Mesures dimensionnelles par interférométrie laser

Les techniques d’interférométrie laser sont largement utilisées pour réaliser des contrôles dimensionnels métrologiques. Elles associent une source laser de fréquence optique parfaitement contrôlée et un montage interférométrique pour réaliser des mesures de distance relative ou absolue.

Par comparaison avec d’autres approches, la technique d’interférométrie laser est la seule méthode de mesure dimensionnelle de grande précision sur une plage dynamique typiquement de 0 à 10 m et une résolution à l’échelle nanométrique (de 0,1 à 1 nm). La mesure de distance peut être effectuée en continu sur une cible coopérative fixe (miroir, coin de cube, sphère réfléchissante) ou en mouvement de translation avec une vitesse de déplacement maximale de l’ordre de 0 à 1 m/s.

Elle est donc largement utilisée pour le calibrage périodique des déplacements en translation sur des machines-outils ou la caractérisation d’actuateurs mécaniques (plage de déplacement, précision absolue et résolution), telles que les tables de translation micrométrique motorisées ou piézoélectriques.

La technique de mesure homodyne utilise une onde lumineuse possédant une seule fréquence optique. Elle correspond à détecter par interférométrie la différence de phase optique entre un signal lumineux de référence et le signal réfléchi sur la pièce mécanique dont on contrôle la position.

La technique de mesure hétérodyne est basée sur la détection d’un battement pour déterminer l’écart entre deux fréquences optiques. Une fréquence optique constitue la référence et l’autre fréquence optique se réfléchit sur la pièce mécanique à contrôler. Ces techniques d’interférométrie laser homodyne et hétérodyne ne permettent que la mesure d’une variation de distance et sont donc des techniques de mesure dimensionnelle relative. Elles nécessitent d’autre part que la mesure s’effectue sans discontinuité durant l’ensemble du déplacement de la pièce mécanique, ce qui constitue une contrainte forte en condition réelle d’utilisation.

Pour obtenir une mesure de distance absolue, la source laser subit un balayage continu de fréquence optique. Cette approche par balayage de fréquence (« frequency sweep ») présente plusieurs avantages :

• la distance est mesurée de façon absolue ;

• la mesure peut être interrompue pendant un déplacement sans que l’information de distance absolue ne soit perdue.

Par contre, elle nécessite un balayage de la fréquence optique sans discontinuité, ce qui entraîne une contrainte importante sur la technologie du laser mis en œuvre.

Pour l’ensemble de ces techniques, la précision absolue et la résolution de la mesure de distance sont directement liées à la qualité du contrôle exercé sur la fréquence optique (longueur d’onde) de la source laser et aux corrections apportées pour tenir compte des variations de l’indice de réfraction de l’air traversé par le faisceau laser lors de la mesure (effets parasites liés en particulier aux variations de température, pression et humidité).

Des montages différentiels avec plusieurs axes optiques de mesures simultanées permettent des mesures complémentaires d’angles d’inclinaison de pièces mécaniques. Ces configurations sont également adaptées pour la détermination des défauts angulaires de tangage, roulis et lacet lors d’une translation continue sur des actuateurs mécaniques.

Après quelques rappels de base sur les différentes sources laser (laser He-Ne, laser à semi-conducteur) couramment utilisées pour la métrologie, les principes théoriques de l’interférométrie laser en montages homodyne ou hétérodyne ou lors d’un balayage continu de la fréquence optique seront présentés.

Des exemples d’interféromètres laser industriels seront ensuite détaillés. Les performances (dynamique, précision, résolution et bande passante) de ces systèmes commerciaux seront analysées, ainsi que les accessoires associés :

• systèmes optiques internes ou externes pour instrumenter la pièce à contrôler ;

• module externe pour la mesure par capteurs et la compensation en temps réel des grandeurs d’influence.

Les principales applications de l’interférométrie laser seront également mentionnées.