Système optique auto-collimateur La présente invention a pour objet un système optique autocollimateur pour mesurer ou indiquer l'inclinaison d'un miroir autour d'un axe perpendicu laire à l'axe optique du système.
Dans un système autocollimateur connu, la lumière provenant d'une source est mise au point sur une fente et le faisceau sortant de la fente passe à travers une lentille de collimation jusqu'à un miroir, dont l'inclinaison doit être indiquée. Le miroir incli- nable réfléchit le faisceau à travers la lentille de col- limation pour le ramener à la source et en avant de la fente ce faisceau de retour est interrompu par un semi-réflecteur à partir duquel le faisceau réfléchi est dirigé vers un prisme de séparation.
Les faisceaux séparés sont comparés par des moyens photoélectri ques, car lorsque, comme cela est habituellement le cas, la quantité de lumière dans chaque faisceau est grande comparativement à la grandeur réelle à indi quer, il peut être difficile de réaliser une bonne sta bilité électrique des moyens photoélectriques à la position zéro du miroir. De plus, si le courant photo électrique moyen est important, ceci peut supprimer l'utilisation de la majeure partie linéaire de la carac téristique des moyens photoélectriques. En outre, la transmission et la réflexion sur le semi-réflecteur provoquent des pertes d'au moins 75 % de la lumière entrant initialement dans le système. Ces difficultés sont spécialement désavantageuses lorsqu'il est néces saire d'avoir une mesure ou une indication précise.
Un but de l'invention est de fournir un système autocollimateur perfectionné du type dans lequel l'inclinaison du miroir est détectée par des moyens photoélectriques, le système perfectionné permettant
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d'éviter <SEP> facilement <SEP> les-difficultés <SEP> du <SEP> dispositif <SEP> connu.
<tb> Le <SEP> système <SEP> aûtoccil <SEP> ur <SEP> selon <SEP> l'invention,
<tb> pour <SEP> mesurer <SEP> ou <SEP> indiquenclinaison <SEP> du <SEP> miroir d'une position zéro dans laquelle le plan du miroir se trouve à angle droit par rapport à l'axe optique, com prend une source de lumière,
une lentille de colli- mation pour faire passer à partir de cette source un faisceau de lumière collimatée sur ledit miroir, des moyens photoélectriques pour recevoir le faisceau réfléchi dudit miroir et des moyens réfléchissants s'étendant dans un plan incliné par rapport à l'axe optique et dans le trajet du faisceau provenant de la source et le trajet du faisceau revenant dudit miroir,
ces moyens réfléchissants présentant une partie laissant passer la lumière et une partie réflé chissante de manière à permettre à une partie du faisceau réfléchi par le miroir de tomber sur les moyens photoélectriques sans interférence à partir de la source.
Ce système autocollimateur est caractérisé en ce que lesdits moyens réfléchissants sont dans un plan incliné coupant un plan perpendiculaire à l'axe opti que suivant une ligne parallèle à l'axe autour-duquel doit être mesurée l'inclinaison du miroir et que leur partie laissant passer la lumière s'étend sur une par tie seulement de l'aire utile du faisceau dans ledit plan incliné et cela de façon à définir entre les aires de transmission de lumière et de réflexion de lumière deux bords qui s'étendent au moins approximative ment parallèlement à l'axe autour duquel doit être mesurée l'inclinaison dudit miroir,
et en ce que la len tille de collimation est placée entre lesdits moyens réfléchissants et le miroir et est mise au point sur la partie centrale de l'aire utile dans le plan incliné, de sorte que, dans la position zéro du miroir, le fais ceau de retour fournit, sur les moyens de réflexion, des images de chacun des deux bords respectivement superposés à ces bords, l'image du premier bord étant superposée au second bord et vice versa, et que lorsque le miroir est incliné à partir de sa position zéro,
les moyens photoélectriques sont sensibles à la lumière revenant de ce miroir sur le plan incliné sur l'une ou l'autre des zones disposées de part et d'autre de l'aire située entre les bords, le tout de façon que le signal de sortie des moyens photoélec triques soit représentatif de la position angulaire du miroir. Les moyens photoélectriques agissent pour comparer deux faisceaux d'intensité relativement fai ble plutôt que deux faisceaux d'intensité relativement élevée comme dans le système connu,
les moyens photoélectriques peuvent facilement être actionnés sur la majeure partie linéaire de sa caractéristique. En même temps, on comprendra que lorsque le miroir s'incline à partir de sa position zéro, pratique ment toute la lumière représentative de cette incli naison tombe sur les moyens photoélectriques.
Dans une disposition préférée, les moyens réflé chissants comprennent un réflecteur incliné présen tant une fente dont la longueur est dirigée au moins approximativement parallèlement à l'axe d'inclinaison du miroir inclinable, les moyens photoélectriques étant sensibles à la lumière réfléchie à partir de ce réflecteur incliné sur l'un ou l'autre des côtés de la fente.
Une autre disposition préférée des moyens photo électriques, utilise une paire de cellules photoélec triques, l'une pour recevoir la lumière ramenée sur le plan incliné d'un côté de l'aire située entre les bords et l'autre pour recevoir la lumière ramenée sur un tel plan de l'autre côté de ladite aire. Les cellules électriques peuvent être obtenues par division d'un élément simple de cristal de silicone. De cette ma nière, un accord précis des caractéristiques électri ques de ces deux cellules photoélectriques est assuré.
Bien que cela ne soit pas d'une importance particu lière pour réaliser la stabilité à la position zéro, l'utilisation de cellules photoélectriques accordées aide à réaliser une sensibilité égale de chaque côté de la position zéro qui peut à son tour être consi déré comme une contribution supplémentaire à la stabilité zéro.
Le système comprend de préférence des moyens de formation d'image pour recevoir la lumière à par tir des moyens réfléchissants et pour mettre au point la lumière ramenée sur un côté de l'aire située entre les bords sur une cellule photoélectrique et la lumière ramenée sur l'autre côté de cette aire sur l'autre cellule photoélectrique. De cette manière,
en formant une image du miroir ou de la lentille de collimation sur chaque cellule photoélec trique on s'assure que la lumière est bien distribuée sur la surface sensible de celle-ci. Les moyens de formation d'image comprennent de préférence un double prisme et une lentille de champ combinés.
Dans quelques cas, le système peut également com prendre un élément pour mettre au point une image des bords entre les aires de réflexion et de transmis sion du réflecteur incliné sur les moyens de forma tion d'image. Un tel élément est désirable lorsque les bords entre les aires de réflexion et de transmission de lumière des moyens réfléchissants comprennent entre eux une fente de très faible largeur.
La séparation axiale du miroir inclinable et de la lentille de collimation peut être modifiée ou choisie à volonté. Cependant, la lentille de collimation peut donner des images virtuelles pouvant provoquer des erreurs de mesure et d'indication lorsque le miroir se trouve relativement près de ces images.
Pour évi ter des effets nuisibles dus aux images virtuelles, les surfaces (comprenant les contacts intérieurs) de la lentille de collimation peuvent être recouvertes pour permettre une réflexion minimum et le miroir est de préférence formé avec une partie centrale non réfléchissante.
Les moyens réfléchissants peuvent s'étendre à 450 sur l'axe optique et comprendre de préférence une plaque de transmission de lumière recouverte d'un mince film réfléchissant la lumière. Ce film est de préférence recouvert sur le côté de la plaque de transmission de lumière se trouvant plus près de la lentille de collimation. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 montre une disposition préférée du sys tème autocollimateur en grandeur nature.
La fig. 2 est un diagramme optique de la dispo sition préférée, les dimensions et positions relatives des diverses parties ayant été modifiées pour la clarté du dessin.
La fig. 3 montre l'effet d'aberration se produisant sur les moyens réfléchissants inclinés lorsque le miroir inclinable se trouve sur sa position zéro ou au voisinage de cette position.
La fig. 4 est un graphique du courant de sortie des moyens photoélectriques.
La fig. 5 montre un circuit de sortie des moyens photoélectriques.
La fig. 6 indique schématiquement l'application du système autocollimateur à la mesure de la planéité d'une surface.
La fig. 7 montre une modification du système autocollimateur.
La fig. 8 montre une autre variante utilisant une seule cellule photoélectrique et comprenant un disque ajouré représenté en bout.
La fig. 9 montre le disque ajouré de la fig. 8 en plan.
La fig. 10 est une autre variante du système auto- collimateur.
Pour la clarté de l'exposé, on suppose que la fig. 1 montre la disposition préférée du système auto- collimateur vu en plan de telle sorte que le miroir plan A dont l'inclinaison doit être indiquée se trouve dans un plan vertical (perpendiculaire au plan du dessin) et est monté pour basculer autour d'un axe vertical. L'axe optique a-a du système se trouve dans un plan horizontal (dans le plan du dessin et est constitué par la ligne traversant le plan du miroir et passant approximativement au centre de celui-ci. Dans la position zéro du miroir A, son plan s'étend strictement à angle droit par rapport à cet axe a-a.
Dans la disposition représentée, une source de lumière B est mise au point par un condenseur C sur une fente Dl dans un réflecteur plan D s'étendant dans un plan vertical incliné à 45,, sur l'axe optique a-a. Le faisceau de lumière sortant de la fente Dl passe sur une surface E à réflexion totale à 45- et de là à travers une lentille de collimation F jusqu'au miroir A. Le réflecteur E ne fait pas partie du système de base et n'est prévu que pour dévier l'axe optique a-a d'un angle droit, comme cela est souvent utile en pratique. La direction de la longueur de la fente Dl du réflecteur incliné D est verticale, cette fente étant parallèle à l'axe d'inclinaison du miroir A.
La lentille de collimation F est mise au point de façon précise sur la fente Dl du réflecteur D de sorte que dans la position zéro du miroir A cette lentille F forme sur le faisceau réfléchi une image inversée laté ralement de la fente exactement superposée sur la fente réelle. Cependant, lorsque le miroir A est bas culé de sa position zéro, le faisceau réfléchi de ce miroir incliné est dévié latéralement par rapport au faisceau oscillant et l'image de la fente Dl est dépla cée latéralement par rapport à la fente réelle Dl, de sorte que la lumière tombe sur le réflecteur D d'un côté ou de l'autre de la fente ménagée dans celui-ci.
La fi-. 2 est un schéma des rayons du système autocollimateur à axe optique a-a et montrant le fais ceau b provenant de la source B, le faisceau conver gent c provenant du condenseur C, deux faisceaux d et e entre les bords de la fente Dl ménagée dans le réflecteur D et la lentille de collimateur F et le fais ceau collimaté f entre cette lentille F et le miroir inclinable A qui est supposé être dans sa position zéro.
Soit le faisceau d, soit e peut être pris comme faisceau divergent provenant d'un bord de la fente Dl jusqu'à la lentille F dans quel cas l'autre faisceau d (ou e) représente le faisceau convergent de retour correspondant, allant de la lentille F à l'autre bord de la fente Dl.
Une construction préférée du réflecteur incliné D consiste en une plaque de verre ayant un enduit métallisé réfléchissant la lumière recouvrant la face de cette plaque plus rapprochée de la lentille F à l'exception d'une partie de forme rectangulaire allon gée constituant la fente Dl. Le film réfléchissant la lumière est réalisé aussi mince que possible tout en restant opaque.
De préférence, la surface de la plaque est recouverte tout d'abord d'un enduit antiréfléchis- sant pour diminuer la réflexion de la lumière dans l'aire de la fente et l'enduit réfléchissant est ensuite formé sur l'enduit antiréfléchissant. Un autre enduit transparent peut ensuite être appliqué pour empê cher l'oxydation de l'enduit réfléchissant. Pour une lentille de collimateur ayant une longueur focale d'approximativement 12,7 cm, la fente peut avoir 5,1 mm de longueur et 1,5 mm de largeur, celle-ci étant mesurée dans le plan du réflecteur incliné D.
Les fig. 1 et 2 indiquent un réflecteur incliné D de cette construction mais l'épaisseur de l'enduit réflé chissant la lumière est nécessairement très exagéré.
Dans la disposition décrite ci-dessus, la pupille de limitation du système est constituée par le miroir inch- nable A, la lentille de collimation F ayant un diamè tre suffisamment grand pour recevoir toute la lumière qui lui est retournée à partir du miroir A dans toutes les positions de celui-ci. Pour un miroir d'environ 25,4 mm de diamètre, le diamètre de la lentille de collimateur peut être d'environ 31 mm.
La lumière incidente provenant du réflecteur incliné D d'un côté de la fente Dl est réfléchie sur l'un ou l'autre côté du sommet d'un double prisme ou prisme en toit G sur la face arrière duquel est collée une lentille d'objectif Gl. Derrière cet ensemble de prisme lentille G, Gl sont disposées deux cellules photoélectriques J destinées chacune à recevoir de la lumière réfléchie à partir d'un côté de la fente Dl. La partie de l'axe optique passant à travers le prisme G et la lentille Gl est indiquée en al-al. Les surfaces sensibles à la lumière des cellules photoélectriques J sont espacées également sur les côtés opposés de cette branche de l'axe optique.
Le prisme G et la len tille Gl forment sur chaque cellule photoélectrique une image de la lentille de collimateur F ou du miroir A de sorte que la lumière est distribuée sur une large aire sensiblement constante de la surface sensible.
Avec cette disposition, le courant de sortie de cha que cellule photoélectrique J est théoriquement nul dans la position zéro du miroir A mais en pratique on obtient un petit courant de sortie à partir de cha que cellule du fait des effets de diffraction et d'aberra tion qui troublent légèrement l'image réfléchie de la fente Dl superposée à la fente réelle Dl et également en raison de la réflexion résiduelle à partir de la fente. Par exemple, la fig. 3 indique l'erreur appa raissant sur la fente Dl dans le réflecteur incliné D en raison des effets d'aberration dans la lentille de collimateur.
Sur chaque bord de la fente Dl l'image réfléchie de l'autre bord de cette fente fait apparai- tre un cercle de diffusion de largeur z. Malgré ces effets dus à l'aberration et à la diffraction, étant bien entendu que les cellules photoélectriques J sont accordées l'une à l'autre, le courant de sortie diffé rentiel des cellules est linéaire pour la position zéro du miroir A et varie linéairement avec l'angle d'incli naison du miroir de chaque côté de la position zéro. Ainsi le courant de sortie (i) des deux cellules photo électriques J (P.C. (A) et P.C. (B) respectivement) est représenté graphiquement à la fig. 4 en fonction d'un angle d'inclinaison variable.
En raison des effets d'aberration, le courant de sortie de chaque cellule photoélectrique individuelle J varie de la caractéris tique linéaire dans la région d'inclinaison nulle, la lar geur de cette région étant indiquée en z puisqu'elle correspond à la largeur du cercle de diffusion.
De plus, en raison de la lumière dispersée résiduelle à l'intérieur du système, le courant de sortie de chaque cellule photoélectrique J ne peut jamais tomber au-dessous d'une certaine valeur minimum io. Néan moins le courant de sortie différentiel des deux cellu les J indiqué par la ligne y-y maintient une caracté ristique linéaire à travers la région d'inclinaison nulle.
Un accord exact des cellules J peut être facilement réalisé avec des cellules de silicone obtenues par divi sion d'un seul élément de cristal de silicone assurant ainsi une sensibilité égale de chaque côté de la posi tion zéro.
Dans le diagramme de la fig. 2, les faisceaux divergents vers les cellules J provenant des parties du réflecteur incliné D directement adjacentes à la fente Dl, sont indiqués en g1 et g2. Puisque le miroir A est supposé être dans sa position zéro dans le dessin, ces faisceaux g1, g2 pourraient être considérés comme ne provenant que des effets de diffraction et d'aberration. Un circuit de sortie pour les deux cellules photo électriques J est représenté à la fig. 5.
Une tension de sortie différentielle est développée à travers les résistances K et appliquées à un amplificateur L de courant continu. Le signal amplifié passe dans un instrument de mesure M donnant une lecture directe de l'angle d'inclinaison du miroir A à partir de sa position zéro. Au lieu d'utiliser des cellules photo électriques accordées de façon exacte on peut réali ser un équilibre de sensibilité par dérivation de l'une ou l'autre des résistances de charge K.
L'instrument de mesure peut être constitué par un instrument enre gistreur donnant une mesure directe de l'angle d'incli naison variable du miroir A lorsque cette inclinaison varie. Par exemple, le système autocollimateur peut être utilisé de la manière indiquée en dernier lieu conjointement avec l'invention faisant l'objet du bre vet suisse No (D. No 8527/63) se rapportant à un appareil pour contrôler la planéité d'une surface.
La fig. 6 montre schématiquement une partie d'un tel appareil de contrôle, le miroir A étant monté pour basculer selon le déplacement (approximativement perpendiculaire à la surface à tester) d'un organe tâteur N se déplaçant le long de ladite surface de test<B>NI.</B> Dans ce but,
le miroir A se déplace le long d'une surface de référence fournie par une barre de guidage N' et l'autocollimateur dont on n'a représenté à la fig. 6 que la lentille F est disposée avec son axe optique a-a (ou au moins la partie de l'axe optique contenant le faisceau collimaté parallèle à la surface de référence. Avec cette disposition la mesure de l'angle d'inclinaison variable du miroir A fournit une indication du défaut de planéité de la
surface testée par rapport à la surface de référence. Dans le système autocollimateur décrit ci-dessus, la surface arrière (la plus éloignée du miroir inclina- ble) de la lentille F ainsi que la surface de contact intérieur de celle-ci (puisque l'on préfère utiliser un doublet pour la collimation) tendent à fournir des images virtuelles comme indiqué en x à la fig. 2.
Ces images virtuelles peuvent donner lieu à des effets gênants et à des erreurs de mesure lorsque le miroir A est placé relativement près de la lentille F, ou est déplacé près de celle-ci dans l'appareil décrit ci-des sus pour le contrôle de la surface. Pour éviter ces défauts, les deux surfaces de la lentille F sont de préférence enduites pour avoir une réflexion mini mum. Alternativement ou en plus, la partie centrale du miroir A est masquée ou découpée comme indi qué en A1 de manière à être foncée et non réflé chissante.
Il est clair cependant que le système autocollima- teur décrit peut être également utilisé d'une autre manière, par exemple comme partie d'une lunette d'alignement pour contrôler l'alignement de grandes machines ou d'assemblages de grande dimension. Dans une telle lunette d'alignement, un oculaire peut être disposé pour voir l'image initialement.
Diverses modifications de la disposition décrite sont possibles. Par exemple, dans la disposition décrite, la largeur de la fente Dl du réflecteur D doit être suffisante pour que les faisceaux divergents par tant des deux bords de la fente Dl soient encore séparés au prisme G. Des considérations pratiques peuvent limiter la distance suivant laquelle ce prisme G peut être placé par rapport à la fente Dl de sorte que si une fente plus étroite Dl est nécessaire, par exemple pour diminuer le flux total tombant sur les cellules photoélectriques J, un élément P, tel que, par exemple, le doublet représenté peut être introduit comme montré à la fia. 7.
Dans cette disposition l'élément P forme une image de la fente Dl sur les moyens de formation d'image qui, à leur tour, forment sur chaque cellule J une image de la lentille de collimateur ou du miroir inclinable. La fig. 7 sert également à montrer une variante de ces moyens de formation d'image, la combinaison du double prisme et de la lentille de champ étant remplacée par une lentille de champ Q.
Dans la variante de la fig. 8 une seule cellule photoélectrique Jl est utilisée au lieu de deux. Conjointement avec cette seule cellule Jl un dis que ajouré R (voir également fig. 9) présentant une face réfléchissante Rl est utilisé, un moteur électri que R2 entraînant ce disque en rotation à une vitesse constante.
Les moyens de formation d'image cons titués par le double prisme G combiné avec la len tille de champ Gl forment une image de la lentille de collimateur F ou du miroir A sur des moyens de mise au point constitués par une lentille collectrice S et le double prisme<B>SI</B> en combinaison.
De cette manière, les faisceaux provenant du réflecteur incliné D sont mis au point au moyen du doublet à lentille S et à prisme<B>SI</B> pour former une image de la fente <B>Dl</B> sur le disque R, de la lumière provenant d'un côté de la fente tombant sur une face de ce disque et de la lumière provenant de l'autre côté de cette fente tombant sur l'autre face du disque.
De la lumière provenant de la fente<B>Dl</B> est ainsi transmise à travers les ouvertures du disque rotatif R sur la cellule JI et la lumière provenant de l'autre côté de la fente<B>Dl</B> est réfléchie par la face RI du disque sur la cellule Jl qui fournit ainsi un courant alternatif de sortie à la fréquence de rotation du disque multi pliée par le nombre d'ouvertures.
Dans la région d'inclinaison zéro du miroir A, le courant de sortie de la cellule JI est un courant continu qui apparaît en raison des effets de diffraction et d'aberration et n'est par conséquent pas pris en considération, étant perdu à l'amplificateur de courant alternatif auquel est appliqué le courant de sortie de la cellule avant d'alimenter l'instrument de mesure. Avec cette va riante, on peut réaliser une sensibilité extrêmement élevée en introduisant dans le circuit de sortie de la cellule photoélectrique des filtres de type habituel pour éliminer les harmoniques résiduelles pouvant apparaître.
Dans quelques cas, il peut être utile, comme représenté à la fig. 10, de supprimer les moyens de formation d'image constitués par exemple par le dou ble prisme G et la lentille G', en plaçant deux petites cellules photoélectriques J" adjacentes au réflecteur incliné D pour recevoir directement la lumière à par tir de l'un ou de l'autre côté de la fente<B>Dl.</B>
Dans les fig. 7, 8 et 10, seule la partie<I>al - al</I> de l'axe optique du système autocollimateur a été repré sentée puisque dans chacune de ces modifications, la partie non représentée du système peut être identique à celle représentée à la fig. 1.
Une modification peut encore être mentionnée sans être représentée et qui consiste à remplacer le réflecteur incliné D présentant la fente Dr par un petit réflecteur incliné ayant la dimension de la fente. Dans ce cas, le faisceau provenant du condenseur tombe sur ce réflecteur incliné et est réfléchi sur une lentille de collimateur et les moyens photoélectriques sont sensibles à la lumière ramenée du miroir inch- nable pour passer sur l'un ou l'autre de ces côtés dudit réflecteur incliné.