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Article

1 - RAPPELS THÉORIQUES ET PRINCIPE DE L’INTERFÉROMÉTRIE LASER

2 - ÉTUDE DE DIFFÉRENTS SYSTÈMES COMMERCIAUX D’INTERFÉROMÈTRES LASER POUR LA MESURE DIMENSIONNELLE ET PERFORMANCES ASSOCIÉES

3 - ACCESSOIRES OPTIQUES ET MODULE EXTERNE DE MESURE DES GRANDEURS D’INFLUENCE

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : R1320 v2

Étude de différents systèmes commerciaux d’interféromètres laser pour la mesure dimensionnelle et performances associées
Mesures dimensionnelles par interférométrie laser

Auteur(s) : Hervé GILLES, Sylvain GIRARD

Date de publication : 10 juil. 2024

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RÉSUMÉ

L'interférométrie laser est une technique de grande précision permettant des mesures dimensionnelles sans contact et avec une dynamique de plusieurs mètres dans l’air, ainsi qu'une résolution nanométrique. Elle est utilisée pour le calibrage des déplacements en translation sur des machines-outils ou pour la caractérisation d’actuateurs mécaniques micrométriques motorisés ou piézoélectriques.

Les principes de l'interférométrie homodyne, hétérodyne ou par balayage en fréquences, ainsi que les différentes sources laser utilisées pour la métrologie dimensionnelle sont présentés dans cet article. Les performances des différents types de dispositifs disponibles commercialement y sont détaillées. Les principales applications industrielles de l’interférométrie laser utilisées pour la mesure dimensionnelle sont également discutées dans cet article.

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ABSTRACT

Dimensional measurements by laser interferometry

Laser interferometry is a technique allowing for contactless dimensional measurements of high precision with a dynamic range of several meters in air and nanometric resolution. It is used for calibrating translational displacements on machine tools or for characterizing motorized or piezoelectric micrometric mechanical actuators.

The principles of homodyne, heterodyne, or frequency-scanning interferometry as well as various laser sources used for dimensional metrology are presented. The performances of different types of commercially available devices are detailed. The main industrial applications of laser interferometry used for dimensional measurement are also discussed.

Auteur(s)

  • Hervé GILLES : Enseignant-chercheur à l’ENSICAEN, docteur en physique de l’université de Caen Laboratoire CIMAP, UMR n° 6252, ENSICAEN Caen, France

  • Sylvain GIRARD : Enseignant-chercheur à l’ENSICAEN, docteur en physique de l’université de Caen Laboratoire CIMAP, UMR n° 6252, ENSICAEN Caen, France.

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

laser   |   optical sensors   |   interferometry   |   metrology   |   dimensional measurements

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-r1320


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2. Étude de différents systèmes commerciaux d’interféromètres laser pour la mesure dimensionnelle et performances associées

2.1 Interféromètre laser monofréquence (homodyne) par laser He-Ne stabilisé

L’une des deux techniques les plus courantes dans les systèmes commerciaux de mesure dimensionnelle par interférométrie laser est basée sur l’utilisation d’une source laser stabilisée (laser He-Ne ou diode laser DFB) fonctionnant avec une seule longueur d’onde.

Cette technique est, en particulier, mise en œuvre pour le contrôle de déplacement sur machines-outils avec une source laser He-Ne monofréquence. Elle est proposée par de nombreux constructeurs parmi lesquels on peut citer : Renishaw, SIOS, Chotest, API (Automated Precision Inc.) et MotionX Corp (voir liste des constructeurs pour les liens internet associés dans le Pour en savoir plus).

Le montage de base, illustré sur la figure 12, est directement inspiré de la détection homodyne présentée dans la figure 2. La tête laser de mesure contient un laser He-Ne monofréquence stabilisé en température avec une puissance optique de sortie < 0,5 mW pour un axe de mesure et jusqu’à 1 mW pour des mesures à 2 axes de mesure simultanés (§ 3.3). La durée de vie du tube est en général supérieure à 10 000 h.

Dans la plupart des dispositifs commerciaux, la tête optique active contient une voie d’émission correspondant à la sortie du laser He-Ne et une voie de détection correspondant au photodétecteur. Les voies d’émission et de réception sont légèrement décalées de quelques millimètres sur la face avant de la tête laser. Il existe également quelques systèmes pour lesquels...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ABBOT (B.P.) -   Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger.  -  Dans Physical Review Letters, vol. 116, p. 061102 (2016).

  • (2) - BERKOVIC (G.), SHAFIR (E.) -   Optical methods for distance and displacement measurements.  -  Dans Advances in Optics and Photonics, vol. 4, pp. 441-471 (2012).

  • (3) - T. E. o. e. Britannica -   Refractive Index,  -  Encyclopédia Britannica.

  • (4) - POLYANSKIY (M.) -   RefractiveIndex. Info.  -  Public domain, (2008-2023). Disponible en ligne https://refractiveindex.info/

  • (5) - CIDDOR (P.E.) -   Refractive index of air : new equations for the visible and near infrared.  -  Dans Applied Optics, vol. 35, pp. 1566-1573 (1996).

  • (6) - BÖNSCH (G.), POTULSKI (E.) -   Measurement of the refractive...

NORMES

  • Sécurité des appareils à laser – Partie 1 : classification des matériels et exigences - NF EN 60825-1 - Janvier 2008

  • Instruments de mesurage de longueur – Interféromètres à comptage de franges et à source laser. - E11-016 - Avril 1987

ANNEXES

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