la fig. 3, ou que la génératrice de la surface conique de
L'organe conique soit légèrement incurvée, comme indiqué à la fig. 4 pour l'organe ré fléchissant F*, afin d'obtenir une correction de l'aberration sphérique de l'organe conique et d'améliorer ainsi la définition de l'image virtuelle D. De même, bien que cela ne soit généralement pas nécessaire, unelentille C peut être interposée entre l'ouverture ponetuelle B et l'organe conique C, comme représenté à la fig. 5, afin de raccourcir la dimension axiale du dispositif.
Les dispositifs décrits ci-dessus et leurs va riantes peuvent, être incorporés à divers gen- d'appareils optiques de mesure ou de contrôle et une importante application de ces appareils est le contrôle du parallélisme ou de !'alignement de deux axes distants l'un de l autre, par exemple pour le contrôle d'un bâti de machine ou du montage de porte-outils ou de poupées ou encore de porte-pièces.
Dans une forme d'exécution de l'appareil destinée à contrôler le parallélisme de deux axes, le dispositif décrit, ci-dessus est monté de façon précise sur l'une des deux parties dont la position relative doit être contrôlées, tandis que l'autre de ces parties porte un télescope agencé de la façon représentée à la fig. 6. Ce télescope comprend un objectif F et un oculaire J ainsi qu'un réticule K monté entre l'objectif et 1'oculaire, approximativement dans le plan focal de l'objectif. Cela signifie que si le réticule K est exactement disposé dans le plan focal de l'objectif H, l'ob- servateur voit à l'infini les franges formées dans le dispositif précédemment décrit, ces franges étant mises au point sur le réticule au moyen de l'objectif.
En pratique, toute disposition fixe correspondant à une certaine distance apparente au lieu de l'infini peut être choisie, le réticule K étant alors déplacé de la distance voulue, légèrement hors du plan focal de l'objectif H. Si les deux axes dont le parallélisme doit être contrôlé ne sont pas exactement parallèles l'un à l'autre, cette erreur se manifeste par un déplacement laté- ral des franges hors d'une position de cen- trage par rapport à l'axe du réticule.
Afin de faciliter un contrôle rapide et exact, le réticule présente de préférence plusieurs marques annulaires centrées avec précision sur l'axe du télescope, par exemple comme repré- senté à la fig. 7, et même une très légère erreur par rapport à un parallélisme exact est alors immédiatement apparente par comparaison desdites marques annulaires avec. 1'nappa- rence des franges. Le réticule. K peut également être pourvu d'échelles au cas où on désire pouvoir mesurer avec exactitude le déplacement latérale des franges.
Le télescope représenté à la fig. 6 com- prend une enveloppe L qui est formée de fa on à permettre de la monter avec précision sur un bloc à coulisse de section en forme de V ou sur un autre support porté lui-même par la seconde des parties dont on désire contrôler le parallélisme des axes, la première de ces parties portant le dispositif précédemment décrit et servant à produire les franges.
Pour contrôler l'alignement de deux parties, on monte à nouveau le dispositif décrit en premier lieu sur 1'une des parties dont on désire contrôler l'alignement, mais on monte, sur la seconde de ces parties, un ensemble optique d'observation différent de celui qu'on vient de décrire, et dont deux formes sont représentées aux fig. 8 et 9. Dans la forme représentée à la fig. 8, cet ensemble optique comprend un réticule M monté à l'extrémité avant d'une enveloppe L et un oculaire réglable L1 comprenant une lentille d'agrandissement N. Cette lentille N sert à amener une image du réticule 1LI dans la position voulue pour son observation, de façon que l'observateur voie les franges formées dans le plan de ce réticule superposées à des marques que porte celui-ci.
Comme pour le contrôle du pa- rallélisme, on contrôle que les franges sont correctement centrées sur l'axe du réticule.
Les marques du réticule sont, dans ce cas également, judicieusement constituées par des marques circulaires centrées avec précision sur l'axe du télescope, par exemple par des marques du genre représenté à la fig. 7, afin de faciliter la comparaison de ces marques avec les franges. Le réticule peut, en outre, porter des échelles permettant d'effectuer des mesures. Suivant la fig. 9, une lentille de champ 0 est disposée au voisinage du réti- cule M.
En pratique, il est souvent avantageux de combiner les ensembles optiques d'observation respectivement utilisés pour le contrôle du parallélisme et pour le contrôle de l'alignement dans un seul instrument qu'on appellera télescope d'alignement, par exemple comme représenté à la fig. 10. L'ensemble optique représenté à cette figure est, de façon générale, une combinaison des ensembles optiques respectivement représentés aux fig. 6 et 9.
L'ensemble optique d'observation combiné représenté à la fig. 10 comprend un objectif principal fixe H monté pres de l'extrémité avant d'une enveloppe L, un oculaire réglable L1 comprenant une lentille J, deux réticules
K et 1T respectivement disposés entre l'objee- tif et l'oeulaire et à l'extrémité avant de l'en- veloppe L, et un objectif auxiliaire mobile P qui est susceptible d'être déplacé jusqu'en position de fonctionnement sur l'axe de l'enve- loppe L, comme représenté à la fig. 10, ou d'être retiré loin de cet axe.
Pour le contrôle du parallélisme, l'objectif auxiliaire P est retiré loin de l'axe de l'en- semble optique et l'objectif principal 11, le premier réticule li et la lentille d'oculaire J coopèrent de la façon décrite ci-dessus en re gard de la fig. 6. Il convient de remarquer qu'au cours de ce contrôle de parallélisme, le second réticule J7 est éloigné du foyer et n'est, par conséquent, pas visible à travers l'oeu- laire.
Pour le contrôle de l'alignement, on utilise ce second réticule J7 conjointement avec l'objectif auxiliaire mobile P qui est alors s amené en position de fonctionnement clans l'axe de 1'ensemble optique. Lorsqu'il se trouve dans cette position, l'objectif auxiliaire P co- opère avec l'objectif principal II de manière à former une optique d'agrandissement amenant une image du second réticule ll dans la position voulue pour que cette image soit visible à travers l'oculaire.
Cette position d'image est cependant nettement à distance de la position du premier réticule , de sorte que, lorsque l'oculaire a été réglé pour permettre d'observer l'image du second réticule 31, le premier réticule 7T est si éloigné du plan d'image de l'oculaire qu'il est invisible.
De ce fait, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens permettant de déplacer le premier réticule hors de sa position normale dans laquelle il doit être centré avee une grande précision sur l'axe de 1'ensemble optique.
Etant donné que l'ensemble de l'objectif prin- cipal H et de l'objectif auxiliaire P fonctionne simplement comme une optique d'agrandissement, le centrage de l'objectif auxiliaire P n'exige pas une grande précision et toute faible erreur de sa position axiale est facilement corrigée par réglage de la position de l oen- laire ou par 1'aceommodati.
on del'ail. De telles erreurs n'affectent en rien l'exactitude du centrage, sur l'axe de l'ensemble optique, de l'image des marques que porte le second ré ticule 11. N'importe quel mécanisme eonve- nable peut être utilisé pour déplacer l'objectif auxiliaire P jusqu'en position de fonctionnement et jusqu'en position rétractée et, dans la forme d'exécution partiellement reprêsen- tée à la fig.
10, cet objectif auxiliaire est monté sur un coulisseau Pl qui est suscepti- ble d'être tiré hors de sa position de fonc- tionnement le long du guide fixe P2, d'être inversé et d'être remis en place, le coulisseau
PI présentant un trou de passage P3 qui se trouve en position coaxiale lorsque ce coulisseau a été ainsi inversé.
Il est évidemment préférable que les deux réticules JT et If présentent des marques dis tinctives de façon à permettre à l'observateur de les distinguer facilement l'un de l'autre.
Tout manque de parallélisme peut facilement être décelé au cours du contrôle d'alignement par une légère déformation des franges qui deviennent elliptiques. Cependant, le con trôle séparé du parallélisme décrit plus haut donne une indication beaucoup plus claire et mieux définie d'un manque de parallélisme que ne le fait la forme elliptique des franges.
Semblablement, tout défaut d'alignement est apparent au cours d'un contrôle de parallé- lisme sous forme de variation de l'intensité des franges, mais le contrôle d'alignement séparé est nécessaire en pratique pour obtenir une bonne précision. Il convient de remarquer particulièrement que, dans l'ensemble optique combiné qu'on vient de décrire, les parties dont la position doit être définie de façon très exacte sont fixes, tandis que les parties qui sont mobiles sont celles dont le montage n'exige pas une grande précision.
Si on le désire, le dispositif optique pour la produetion. de franges d'interférence peut être combiné avec un ensemble optique cons tituant un télescope d'alignement, de façon à former un autocollimateur. Une forme d'exé- eution de cet appareil combiné est représentée à la fig. 11. Il est destiné à être monté sur l'une des deux pièces dont on désire contrôler le parallélisme ou l'alignement et à coopérer avec un miroir plan que porte l'autre de ces pièces.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 11, le dispositif optique servant à produire les franges d'interférence est disposé de la manière représentée à la fig. 1, les mêmes signes de référence étant utilisés qu'à cette figure. L'enveloppe E que comprend le dispositif représenté à la fig. 11 est prolongée en avant de l'organe conique C pour recevoir un réflecteur plan semi-transparent et incliné Q.
Cette enveloppe présente également un pro longement latéral El dans lequel l'un quelconque des ensembles optiques d'observation représentés aux fig. 6 à 10 pourrait être disposé selon l'axe optique réfléchi par le réfleeteur Q, 1'ensemble optique d'observation de la forme d'exécution de la fig. 11 étant semblable à celui de la fig. 8. Ainsi, les rayons destinés à produire des franges et qui sont issus du dispositif optique passent à travers le rélecteur semi-transparent Q et sont réfléchis vers ce réflecteur par le miroir plan éloigné, de sorte qu'ils peuvent être observés au moyen de 1'ensemble optique d'observation après avoir été réfléchis à nouveau par le réfleeteur Q.
La fig. 12 illustre l'utilisation de la forme d'exécution représentée à la fig. 11 pour le contrôle du centrage d'une pièce optique sur une broche rotative. Par exemple, il est de pratique courante de monter une lentille sur une broche, au moyen d'une colle durcissante à base de bitume par exemple, et le centrage de cette lentille peut alors être effectué pendant que ladite colle est encore à l'état plastique, de sorte que, lorsque cette colle a durci, la lentille est centrée avec exactitude par exemple pour biseauter ses bords.
Dans des buts de centrage, le dispositif optique est monté de manière que son axe soit exactement aligné sur l'axe de la broche rotative R et le réflecteur partiellement transparent Q, monté par exemple à 45 par rapport à l'axe commun de la broche et du dispositif optique, est interposé entre ce dispositif et cette broche.
Les rayons issus du dispositif optique passent donc à travers le rélecteur partiellement transparent Q, parviennent à la lentille S, sont réfléchis par une surface de cette lentille et sont finalement à nouveau réfléchis par le réflecteur Q vers l'en- semble optique d'observation comprenant la lentille N. Un centrage exact de l'ensemble optique sur l'axe réfléchi n'est pas essentiel
puisqu'il est sans importance que les franges soient concentriques ou non à l'axe de cet
ensemble optique. Le contrôle est effectué en
faisant tourner la broche R et en observant
si l'image des franges se déplace du fait de
cette rotation ou si, au contraire, elle reste
fixe.
La position de la lentille S par rapport
à la broche R est modifiée jusqu'à ce que les
franges observées restent absolument immobiles pendant la rotation de la broche.
L'appareil qu'on vient de déerire peut
aussi être utilisé pour contrôler si deux ou plusieurs surfaces de la lentille S sont exactement coaxiales les unes aux autres en compa
rant les images de franges obtenues par ré
flexion sur chacune de ces surfaces. Dans ce but, si on le désire, cet appareil peut être modifié, comme représenté à la fig. 13, en utilisant une broche creuse Ri et en permet
tant ainsi aux rayons de traverser la lentille S pour parvenir, à travers cette broche,
à un ensemble optique d'observation disposé en regard de l'autre extrémité de la broche.
Les formes d'exécution décrites ci-dessus peuvent encore être modifiées de différentes . façons. Par exemple, des miroirs plans peuvent être interposés sur les parcours des rayons, si on le désire, afin de permettre de monter les différentes parties de l'appareil dans des positions plus adéquates, les références contenues ci-dessus au parallélisme et à l'alignement devant alors être comprises comme s'appliquant aux axes réfléchis plutôt qu'aux axes eux-mêmes.