Autocollimateur expliqué : principes, types et avantages clés

Dans cet article, nous allons découvrir l'autocollimateur, son utilité, son principe de fonctionnement, comment il marche, les différents types et ses avantages et inconvénients.

Qu'est-ce qu'un autocollimateur ?

L'autocollimateur (ou autocollimation) est un instrument optique servant à mesurer de petites différences angulaires, variations ou déviations. Il sert aussi à déterminer la rectitude, le planéité, l'alignement, etc.

C'est un dispositif utilisant l'optique pour mesurer de petites variations angulaires. Extrêmement sensible aux moindres changements d'angle, il mesure les écarts angulaires avec précision. C'est essentiellement un collimateur et un télescope à l'infini combinés. Les autocollimateurs alignent les composants d'un système et mesurent leurs déviations mécaniques ou optiques.

Composants d'un autocollimateur

Six composants principaux :

• Source lumineuse
• Surface réfléchissante
• Lentille divergente
• Séparateur de faisceau (beam splitter)
• Réticule cible (target graticule)
• Micromètre microscope

1. Source lumineuse

Génère les rayons lumineux qui atteignent le réflecteur.

2. Surface réfléchissante

Surface servant de pièce à mesurer. Son angle d'inclinaison est mesuré par l'autocollimateur. Elle renvoie les rayons parallèles passant par l'objectif.

3. Lentille divergente (objectif)

Parallélise les rayons lumineux provenant du séparateur de faisceau pour qu'ils atteignent le réflecteur en parallèle.

4. Séparateur de faisceau

Divise les rayons lumineux et les dirige vers l'objectif.

5. Réticule cible

Les rayons réfléchis l'atteignent ; la distance entre rayons incident et réfléchi y est tracée.

6. Micromètre microscope

Permet de voir distinctement les points des rayons incident et réfléchi sur le réticule et d'en mesurer la distance.

Principe de fonctionnement de l'autocollimateur

Il intègre deux principes optiques :

1. Projection et réception d'un faisceau parallèle de lumière par une lentille.
2. Changement de direction d'un faisceau réfléchi par une surface plane selon l'angle de cette surface.

Lorsque le faisceau d'une source monochromatique frappe un déviateur de faisceau, il est dévié de 90° vers la lentille convergente. Celle-ci parallélise les faisceaux et les dirige vers l'objet ou surface réfléchissante.

Pour garder le faisceau parallèle, le déviateur doit être près du foyer de la lentille convergente. Les rayons parallèles frappent la surface réfléchissante. S'il n'y a pas de déviation angulaire, les rayons reviennent sur le même chemin en sens inverse et convergent au récepteur placé à la distance focale. Si l'objet est incliné d'un angle α, le rayon réfléchi forme un angle de 2α avec le faisceau incident.

Exemple illustratif

Imaginez une lentille convergente avec une source ponctuelle O à son foyer principal (Figure a). Un faisceau frappe une surface plane réfléchissante : une partie est absorbée, l'autre réfléchie. Si l'angle d'incidence est zéro (rayons perpendiculaires), les rayons réfléchis reprennent le chemin initial (Figure a).

Si la surface est inclinée, l'angle total de déviation de la lumière est le double de l'angle d'inclinaison du miroir, et le foyer se forme dans le même plan que la source mais décalé latéralement (Figure b).

OO' = 2αf = x, où f est la distance focale de la lentille.

En mesurant la distance linéaire QO' (x), on détermine l'inclinaison θ de la surface réfléchissante.

La position de l'image finale ne dépend pas de la distance du réflecteur à la lentille : la séparation x est indépendante de cette position. Si le réflecteur est trop éloigné, le rayon réfléchi manquera la lentille et aucune image ne se formera.

En pratique, la surface de travail dont on veut l'inclinaison forme la surface réfléchissante, et le déplacement x est mesuré par un microscope de précision calibré directement en valeurs d'inclinaison Θ.

Fonctionnement de l'autocollimateur

La surface réfléchissante est celle dont on mesure l'inclinaison. Un micromètre microscope mesure la distance entre la source et le rayon réfléchi dans le plan focal.

1. La source s'allume, les rayons sont extraits des points d'intersection du réticule cible placé dans le plan focal de l'objectif.
2. Le rayon atteint le séparateur de faisceau qui dirige la lumière vers l'objectif.
3. L'objectif parallélise les rayons vers le réflecteur.
4. Deux cas de figure :

Cas 1 : Réflecteur perpendiculaire au rayon

Les rayons parallèles atteignent un réflecteur perpendiculaire → ils reviennent sur leur chemin initial. Ils sont focalisés dans le plan du réticule cible à l'intersection des lignes de croix. Une partie de la lumière refléchie traverse le séparateur → l'image de retour du réticule est visible dans l'oculaire, le télescope fonctionne comme s'il était focalisé à l'infini.

Cas 2 : Réflecteur incliné d'un certain angle

Si le réflecteur est incliné, les rayons parallèles se réfléchissent avec un angle double de l'inclinaison. Après réflexion, ils sont focalisés dans le plan du réticule mais déplacés linéairement de l'intersection des lignes de croix d'une distance = 2 × (angle d'inclinaison) × (distance focale de l'objectif).

Selon qu'on utilise un autocollimateur visuel ou numérique, le déplacement linéaire de l'image du réticule est mesuré par un réticule oculaire et micromètre microscope, ou par un système de détection électronique.

La plupart des autocollimateurs sont étalonnés pour lire directement l'angle d'inclinaison sans conversion. La distance focale et l'ouverture effective déterminent la sensibilité de base et la plage de mesure angulaire.

Types d'autocollimateurs

Deux types principaux :

1. Autocollimateur visuel

L'angle d'inclinaison est mesuré en observant une échelle graduée à travers un oculaire. Plus la distance focale augmente, plus la résolution angulaire augmente et le champ de vision diminue.

2. Autocollimateur numérique

Le réglage micrométrique est prévu, mais la coïncidence entre le réticule de réglage et l'image cible est détectée photo-électriquement. Utilisé en laboratoire. Très haute précision, mesures en temps réel, très convivial.

A. Autocollimateur électronique

Appareil de mesure d'angle de haute précision, sans oculaire optique. Mesure de petites déviations angulaires à des fractions de seconde d'arc. Mesure rapide, simple, précise, généralement la moins coûteuse.

Ces dispositifs très sensibles sont utilisés en ateliers, salles d'outillage, services d'inspection, laboratoires de contrôle qualité pour calculer avec une extrême précision de petits déplacements angulaires, orthogonalité, torsion, parallélisme.

B. Autocollimateur laser

Avec les nouvelles technologies, l'équipement d'autocollimation permet maintenant la mesure directe de faisceaux laser réfléchis. Cette caractéristique unique permet l'alignement simultané de lentilles, miroirs et lasers.

Cette fusion de la technologie d'autocollimation centenaire et de la technologie laser récente donne un instrument très polyvalent capable de mesurer : l'inter-alignement entre multiples lignes de visée, laser par rapport à une ligne de référence mécanique, alignement de différents trous et cavités, parallélisme de multiples rouleaux dans l'industrie du laminage, angle de divergence laser, stabilité spatiale.

C. Autocollimateur hybride

Inventé il y a plusieurs décennies pour des mesures d'angle précises sans contact. Utilisé intensivement pour l'alignement d'angles et d'éléments optiques. Les avancées récentes en photonique ont nécessité l'alignement et la mesure optiques/laser, que la technologie hybride adresse.

De plus, en ciblant la zone d'étude et en mesurant alignement et écarts en microns, la technologie moderne de mise au point motorisée ajoute une nouvelle dimension de mesure. Cet équipement optique multi-fonction/multi-processus servira à mesurer des systèmes hautement intégrés lors de l'assemblage, des tests finaux et de l'examen.

Les technologies hybrides répondent aux besoins de nombreux domaines : alignement laser, caractérisation spatiale, profilage de faisceau de multiples émetteurs uniques. Cette procédure génère des motifs de résolution spatiale dépendants de l'angle des sources lumineuses par rapport à un plan de référence mécanique, solution excellente pour tester rapidement et précisément les lasers VCSEL.

Applications de l'autocollimateur

1. Test direct de glissières de machines-outils.
2. Mesure de très petits angles.
3. Vérification de similarités.
4. Vérification de la base de colonne.
5. Contrôle du planéité de plates-bandes et tables de surface.
6. Mesure de très petits déplacements.
7. Vérification de petits déplacements linéaires.

Avantages de l'autocollimateur

• Très haute précision.
• Large plage de mesure angulaire.
• Installation et utilisation faciles.
• Étude dépassant les normes internationales.
• Résultats visualisables visuellement ou électroniquement (écran d'ordinateur).
• Large gamme d'accessoires et de niveaux disponibles.

Inconvénients de l'autocollimateur

• Maintenance régulière requise.
• Consommateur de temps.
• Nécessite découpage et traitement d'échantillon pour traçage par le détecteur.

Nous avons couvert tous les sujets liés à l'autocollimateur, de la définition aux avantages, inconvénients, types et principe de fonctionnement. Si vous avez aimé l'article, partagez-le avec vos amis.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la méthode d'autocollimation ?

En autocollimation, un faisceau collimaté (rayons parallèles) sort d'un système optique et y est réfléchi par un miroir plan. Utilisé pour déterminer les faibles angles d'inclinaison du miroir.

Qui a inventé l'autocollimateur ?

Le premier autocollimateur Nikon date de 1942. En 1942, Nikon (alors Nippon Kogaku K.K.) a achevé un autocollimateur donnant des lectures précises à une minute d'arc près.