CH626992A5

CH626992A5 -

Info

Publication number: CH626992A5
Application number: CH707379A
Authority: CH
Inventors: James Mckelvie; Colin Alexander Walker
Original assignee: Nat Res Dev
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1981-12-15
Also published as: FR2454602A1; JPS54500096A; FR2454602B1; GB2008791A; EP0006945A1; WO1979000320A1; GB2008791B

Description

La présente invention concerne un procédé et un appareil de détection et de mesure des déformations d'une surface dans son plan. The present invention relates to a method and an apparatus for detecting and measuring deformations of a surface in its plane.

Il est connu de détecter les déformations d'une surface dans son plan en lui appliquant un motif en relief régulier, en prenant une empreinte du motif en relief déformé et en examinant l'empreinte sous deux faisceaux de lumière incidente. Cette méthode est décrite dans le brevet britannique No 1454340 déposé par l'Université de Strathclyde. Cependant, la prise de l'empreinte est parfois une opération délicate. It is known to detect deformations of a surface in its plane by applying a regular relief pattern to it, taking an imprint of the deformed relief pattern and examining the imprint under two beams of incident light. This method is described in British Patent No. 1454340 filed by the University of Strathclyde. However, taking the impression is sometimes a delicate operation.

Dans le brevet britannique N° 1364607, la société Canon propose d'enregistrer photographiquement un motif périodique déformé sur une surface, d'illuminer l'enregistrement avec deux faisceaux de In British Patent No. 1364607, the Canon company proposes to photographically record a deformed periodic pattern on a surface, to illuminate the recording with two beams of

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3

626992 626992

lumière et de combiner lés deux faisceaux diffractés résultants. Ce système permet d'enregistrer photographiquement les profils de déformation sur un seul axe du plan de la surface déformée, mais l'analyse n'est pas instantanée. light and combine the two resulting diffracted beams. This system allows photographic recording of the deformation profiles on a single axis of the plane of the deformed surface, but the analysis is not instantaneous.

Le procédé de l'invention est défini par la revendication 1. The method of the invention is defined by claim 1.

Pour simplifier la géométrie du système, il est préférable d'illuminer le motif périodique avec un faisceau collimaté d'incidence normale et de faire interférer deux faisceaux diffractés de même ordre et de signes contraires. To simplify the geometry of the system, it is preferable to illuminate the periodic pattern with a collimated beam of normal incidence and to cause two diffracted beams of the same order and opposite signs to interfere.

Le motif périodique régulier peut être gravé ou fixé d'une façon quelconque à la surface à examiner. Ce motif est généralement un réseau optique de phase, tel qu'un réseau en relief, fixé à la surface par un adhésif convenable ou formé dans une matière adhérant d'elle-même à la surface. The regular periodic pattern can be engraved or attached in any way to the surface to be examined. This pattern is generally a phase optical network, such as a relief network, fixed to the surface by a suitable adhesive or formed from a material adhering by itself to the surface.

Il est souhaitable que le réseau en relief ne diffracte l'énergie incidente que dans un petit nombre d'ordres de diffraction. Un tel réseau peut avoir une section transversale sensiblement sinusoïdale avec un pas compris entre environ 0,1 mm et 0,001 mm. La longueur d'onde du faisceau d'illumination n'est pas limitée par le pas du réseau, et on peut utiliser la lumière visible, pour plus de commodité. It is desirable that the relief network diffracts the incident energy only in a small number of diffraction orders. Such an array can have a substantially sinusoidal cross section with a pitch of between approximately 0.1 mm and 0.001 mm. The wavelength of the illumination beam is not limited by the pitch of the grating, and visible light can be used for convenience.

Dans les applications où il suffit de détecter les déformations sur un axe, le réseau en relief peut avoir une structure périodique uniquement sur cet axe. Cependant, il est parfois difficile de déterminer l'axe de mesure et la direction de la contrainte n'est pas toujours prévisible. In applications where it is sufficient to detect deformations on an axis, the relief network can have a periodic structure only on this axis. However, it is sometimes difficult to determine the axis of measurement and the direction of the stress is not always predictable.

Le principe de l'invention permet de détecter les déformations sur deux axes du plan avec au moins trois faisceaux combinés en deux paires de façon que l'un des faisceaux coupe le plan défini par les deux autres. En général, le réseau de diffraction est périodique dans deux directions orthogonales. Pour simplifier la réalisation du système, on peut combiner deux paires de faisceaux disposées dans deux plans orthogonaux (ou faisant entre eux un angle connu) qui coupent de préférence orthogonalement le plan de la surface déformée. En variante, on peut utiliser trois paires de faisceaux définissant trois plans dont deux sont orthogonaux, le troisième coupant les deux premiers sous des angles relativement grands, généralement 45° par rapport à chacun des deux plans, les trois plans étant de préférence, mais pas obligatoirement, perpendiculaires à la surface déformée. The principle of the invention makes it possible to detect deformations on two axes of the plane with at least three beams combined in two pairs so that one of the beams intersects the plane defined by the other two. In general, the diffraction grating is periodic in two orthogonal directions. To simplify the construction of the system, it is possible to combine two pairs of beams arranged in two orthogonal planes (or making a known angle between them) which preferably cut orthogonally the plane of the deformed surface. Alternatively, one can use three pairs of beams defining three planes, two of which are orthogonal, the third intersecting the first two at relatively large angles, generally 45 ° relative to each of the two planes, the three planes preferably being, but not obligatorily, perpendicular to the deformed surface.

L'emploi d'au moins deux faisceaux combinés est avantageux par le fait qu'il permet une analyse complète des contraintes dans le plan de la surface, y compris des contraintes de cisaillement. En principe, la solution la plus simple consiste à employer six faisceaux combinés en trois paires. The use of at least two combined beams is advantageous in that it allows a complete analysis of the stresses in the plane of the surface, including shear stresses. In principle, the simplest solution is to use six beams combined in three pairs.

L'invention a également pour objet un appareil défini par la revendication 8. En général, le moyen d'illumination comprend un laser. The invention also relates to an apparatus defined by claim 8. In general, the means of illumination comprises a laser.

La ou chaque paire combinée de faisceaux diffractés peut être soit observée par un opérateur pour une évaluation qualitative, soit enregistrée, par exemple photographiquement, pour une évaluation quantitative ultérieure. Cependant, l'un des principaux avantages de l'appareil de l'invention est qu'il permet de mesurer une contrainte automatiquement et presque instantanément. The or each combined pair of diffracted beams can either be observed by an operator for a qualitative evaluation, or recorded, for example photographically, for a subsequent quantitative evaluation. However, one of the main advantages of the apparatus of the invention is that it makes it possible to measure a stress automatically and almost instantaneously.

L'appareil de l'invention pour la détection des contraintes peut comprendre un moyen de détection sensible aux intervalles entre les franges d'interférence mesurées dans une direction transversale par rapport au faisceau combiné. The apparatus of the invention for the detection of stresses may comprise a detection means sensitive to the intervals between the interference fringes measured in a direction transverse to the combined beam.

Le moyen de détection de Ja longueur d'onde moyenne peut comprendre un ensemble de dispositifs photosensibles disposés en ligne transversalement par rapport à chaque paire de faisceaux combinés, dans le plan défini par la paire de faisceaux avant combinaison, les dimensions des dispositifs étant petites comparées au diamètre du faisceau. On peut utiliser une série de photodiodes ou de cellules à couplage de charges associées à un dispositif d'analyse récurrente qui fournit un signal de sortie fonction de l'intensité du rayonnement reçu par chaque diode ou cellule. En variante, on peut utiliser un tube vidicon comme moyen de détection. The medium wavelength detection means can comprise a set of photosensitive devices arranged in line transversely with respect to each pair of beams combined, in the plane defined by the pair of beams before combination, the dimensions of the devices being small compared to the beam diameter. One can use a series of photodiodes or charge coupled cells associated with a recurrent analysis device which provides an output signal depending on the intensity of the radiation received by each diode or cell. Alternatively, a vidicon tube can be used as the detection means.

Dans un autre mode de réalisation, un moyen de modulation de phase introduit une variation continue de la phase relative des deux faisceaux combinés de façon à produire des franges d'interférence mobiles qui sont détectées par deux dispositifs photosensibles espacés d'une distance relativement petite comparée à l'intervalle des franges d'interférence dans une direction telle que les deux dispositifs soient relativement éloignés dans le plan qui est défini par les deux faisceaux combinés, des comparateurs de phase détectant le déphasage variable des signaux de sortie des deux dispositifs photosensibles. In another embodiment, a phase modulation means introduces a continuous variation of the relative phase of the two beams combined so as to produce mobile interference fringes which are detected by two photosensitive devices spaced apart by a relatively small distance compared at the interval of the interference fringes in a direction such that the two devices are relatively distant in the plane which is defined by the two beams combined, phase comparators detecting the variable phase shift of the output signals of the two photosensitive devices.

Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation de l'objet de l'invention: The appended drawings represent, by way of nonlimiting examples, several embodiments of the subject of the invention:

la fig. 1 représente schématiquement un appareil de mesure des contraintes sur un seul axe; fig. 1 schematically represents an apparatus for measuring stresses on a single axis;

la fig. 2a est une section d'un réseau en relief qui peut être utilisé dans l'appareil de la fig. 1 ; fig. 2a is a section of a relief network which can be used in the apparatus of FIG. 1;

la fig. 2b représente les faisceaux diffractés par le réseau de la fig. 2a illuminé normalement; fig. 2b represents the beams diffracted by the grating of FIG. 2a illuminated normally;

la fig. 2c indique la position des ordres de diffraction; fig. 2c indicates the position of the diffraction orders;

la fig. 3 illustre un ensemble de franges moirées; fig. 3 illustrates a set of moire fringes;

la fig. 4a représente schématiquement un appareil de détection des contraintes dans trois directions différentes d'un même plan; fig. 4a schematically represents a stress detection device in three different directions of the same plane;

la fig. 4b représente un réseau en relief et montre les positions relatives des différents ordres de diffraction; fig. 4b represents a relief network and shows the relative positions of the different orders of diffraction;

la fig. 5 est une forme d'onde type fournie par une série de photodiodes recevant les franges d'interférence; fig. 5 is a typical waveform provided by a series of photodiodes receiving the interference fringes;

la fig. 6 est un schéma synoptique d'un circuit de calcul des contraintes sur trois axes; fig. 6 is a block diagram of a stress calculation circuit on three axes;

la fig. 7 est un exemple de modulateur de phase interceptant l'un des faisceaux diffractés; fig. 7 is an example of a phase modulator intercepting one of the diffracted beams;

la fig. 8 illustre l'effet de la modulation de phase; fig. 8 illustrates the effect of phase modulation;

la fig. 9 représente un modulateur de phase agissant sur le faisceau d'entrée d'un système optique polarisé; fig. 9 shows a phase modulator acting on the input beam of a polarized optical system;

les fig. 10a et 10b représentent deux dispositions possibles des lignes de photodétecteurs; fig. 10a and 10b represent two possible arrangements of the lines of photodetectors;

la fig. 10c représente une matrice bidimensionnelle de photodétecteurs. fig. 10c represents a two-dimensional array of photodetectors.

Sur la fig. 1, un objet 10 soumis à des contraintes porte un réseau optique en relief 12 qui peut être fixé par un adhésif approprié. Le réseau 12 est illuminé sous une incidence normale par un faisceau 14 de lumière collimatée de quelques millimètres de diamètre produit par un laser 15. Le laser 15, qui peut être un laser Hughes de 2 mW, est excité par une alimentation 17 et une source électrique 19. On voit sur la fig. 2a que le réseau 12 a une structure périodique régulière selon une dimension, sa surface formant des ondulations sinusoïdales dont le pas AB est de l'ordre de 1 ou 2 (j.. Les stries parallèles du réseau sont perpendiculaires au plan de la fig. 2a et la lumière incidente est diffractée avec des intensités appréciables dans quelques ordres seulement, comme illustré sur la fig. 2b. Ces ordres de diffraction peuvent être représentés sous la forme d'une ligne de points lumineux parallèle au plan du réseau et perpendiculaire à ses stries, comme illustré sur la fig. 2c. L'appareil de la fig. 1 utilise, par exemple, les faisceaux diffractés du second ordre de signes contraires. Ces faisceaux 16,18 sont réfléchis par des miroirs plans 20,22 et 24 et sont combinés en un faisceau unique 30 par un mélangeur 26. Tant que le réseau 12 n'est pas déformé, la distribution spatiale de la lumière dans le faisceau combiné reste constante à condition que les miroirs soient correctement alignés. Par contre, si l'objet 10 est déformé dans le plan de la figure perpendiculairement au faisceau incident 14, le réseau 12 est soumis à des contraintes et le faisceau combiné 30 contient des informations d'interférence liées à ces contraintes. In fig. 1, an object 10 subjected to stresses carries an optical network in relief 12 which can be fixed by an appropriate adhesive. The array 12 is illuminated under normal incidence by a beam 14 of collimated light a few millimeters in diameter produced by a laser 15. The laser 15, which can be a Hughes laser of 2 mW, is excited by a power supply 17 and a source electric 19. We see in fig. 2a that the network 12 has a regular periodic structure along a dimension, its surface forming sinusoidal undulations whose pitch AB is of the order of 1 or 2 (j. The parallel streaks of the network are perpendicular to the plane of FIG. 2a and the incident light is diffracted with appreciable intensities in only a few orders, as illustrated in Fig. 2. These diffraction orders can be represented in the form of a line of light points parallel to the plane of the grating and perpendicular to its streaks, as illustrated in Fig. 2c The apparatus of Fig. 1 uses, for example, second order diffracted beams of opposite signs. These beams 16,18 are reflected by plane mirrors 20,22 and 24 and are combined into a single beam 30 by a mixer 26. As long as the grating 12 is not deformed, the spatial distribution of the light in the combined beam remains constant provided that the mirrors are correctly aligned. if the object 10 is deformed in the plane of the figure perpendicular to the incident beam 14, the network 12 is subjected to stresses and the combined beam 30 contains interference information linked to these stresses.

Les franges moirées de la fig. 3 peuvent être considérées comme des courbes de niveau d'un terrain dont le relief représenterait les contraintes de la pièce. Etant donné que chaque courbe représente un déplacement unitaire, il est évident que les contraintes sont plus fortes dans la région C que dans la région B. L'appareil de la fig. 1 est sensible aux contraintes qui s'exercent parallèlement à un axe donné (représenté par la flèche G) et fournit une mesure de la composante The moire fringes of fig. 3 can be considered as contour lines of a terrain whose relief would represent the constraints of the room. Since each curve represents a unit displacement, it is obvious that the stresses are stronger in region C than in region B. The apparatus of FIG. 1 is sensitive to the stresses which are exerted parallel to a given axis (represented by the arrow G) and provides a measure of the component

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

626992 626992

4 4

de contrainte sur l'axe choisi. Les franges d'interférence contenues dans le faisceau combiné 30 ne sont pas des franges moirées, mais possèdent certaines de leurs propriétés. On peut notamment les projeter sur un écran et les observer visuellement ou les enregistrer directement sur un support photographique pour calculer ultérieurement l'intensité de la contrainte. of stress on the chosen axis. The interference fringes contained in the combined beam 30 are not moire fringes, but have some of their properties. One can in particular project them on a screen and observe them visually or record them directly on a photographic support to calculate later the intensity of the stress.

Pour analyser complètement les contraintes, il faut généralement les mesurer sur deux ou trois axes du plan en doublant ou en triplant le système de miroirs de la fig. 1. Si les mesures se font sur deux axes, ces derniers sont généralement orthogonaux, bien qu'on puisse aussi utiliser d'autres angles. La fig. 4a illustre un système de mesure des composantes de contrainte sur trois axes différents. To fully analyze the stresses, it is generally necessary to measure them on two or three axes of the plane by doubling or tripling the system of mirrors in fig. 1. If the measurements are made on two axes, the latter are generally orthogonal, although other angles can also be used. Fig. 4a illustrates a system for measuring the stress components on three different axes.

La fig. 4a correspond à ce que verrait un observateur regardant du laser 15 vers le réseau 12 de l'appareil de la fig. 1. Les miroirs 22, 24 et le mélangeur de faisceaux 26 sont également représentés sur la fig. 4a. Pour les deux autres axes de mesure, on utilise des ensembles de miroirs 32,34 et 42,44 associés à des mélangeurs de faisceaux 36, 46. Chaque système optique est capable de mesurer la contrainte sur un axe différent du plan du réseau. Il est commode d'adopter une disposition à deux axes orthogonaux, le troisième faisant un angle de 453 avec chacun des deux premiers. On peut cependant choisir d'autres dispositions à condition que les angles de deux axes ne soient pas trop petits, c'est-à-dire pas inférieurs à 20°, Fig. 4a corresponds to what an observer looking from the laser 15 towards the network 12 of the apparatus of FIG. 1. The mirrors 22, 24 and the beam mixer 26 are also shown in FIG. 4a. For the other two measurement axes, sets of mirrors 32,34 and 42,44 are used associated with beam mixers 36, 46. Each optical system is capable of measuring the stress on an axis different from the plane of the network. It is convenient to adopt a layout with two orthogonal axes, the third making an angle of 453 with each of the first two. We can however choose other arrangements provided that the angles of two axes are not too small, that is to say not less than 20 °,

De plus, le réseau en relief doit avoir une structure périodique, de préférence sinusoïdale, dans deux directions. La fig. 4b est un développement bidimensionnel du réseau de la fig. 2c. On voit que les stries croisées du réseau 13 forment une grille carrée qui contient un ensemble bidimensionnel de points représentant les faisceaux diffractés. In addition, the relief network must have a periodic structure, preferably sinusoidal, in two directions. Fig. 4b is a two-dimensional development of the network of FIG. 2c. It can be seen that the crossed streaks of the network 13 form a square grid which contains a two-dimensional set of points representing the diffracted beams.

Avec l'appareil de la fig. 4a, les faisceaux combinés de chacun des trois systèmes d'optique sont orientés différemment et peuvent être reçus sur un écran ou enregistrés photographiquement, par exemple au point 31 de la fig. 1 et en deux points correspondants de la fig. 4a. Chaque faisceau combiné contient des informations d'interférence représentatives de la composante de contrainte qui est détectée sur l'axe correspondant. On peut ainsi calculer la valeur de la contrainte dans trois directions du plan du réseau à partir de trois configurations d'interférence sans risques de mélange des informations relatives aux différents axes. Les mesures peuvent se faire simultanément sur plusieurs axes. Cependant, pour connaître la grandeur et l'orientation de la contrainte qui existe dans le plan de la surface, il faut combiner vectoriellement les composantes de contrainte ainsi déterminées, ce qui implique des calculs mathématiques complexes. With the apparatus of fig. 4a, the combined beams of each of the three optical systems are oriented differently and can be received on a screen or recorded photographically, for example at point 31 of FIG. 1 and at two corresponding points in FIG. 4a. Each combined beam contains interference information representative of the stress component which is detected on the corresponding axis. It is thus possible to calculate the value of the stress in three directions of the plane of the network from three interference configurations without risk of mixing information relating to the different axes. Measurements can be made simultaneously on several axes. However, to know the magnitude and the orientation of the stress which exists in the plane of the surface, it is necessary to combine vectorially the stress components thus determined, which implies complex mathematical calculations.

Le grand avantage du procédé de l'invention tient au fait que l'analyse et les calculs peuvent se faire en temps réel avec un système entièrement automatique. Dans l'appareil de la fig. 1, l'œil de l'observateur ou l'appareil photographique placé au point 31 peut être remplacé par un système d'analyse électronique 38. Ce système peut utiliser un ensemble de photodiodes ou de dispositifs à couplage de charges et un circuit de balayage, ou un tube analyseur vidicon ou similaire. L'appareil de la fig. 4a utilise un dispositif analyseur pour chacun de ses trois systèmes optiques, mais il n'est pas représenté sur la figure pour clarifier le dessin. The great advantage of the method of the invention is that the analysis and calculations can be done in real time with a fully automatic system. In the apparatus of fig. 1, the observer's eye or the camera placed at point 31 can be replaced by an electronic analysis system 38. This system can use a set of photodiodes or charge coupled devices and a scanning circuit , or a vidicon or similar analyzer tube. The apparatus of fig. 4a uses an analyzer device for each of its three optical systems, but it is not shown in the figure to clarify the drawing.

Le graphique de la fig. 5 représente la distribution de l'intensité lumineuse dans le faisceau combiné autour d'un niveau de base 50. Ce faisceau est dirigé sur un ensemble linéaire 52 de photodiodes 54. Il y a par exemple 256 photodiodes fournissant chacune une tension de sortie proportionnelle à l'intensité lumineuse reçue. En comparant successivement le signal de chaque photodiode à une tension de référence représentative du niveau de base 50, on peut déterminer les points où la forme d'onde de la fig. 5 coupe la ligne de base 50. Il suffit alors de compter les photodiodes comprises dans l'intervalle de deux intersections pour quantifier approximativement la distribution de l'énergie lumineuse dans le faisceau combiné. The graph in fig. 5 represents the distribution of the light intensity in the combined beam around a base level 50. This beam is directed on a linear assembly 52 of photodiodes 54. There are for example 256 photodiodes each supplying an output voltage proportional to the light intensity received. By successively comparing the signal of each photodiode with a reference voltage representative of the base level 50, it is possible to determine the points where the waveform of FIG. 5 crosses the baseline 50. It is then sufficient to count the photodiodes included in the interval of two intersections to approximately quantify the distribution of light energy in the combined beam.

L'appareil de la fig. 6 permet d'effectuer ce traitement à partir de trois ensembles de photodiodes 52A, 52B et 52C déterminant les trois axes de mesure. Chaque ensemble est associé à un dispositif d'analyse individuelle 51A, 51B et 51C dont les signaux de sortie sont appliqués The apparatus of fig. 6 allows this processing to be carried out from three sets of photodiodes 52A, 52B and 52C determining the three measurement axes. Each set is associated with an individual analysis device 51A, 51B and 51C whose output signals are applied

à trois comparateurs de tension, respectivement 53A, 53B et 53C. Les informations fournies par les comparateurs sont appliquées à un microprocesseur 55 qui effectue tous les calculs. La tension de référence de chaque comparateur est fournie par un circuit de 5 référence associé 57A, 57B et 57C. with three voltage comparators, respectively 53A, 53B and 53C. The information provided by the comparators is applied to a microprocessor 55 which performs all the calculations. The reference voltage of each comparator is supplied by an associated reference circuit 57A, 57B and 57C.

Avec une programmation convenable, le microprocesseur peut déterminer à partir des trois signaux de comparaison la grandeur et la direction de la contrainte principale dans le plan du réseau, ainsi que la contrainte maximale de cisaillement. Le résultat est quasi 10 instantané et peut être présenté sous une forme numérique. L'interprétation des franges d'interférence ne nécessite pas un opérateur particulièrement expérimenté. Par ailleurs, si les contraintes se situent dans le domaine élastique, il est possible de calculer les efforts correspondants en fournissant au microprocesseur les valeurs du 15 module d'Young et du rapport de Poisson de la matière déformée. With proper programming, the microprocessor can determine from the three comparison signals the magnitude and direction of the main stress in the plane of the network, as well as the maximum shear stress. The result is almost instantaneous and can be presented in digital form. Interpreting the interference fringes does not require a particularly experienced operator. Furthermore, if the stresses lie in the elastic range, it is possible to calculate the corresponding forces by supplying the microprocessor with the values of the Young's modulus and the Poisson's ratio of the deformed material.

En pratique, la forme d'onde de la fig. 5 n'est pas une sinusoïde parfaite, que sa longueur d'onde soit fixe ou variable, mais présente des irrégularités mineures de courbure causées par exemple par la présence dépoussiérés dans le système optique. L'appareil de 20 l'invention est destiné à fonctionner en ambiance industrielle et il est inutile d'espérer obtenir la même propreté que dans un laboratoire d'optique. Il faut donc prévoir un système de correction statistique. Le microprocesseur est programmé de façon à calculer pour chaque axe de mesure l'intervalle moyen et l'écart de la distribution. 25 Lorsqu'une valeur diffère de la moyenne de plus d'un écart type, elle est ignorée et l'intervalle moyen est recalculé. Par cette méthode statistique classique, on peut obtenir une mesure précise de l'espacement des franges, malgré des perturbations aléatoires. 30 Cependant, dans les cas où le système est fortement perturbé, il est préférable d'Utiliser une autre technique illustrée par la fig. 7, qui correspond à l'appareil de la fig. 1. Les faisceaux 16,18 diffractés par un réseau bidimensionnel en relief 13 sont combinés par un jeu de miroirs 20,22 et 24, mais un modulateur de phase 60 est intercalé 35 dans le trajet du faisceau optique 18. Le modulateur 60 introduit une modulation continue de la phase du faisceau qui modifie sa longueur d'onde. Cet effet peut être obtenu avec un dispositif électro-optique ou un quartz piézoélectrique excité par un signal en dents de scie. En variante, on peut utiliser un dispositif acousto-optique ou un réseau 40 de diffraction mobile; mais, dans ce cas, la variation de longueur d'onde est continuelle plutôt que strictement continue. In practice, the waveform of FIG. 5 is not a perfect sinusoid, whether its wavelength is fixed or variable, but has minor irregularities in curvature caused for example by the presence of dust in the optical system. The apparatus of the invention is intended to operate in an industrial environment and it is useless to hope to obtain the same cleanliness as in an optical laboratory. It is therefore necessary to provide for a system of statistical correction. The microprocessor is programmed to calculate the mean interval and the deviation of the distribution for each measurement axis. 25 When a value differs from the mean by more than one standard deviation, it is ignored and the mean interval is recalculated. By this classical statistical method, one can obtain an accurate measurement of the fringe spacing, despite random disturbances. However, in cases where the system is highly disturbed, it is preferable to use another technique illustrated in FIG. 7, which corresponds to the apparatus of FIG. 1. The beams 16, 18 diffracted by a two-dimensional relief network 13 are combined by a set of mirrors 20, 22 and 24, but a phase modulator 60 is inserted 35 in the path of the optical beam 18. The modulator 60 introduces a continuous modulation of the phase of the beam which modifies its wavelength. This effect can be obtained with an electro-optical device or a piezoelectric quartz excited by a sawtooth signal. As a variant, it is possible to use an acousto-optical device or a mobile diffraction grating 40; but, in this case, the variation in wavelength is continuous rather than strictly continuous.

La modulation de la phase de l'une des composantes du faisceau combiné 33 se traduit par un mouvement transversal des franges d'interférence, comme indiqué par la flèche sur la fig. 8, alors que ces 45 franges étaient fixes dans le cas de la fig. 5. Par contre, le bruit de fond reste immobile. Les franges mobiles peuvent être détectées par deux photodiodes 56, 58 dont l'espacement S x est petit comparé à la longueur d'onde X des franges. Connaissant S x, il suffit de détecter le déphasage des signaux des diodes 56, 58 au moyen d'un comparateur 50 de phase 59 pour éliminer l'influence du bruit de fond dans la détermination de la longueur d'onde moyenne X. La solution de la fig. 8 est intéressante, car elle permet de remplacer l'ensemble de photodiodes 52 des fig. 5 et 6 par une paire de photodiodes et supprime le calcul de l'écart type. The phase modulation of one of the components of the combined beam 33 results in a transverse movement of the interference fringes, as indicated by the arrow in FIG. 8, while these 45 fringes were fixed in the case of FIG. 5. On the other hand, the background noise remains stationary. The mobile fringes can be detected by two photodiodes 56, 58 whose spacing S x is small compared to the wavelength X of the fringes. Knowing S x, it suffices to detect the phase shift of the signals from the diodes 56, 58 by means of a phase comparator 50 to eliminate the influence of the background noise in determining the average wavelength X. The solution of fig. 8 is interesting because it makes it possible to replace the set of photodiodes 52 of FIGS. 5 and 6 by a pair of photodiodes and suppresses the calculation of the standard deviation.

55 Pour un appareil à plusieurs axes de mesure, il faut utiliser un modulateur de phase et un comparateur dans chacun des trois systèmes optiques de la fig. 4a, les sorties des deux photodiodes étant appliquées au comparateur de phase associé. 55 For a device with several measurement axes, a phase modulator and a comparator must be used in each of the three optical systems in fig. 4a, the outputs of the two photodiodes being applied to the associated phase comparator.

L'emploi de plusieurs modulateurs de phase est cependant un 60 inconvénient car ces dispositifs sont généralement encombrants et coûteux. Par contre, la solution de la fig. 9 n'utilise qu'un seul modulateur de phase associé à un système optique polarisé. La disposition générale est semblable à celle des fig. 1 à 7, mais l'un des miroirs n'a pas été représenté pour simplifier le dessin. 65 Le faisceau laser 14 ayant initialement une polarisation plane symbolisée par les petits traits perpendiculaires est dirigé sur un diviseur optique 64 qui en réfléchit une partie vers un miroir plan 66 et un modulateur de phase 68. The use of several phase modulators is however a drawback since these devices are generally bulky and expensive. On the other hand, the solution of fig. 9 uses only one phase modulator associated with a polarized optical system. The general arrangement is similar to that of figs. 1 to 7, but one of the mirrors has not been shown to simplify the drawing. 65 The laser beam 14 having initially a plane polarization symbolized by the small perpendicular lines is directed on an optical divider 64 which reflects part of it towards a plane mirror 66 and a phase modulator 68.

5 5

626992 626992

Le faisceau modulé passe à travers un rotateur 70 qui fait tourner son plan de polarisation de 90°, comme indiqué symboliquement par des points sur l'axe du faisceau. Le faisceau du rotateur 70 est renvoyé vers l'axe initial par un miroir plan 72 et est recombiné au faisceau non modulé par un mélangeur 74. Le faisceau résultant illumine le réseau optique 13 sous une incidence normale et produit deux faisceaux diffractés 16,18 qui contiennent chacun deux composantes polarisées orthogonalement, dont l'une est en outre modulée en phase. Le faisceau 18 est renvoyé par le miroir plan 24 à . travers un analyseur 76 qui ne laisse passer que la composante de polarisation modulée en phase. Cette composante passe ensuite à travers un rotateur 78 qui fait tourner son plan de polarisation de 90° pour le ramener dans sa direction initiale. Le faisceau 16 est renvoyé par le miroir plan 22 à travers un analyseur 80 qui ne laisse passer que la première polarisation en bloquant la composante modulée. Les deux faisceaux sont ensuite recombinés par le mélangeur 26 en un faisceau 33 qui est détecté par une paire de photodiodes 56,58. Le faisceau combiné 33 est polarisé linéairement dans le plan initial du laser, mais contient des composantes modulées et non modulées en phase provenant respectivement des faisceaux diffractés 18 et 16. On obtient donc un système de franges mobiles comme dans l'appareil de la fig. 7. Les trois systèmes optiques comprennent chacun des miroirs plans 22 et 24, des analyseurs 76 et 80, un rotateur 78, un mélangeur 26 et des photodiodes 56,58, mais il n'y a qu'un seul modulateur de phase 68. The modulated beam passes through a rotator 70 which rotates its plane of polarization by 90 °, as symbolically indicated by points on the axis of the beam. The beam of the rotator 70 is returned to the initial axis by a plane mirror 72 and is recombined with the beam not modulated by a mixer 74. The resulting beam illuminates the optical network 13 under normal incidence and produces two diffracted beams 16,18 which each contain two orthogonally polarized components, one of which is furthermore phase modulated. The beam 18 is returned by the plane mirror 24 to. through an analyzer 76 which allows only the phase modulated polarization component to pass. This component then passes through a rotator 78 which rotates its plane of polarization by 90 ° to bring it back to its initial direction. The beam 16 is returned by the plane mirror 22 through an analyzer 80 which allows only the first polarization to pass by blocking the modulated component. The two beams are then recombined by the mixer 26 into a beam 33 which is detected by a pair of photodiodes 56,58. The combined beam 33 is linearly polarized in the initial plane of the laser, but contains modulated and unmodulated components in phase originating respectively from the diffracted beams 18 and 16. A system of mobile fringes is thus obtained as in the apparatus of FIG. 7. The three optical systems each include plane mirrors 22 and 24, analyzers 76 and 80, a rotator 78, a mixer 26 and photodiodes 56,58, but there is only one phase modulator 68.

L'appareil de l'invention peut faire l'objet de plusieurs variantes. Par exemple, au lieu d'utiliser un réseau en relief de pas relativement grand et des ordres de diffraction élevés, comme dans le cas de la fig. 1, on peut choisir un réseau à haute fréquence, et travailler avec des paires de faisceaux diffractés d'ordre plus bas. L'analyse sur un ou deux axes est également possible, bien que l'analyse triaxiale soit d'une application plus générale. , The apparatus of the invention can be the subject of several variants. For example, instead of using a relief network of relatively large pitch and high diffraction orders, as in the case of FIG. 1, one can choose a high frequency network, and work with pairs of diffracted beams of lower order. Analysis on one or two axes is also possible, although triaxial analysis is of more general application. ,

Dans la description qui précède, on a supposé que le réseau périodique était parfait, ce qui n'est généralement pas le cas. On peut cependant négliger l'effet des imperfections du réseau tant que la valeur mesurée est inférieure à environ à 10 microcontraintes, c'est-à-dire si les imperfections du réseau sont normalement inférieures à 10 microcontraintes. Dans la pratique courante, on étalonne généralement le réseau avant déformation en combinant au moins une paire de faisceaux et en comptant les franges avec un système automatique. La valeur obtenue sert à corriger les mesures ultérieures pour éliminer l'effet des imperfections du réseau. In the above description, it has been assumed that the periodic network is perfect, which is generally not the case. However, the effect of network imperfections can be neglected as long as the measured value is less than about 10 micro-stresses, that is to say if the network imperfections are normally less than 10 micro-stresses. In current practice, the network is generally calibrated before deformation by combining at least one pair of beams and counting the fringes with an automatic system. The value obtained is used to correct subsequent measurements to eliminate the effect of network imperfections.

Lorsqu'on utilise un système de comptage automatique des franges, le faisceau peut avoir un diamètre de quelques millimètres et la valeur mesurée représente la moyenne de la contrainte sur le champ de vision des détecteurs (les photodiodes ont généralement un champ plus petit que le diamètre du faisceau). Dans un système à lecture automatique, le diamètre du faisceau peut être de l'ordre de 50 mm, ce qui permet d'observer les variations de contrainte dans le champ de vision. When using an automatic fringe counting system, the beam can have a diameter of a few millimeters and the measured value represents the average of the stress over the field of vision of the detectors (photodiodes generally have a field smaller than the diameter beam). In an automatic reading system, the beam diameter can be of the order of 50 mm, which makes it possible to observe the variations in stress in the field of vision.

Un avantage des faisceaux larges est que le gondolement du réseau hors de son plan n'a qu'un effet du second ordre. Avec un système automatique, l'effet est encore faible, mais peut être compensé en mesurant la position de l'ordre de diffraction zéro et en appliquant aux mesures une correction appropriée. An advantage of wide beams is that the warping of the network out of its plane has only a second order effect. With an automatic system, the effect is still small, but can be compensated for by measuring the position of the order of zero diffraction and applying an appropriate correction to the measurements.

Une autre modification de l'appareil de l'invention consiste à utiliser deux paires de faisceaux qui se coupent sous des angles importants, généralement droits. La détection spatiale des franges d'interférence se fait avec un ensemble bidimensionnel de photodétecteurs alignés sur des axes respectivement parallèle et perpendiculaire au plan défini par les deux faisceaux avant combinaison. Les fig. 10a et 10b illustrent des dispositions en T et en L de deux lignes 82,84 de photodétecteurs. On pourrait aussi choisir une disposition en croix. Il faut un ensemble de détecteur par faisceau combiné et la contrainte peut être calculée à partir de quatre mesures. Cette solution simplifie sensiblement le système optique. Another modification of the apparatus of the invention consists in using two pairs of beams which intersect at large angles, generally straight angles. The spatial detection of the interference fringes is done with a two-dimensional set of photodetectors aligned on axes respectively parallel and perpendicular to the plane defined by the two beams before combination. Figs. 10a and 10b illustrate T and L arrangements of two lines 82, 84 of photodetectors. We could also choose a cross arrangement. One detector set per combined beam is required and the stress can be calculated from four measurements. This solution significantly simplifies the optical system.

On peut utiliser un champ de vision encore plus étendu, même avec un système de mesure automatique. Dans l'exemple de la fig. 10c, une matrice carrée 86 constituée de cellules photosensibles 88 est utilisée pour détecter en un certain nombre de points du champ de vision les variations spatiales du faisceau combiné dans un plan transversal. On peut par exemple mesurer l'espacement des franges d'interférence en sélectionnant des paires de photodétecteurs et en mesurant le déphasage de leurs signaux causé par le mouvement des franges d'interférence. En choisissant des paires de photodétecteurs alignées parallèlement et perpendiculairement au plan des faisceaux non combinés, il est possible de mesurer l'espacement des franges sur ces deux axes en plusieurs points du champ de vision. Deux séries de mesures de ce type permettent de reconstituer par le calcul toutes les courbes d'équicontrainte pour le champ de vision utilisé. Dans ce cas, le faisceau d'illumination peut avoir un diamètre de 10 à 100 mm. An even wider field of vision can be used, even with an automatic measurement system. In the example of fig. 10c, a square matrix 86 made up of photosensitive cells 88 is used to detect at a certain number of points of the field of vision the spatial variations of the combined beam in a transverse plane. One can for example measure the spacing of the interference fringes by selecting pairs of photodetectors and by measuring the phase shift of their signals caused by the movement of the interference fringes. By choosing pairs of photodetectors aligned parallel and perpendicular to the plane of the non-combined beams, it is possible to measure the spacing of the fringes on these two axes at several points of the field of vision. Two series of measurements of this type make it possible to reconstruct, by calculation, all the stress-equalization curves for the field of vision used. In this case, the illumination beam can have a diameter of 10 to 100 mm.

Dans le procédé et l'appareil de l'invention, il est éminemment souhaitable que le réseau en relief ne soit pas lié rigidement au système d'analyse. Dans ce cas, les vibrations du réseau hors de son plan et dans son plan n'ont que des effets du second ordre sur les franges d'interférence. Une rotation dans le plan du réseau àffecte.les deux composantes de chaque faisceau combiné. Même si les franges ne sont pas continuellement visibles, on peut suivre les tendances d'une situation évolutive. In the method and the apparatus of the invention, it is eminently desirable that the relief network is not rigidly linked to the analysis system. In this case, the vibrations of the network outside its plane and in its plane have only second order effects on the interference fringes. A rotation in the plane of the network affects the two components of each combined beam. Even if the fringes are not continuously visible, we can follow the trends of an evolutionary situation.

Par contre, dans toutes les formes de l'invention, il est essentiel que les éléments des systèmes optiques soient alignés avec une grande précision, car toutes vibration mécanique d'un élément du système risque de perturber la formation ou la réception d'un ou plusieurs faisceaux combinés. Dans de nombreux cas, il sera nécessaire d'utiliser un servomécanisme classique pour stabiliser le système et maintenir l'alignement nécessaire. By cons, in all forms of the invention, it is essential that the elements of the optical systems are aligned with great precision, because any mechanical vibration of an element of the system may disturb the formation or reception of one or several beams combined. In many cases, it will be necessary to use a conventional servomechanism to stabilize the system and maintain the necessary alignment.

Bien que la description qui précède ne concerne que des réseaux en relief, il est également possible d'utiliser d'autres réseaux périodiques, par exemple un réseau modulé en intensité ou un hologramme épais blanchi dont la surface arrière est rendue réflectrice. Although the above description only concerns relief networks, it is also possible to use other periodic networks, for example an intensity modulated network or a thick whitened hologram whose rear surface is made reflective.

Les systèmes optiques décrits n'utilisent pas de lentilles. Cependant, dans les applications nécessitant un très petit champ de vision, par exemple, si la résolution spatiale est un critère important, on peut employer un système de grossissement élargissant la trace du faisceau sur le système de détection. The optical systems described do not use lenses. However, in applications requiring a very small field of vision, for example, if spatial resolution is an important criterion, one can use a magnification system widening the beam trace on the detection system.

Dans la description qui précède, les franges d'interférence ont toujours été obtenues avec deux faisceaux diffractés de même ordre et de signes contraires. De plus, la sensibilité est liée à l'angle des. faisceaux diffractés et un système symétrique est préférable de ce point de vue. Cependant, si l'on ne cherche pas une sensibilité maximale, il est possible de combiner le faisceau d'ordre zéro avec un, deux ou trois faisceaux diffractés. Les dimensions physiques de l'appareil peuvent être plus réduites, car l'angle des faisceaux interférents est divisé par deux. Cette solution peut faciliter le montage de l'appareil dans un endroit confiné, par exemple dans un coin de pièce, mais nécessite au moins un diviseur de faisceau supplémentaire. In the foregoing description, the interference fringes have always been obtained with two diffracted beams of the same order and of opposite signs. In addition, the sensitivity is related to the angle of. diffracted beams and a symmetrical system is preferable from this point of view. However, if a maximum sensitivity is not sought, it is possible to combine the zero order beam with one, two or three diffracted beams. The physical dimensions of the device can be reduced, since the angle of the interfering beams is halved. This solution can facilitate the mounting of the device in a confined place, for example in a corner of a room, but requires at least one additional beam splitter.

Dans les variantes illustrées, les faisceaux sont combinés après réflexion sur de petits miroirs. Il faut évidemment que chaque miroir ne réfléchisse qu'un seul faisceau, soit parce qu'il est étroit, soit parce que le miroir est monté à une distance suffisante pour permettre la séparation géométrique des faisceaux diffractés dans un système à faisceau large. Si nécessaire, on peut ajouter une lentille et un diaphragme entre le mélangeur de faisceaux (26 sur la fig. 1) et le système de détection pour arrêter les faisceaux diffractés gênants. In the illustrated variants, the beams are combined after reflection on small mirrors. Obviously, each mirror must reflect only a single beam, either because it is narrow, or because the mirror is mounted at a sufficient distance to allow the geometric separation of the diffracted beams in a wide beam system. If necessary, a lens and a diaphragm can be added between the beam mixer (26 in fig. 1) and the detection system to stop the annoying diffracted beams.

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

R R

2 feuilles dessins 2 sheets of drawings

Claims

626992

1. A method of detecting and measuring the deformations of a surface in its plane, the surface carrying a regular periodic pattern which is deformed at the same time as it, said method being characterized in that it consists in illuminating the deformed pattern with a beam of coherent electromagnetic energy which is reflected as a zero order beam and several diffracted beams, and combining two of these beams so that they interfere in a way related to the deformation of the surface along the intersection of its plane with a plane defined by the two interfering beams.

2. Method according to claim 1, characterized in that the regular periodic pattern is a relief pattern.

2

3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the combined beams are two diffracted beams of the same order and opposite signs.

4. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the zero order beam is combined with a diffracted beam.

5. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pattern is periodic on two axes of its plane, and in that at least three beams are combined in at least two pairs, one of the beams cutting the plan defined by the other two.

6. Method according to claim 5, characterized in that the pattern is periodic on two orthogonal axes and in that two pairs of beams are combined, the planes defined by each of the pairs of beams being mutually orthogonal.

7. Method according to claim 5, characterized in that the pattern is periodic on two orthogonal axes, and in that three pairs of beams are combined, said pairs defining three planes of which two are orthogonal and the third cuts the other two at 45 °, the three planes being perpendicular to the deformed surface.

8. Apparatus for implementing the method according to claim 1 for detecting and measuring the deformations of a surface in its plane, by means of a regular periodic pattern applied to said surface, comprising means for illuminating said pattern with a beam coherent electromagnetic energy, said apparatus being characterized in that it also comprises means (20,22,24) for receiving at least two beams from a group consisting of the zero order beam and the various beams diffracted and combining (26) said beams to produce interference.

9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the two received and combined beams are diffracted beams of the same order and opposite signs.

10. Apparatus according to claim 8, characterized in that the zero order beam and one of the diffracted beams are combined.

11. Apparatus according to claim 8, characterized in that it comprises means for receiving and combining (22,24,26,32, 34, 36) of at least three beams to form two pairs, one of beams intersecting the plane defined by the other two.

12. Apparatus according to claim 8, characterized in that it comprises means for receiving and combining (22,24,26,32, 34,36) of four beams in two pairs which define orthogonal planes.

13. Apparatus according to claim 8, characterized in that it comprises means for receiving and combining (22, 24,26, 32, 34, 36,42,44,46) of three pairs of beams, two of which define orthogonal planes, the plane of the third pair making an angle of 45 ° with the two orthogonal planes, the three defined by the three pairs of beams being orthogonal to the plane of the deformed surface.

14. Apparatus according to claim 8, characterized in that it further comprises detection means (38) for measuring the average interval between interference fringes in a transverse direction relative to the combined beam.

15. Apparatus according to claim 14, characterized in that the detection means comprise a linear assembly (52) of photosensitive devices (54) arranged transversely with respect to the combined beam and in the plane defined by the pair of beams before combination.

16. Apparatus according to claim 14, characterized in that the mean wavelengths of the spatial variation of the interference fringes of two combined beams are detected by two linear sets (82,84) of photosensitive devices mutually perpendicular in a plane transverse to each combined beam.

17. Apparatus according to claim 14, characterized in that the detection means comprise a two-dimensional photosensitive mosaic (86) contained in a plane transverse to the combined beam.

18. Apparatus according to claim 14, characterized in that it comprises a phase modulator (60) continuously varying the phase relationship between the two beams of the same combined pair to produce mobile interference fringes, two photosensitive devices (56, 58) receiving the interference fringes, the devices being spaced apart by a distance which is small compared to the interval between the interference fringes, and in a direction such that the two devices are spaced apart the plane defined by the two beams before combination, a phase comparator (59) detecting the phase shift of the output signals of the two photosensitive devices.

19. Apparatus according to claim 18, characterized in that its illumination system comprises polarization and modulation means (68,70) for supplying an illumination beam containing two components polarized in orthogonal directions, one of the components being modulated and the other not being modulated, and in that the reception and combination means also comprise polarization means (76, 78, 80) so that the modulated component of one of the received beams and the unmodulated component of the other are combined into a single beam.

20. Apparatus according to claim 19, characterized in that it comprises three reception and combination systems each comprising polarization means arranged so that a modulated component of one of the received beams is combined with an unmodulated component from the other beam received.

21. Apparatus according to claim 9, characterized in that it comprises reception and combination means (20,22,24,26) receiving from the pattern at least three beams from a group constituted by the zero order beam and the different diffracted beams, one of the beams intersecting the plane which contains the other two, the three beams being combined in two pairs to produce interference fringes, detection means (52A, B, C) measuring the mean interval between the interference fringes in each combined beam, and processing means (55) calculating from the mean wavelength at least one of the following variables: maximum value of the force or of the stress principal in the plane, angular orientation of the force or the principal stress, maximum value of the force or the shear stress.