DE2857203A1 - METHOD AND APPARATUS FOR SENSING IN-PLANE DEFORMATION OF A SURFACE - Google Patents
METHOD AND APPARATUS FOR SENSING IN-PLANE DEFORMATION OF A SURFACEInfo
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- DE2857203A1 DE2857203A1 DE19782857203 DE2857203T DE2857203A1 DE 2857203 A1 DE2857203 A1 DE 2857203A1 DE 19782857203 DE19782857203 DE 19782857203 DE 2857203 T DE2857203 T DE 2857203T DE 2857203 A1 DE2857203 A1 DE 2857203A1
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Description
Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8000 MÖNCHEN Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN SteinsdorfstraßeDipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8000 MÖNCHEN Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstrasse
Dr.rer.nat. W. KÖRBER ^ 2*8 5 7 TGDr.rer.nat. W. KÖRBER ^ 2 * 8 5 7 TG
Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittelung der in einer Ebene erfolgenden Deformation einer Fläche.The invention relates to a method and a Device for determining the deformation of a surface occurring in a plane.
Es ist bekannt, die in einer Ebene auftretende Deformation einer Fläche dadurch zu ermitteln, daß ein regelmäßiges Reliefmuster auf die betreffende Fläche aufgebracht wird, daß die Fläche verformt wird und daß das deformierte Reliefmuster durch Bildung eines Abdrucks aufgezeichnet und der Abdruck durch zwei einfallende Lichstrahlen überprüft wird. Dieses Vorgehen ist in der GB-PS 14 54 340 beschrieben. Der Abdruckschritt kann in gewissen Fällen jedoch unbequem sein.It is known that the deformation of a surface occurring in a plane can be determined by a regular Relief pattern is applied to the surface in question, that the surface is deformed and that the deformed relief pattern due to the formation of an impression recorded and the print is checked by two incident rays of light. This procedure is in the GB-PS 14 54 340 described. However, the imprinting step can be inconvenient in certain cases.
In der GB-PS 13 64 607 ist angegeben, eine photographische Aufzeichnung eines deformierten periodischen Musters auf einer Oberfläche mittels zweier Lichtstrahlen zu beleuchten und die durch die Aufzeichnung gebrochenen beiden Strahlen zu kombinieren. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine photographische Aufzeichnung von Konturen der in einer Ebene liegenden Deformation in einer Dimension, ohne indessen eine augenblickliche Analyse zuzulassen. In GB-PS 13 64 607 is indicated a photographic To illuminate the recording of a deformed periodic pattern on a surface by means of two light beams and combine the two rays refracted by the record. Such an arrangement enables a photographic recording of the contours of the in-plane deformation in one dimension without, however, permitting an instantaneous analysis.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittelung der in einer Ebene auftretenden Deformation einer Oberfläche geschaffen, auf der ein regelmäßiges periodisches Muster vorhanden ist; dieses Verfahren umfaßt eine solche Deformierung der betreffenden Oberfläche, daß das Muster deformiert wird. Das deformierte Muster wird mittels einesAccording to the invention is a method for determining the deformation of a surface occurring in a plane created on which there is a regular periodic pattern; this method involves such deformation the surface concerned that the pattern is deformed. The deformed pattern is made using a
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Strahles einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung beleuchtet, so daß die Strahlung als Strahl nullter Ordnung und als eine: Vielzahl von gebrochenen Strahlen reflektiert wird. Dabei werden zwei dieser Strahlen kombiniert, wobei die Strahlen eine Interferenz in einer Weise zeigen, die zu der Deformation längs der Schnittrichtung der Ebene der betreffenden Oberfläche mit der Ebene in Beziehung steht, in der die beiden sich überlagernden Strahlen liegen.A beam of coherent electromagnetic radiation is illuminated, so that the radiation is reflected as a zero-order beam and as a multitude of refracted beams will. In doing so, two of these rays are combined, the rays showing interference in a way that corresponds to the Deformation along the cutting direction of the plane of the surface in question is related to the plane in which the two overlapping rays.
Zweckmäßigerweise und aus Gründen der geometrischen Einfachheit wird der Beieuchtungsstrahl kollimiert, und er trifft normalerweise auf das Gitter auf, wobei zwei Strahlen mit derselben Brechungszahl und entgegengesetztem Vorzeichen kombiniert werden. Alternativ dazu kann der Strahl nullter Ordnung mit einem abgelenkten Strahl oder zwei Strahlen kombiniert werden, deren Jeder von anderer Brechungsordnung ist.For convenience and for reasons of geometric simplicity, the illumination beam is collimated and it normally hits on the grating, combining two rays with the same refractive index and opposite sign. Alternatively, the zero order beam can be combined with a deflected beam or two beams, each of which is of a different order of refraction.
Die regelmäßigen periodischen Muster können der Oberfläche innewohnen, oder sie können ein Gitternetz sein, vorzugsweise ein Phasengitternetz, wie ein Relief-Gitternetz, welches an der betreffenden Oberfläche angebracht ist, beispielsweise mittels eines geeigneten Klebstoffs, oder das betreffende Gitternetz ist in einem Material gebildet, welches selbst an der betreffenden Oberfläche haftet.The regular periodic patterns can be intrinsic to the surface or they can be a grid, preferably a phase grid, such as a relief grid, which is attached to the surface in question, for example by means of a suitable adhesive, or the relevant grid is formed in a material which itself is attached to adheres to the surface in question.
Vorzugsweise ist das Reliefmuster so, daß die gesamte eintreffende Energie in lediglich eine geringe Anzahl von Beugungsordnungen gebeugt wird. Ein derartiges Reliefmuster kann einen weitgehend sinusförmigen Querschnitt aufweisen und eine Steigung zwischen etwa 10 und etwa 10"^ mm. Die Beleuchtungs-Wellenlänge ist nicht durch die Gitternetz-Teilung begrenzt, und der Bequemlichkeit halber kann sichtbares Licht benutzt werden.Preferably, the relief pattern is such that the entire incoming Energy is diffracted in only a small number of diffraction orders. Such a relief pattern can have a largely sinusoidal cross-section and a slope between about 10 and about 10 "^ mm. The illumination wavelength is not limited by the grid division, and visible light may be used for convenience will.
Wenn die Deformation in einer einzigen Richtung in einer Ebene zu ermitteln ist, dann kann das Reliefmuster lediglich in der betreffenden Richtung periodisch sein. Die Messung der Deformierung in einer einzigen Richtung ist Jedoch nicht immerIf the deformation is to be determined in a single direction in a plane, then the relief pattern can only be in the relevant direction be periodic. However, measuring the deformation in a single direction is not always
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ausreichend bzw. angemessen, und die Richtung der Deformation ist nicht immer vorhersagbar.sufficient or reasonable, and the direction of the deformation is not always predictable.
Gemäß der Erfindung ist ferner ein Verfahren geschaffen, gemäß dem das Muster periodisch in zwei Dimensionen in der betreffenden Ebene ist und gemäß dem zumindest drei Strahlen in zumindest zwei Strahlenpaare kombiniert werden, wobei ein Strahl die Ebene schneidet, die durch die anderen beiden Strahlen festgelegt ist. Üblicherweise wird das Muster in zwei orthogonalen Richtungen periodisch sein. Der Einfachheit und Bequemlichkeit halber können die beiden Paare von Strahlen kombiniert werden, wobei jedes Strahlenpaar in einer von zwei Ebenen liegt, die unter rechten Winkeln oder unter einem anderen bekannten Winkel relativ zueinander verlaufen, wobei die beiden Ebenen die deformierte Oberfläche schneiden, vorzugsweise unter rechten Winkeln. Alternativ dazu können drei Strahlenpaare vorgesehen sein, deren jedes Paar in einer Ebene liegt, wobei zwei Ebenen relativ zueinander unter rechten Winkeln verlaufen und wobei die dritte Ebene unter einem nennenswerten Winkel, häufig unter 45° zu jeder der anderen Ebenen verläuft. Alle drei Ebenen schneiden die deformierte Oberfläche, vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, unter rechten Winkeln.According to the invention a method is also provided according to which the pattern is periodic in two dimensions in the relevant Is plane and according to which at least three beams are combined into at least two beam pairs, with one beam intersects the plane defined by the other two rays. Usually the pattern is orthogonal in two Directions to be periodic. For simplicity and convenience, the two pairs of rays can be used are combined, with each pair of rays lying in one of two planes, which are at right angles or under one other known angles relative to each other, the two planes intersecting the deformed surface, preferably at right angles. Alternatively, three pairs of beams can be provided, each pair of which is in one plane lies, with two planes being at right angles relative to each other and with the third plane under one significant angle, often less than 45 ° to each of the other planes. All three planes intersect the deformed one Surface, preferably, but not necessarily, at right angles.
Ein Vorteil jeder Anordnung, die zumindest zwei kombinierte Strahlen bereitstellt, liegt darin, daß eine vollständige Analyse bzw. Untersuchung der in einer Ebene auftretenden Deformation einschließlich einer Scherung relativ leicht vorgenommen werden kann, obwohl die Heranziehung von sechs Strahlen, die zu drei Strahlenpaaren kombiniert werden, die nach dem Konzept einfachste Anordnung darstellt.An advantage of any arrangement that provides at least two combined beams is that a complete Analysis or investigation of the deformation occurring in a plane including a shear can be carried out relatively easily, although the use of six rays, which are combined into three pairs of rays, which represents the simplest arrangement according to the concept.
Gemäß der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Ermittelung der in einer Ebene auftretenden Deformation einer Oberfläche geschaffen, auf der ein regelmäßiges periodisches Muster vorhanden ist. Diese Anordnung umfaßt eine Einrichtung zur Beleuchtung des periodischen Musters mittels eines Strahles einerAccording to the invention, there is also a device for determining the deformation of a surface occurring in a plane created on which there is a regular periodic pattern. This arrangement includes a device for lighting of the periodic pattern by means of a ray of a
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kohärenten elektromagnetischen Strahlung. Ferner umfaßt die betreffende Vorrichtung eine Aufnahme- und Kombinierungseinrichtung, die von dem Muster zumindest zwei Strahlen aufnimmt, · und zwar von einem Strahl nullter Ordnung und von einer Viel- " zahl von gebeugten Strahlen, und die zumindest ein Paar der zumindest beiden Strahlen kombiniert, bei dem die kombinierten Strahlen interferieren, üblicherweise wird die Beleuchtungseinrichtung einen Laser umfassen. coherent electromagnetic radiation. Furthermore, the device in question comprises a receiving and combining device, which picks up at least two rays from the pattern, namely from a zero-order ray and from a multiple " number of diffracted beams, and which combines at least one pair of the at least two beams, in which the combined Interfere rays, usually the lighting device will comprise a laser.
Das oder jedes kombinierte Paar von gebeugten Strahlen kann von einem Beobachter zur qualitativen Begutachtung betrachtet werden, oder aber es kann eine Aufzeichnung erfolgen, beispielsweise eine photographische Aufzeichnung, um eine anschließende quantitative Begutachtung vorzunehmen. Es ist jedoch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß eine Messung der Beanspruchung bzw. Deformation automatisch und nahezu augenblicklich vorgenommen werden kann.The or each combined pair of diffracted rays can be viewed by an observer for qualitative assessment or there can be a recording, for example a photographic recording, followed by a perform quantitative assessment. However, it is an advantage of the present invention that a measurement the stress or deformation can be carried out automatically and almost instantaneously.
Gemäß der Erfindung umfaßt die Deformations-Ermittelungsvorrichtung eine Aufnahme- und Kombinierungseinrichtung, die von einem deformierten periodischen Muster, welches mittels eines Strahles einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung beleuchtet worden ist, zumindest zwei Strahlen aufnimmt, und zwar einen Strahl nullter Ordnung und einen Strahl aus einer Vielzahl von gebeugten Strahlen. Die betreffende Vorrichtung verknüpft dann zumindest ein Paar der zumindest zwei Strahlen, wobei die kombinierten Strahlen interfe__rieren. Ferner ist eine Ermittelungseinrichtung vorgesehen, die die mittlere Wellenlänge der räumlichen Abweichung quer zu dem kombinierten Strahl hinsichtlich der Strahlungsintensität in dem jeweiligen Strahl aufgrund der Interferenz ermittelt.According to the invention, the deformation determining device comprises a receiving and combining device, which is derived from a deformed periodic pattern, which by means of a A beam of coherent electromagnetic radiation has been illuminated, receives at least two beams, and a zero-order beam and a beam composed of a plurality of diffracted beams. The device in question then combines at least one pair of the at least two rays, the combined rays interfering. Furthermore is a determination device is provided which the mean wavelength of the spatial deviation transversely to the combined Beam determined in terms of the radiation intensity in the respective beam due to the interference.
Die Einrichtung zur Ermittelung der mittleren Wellenlänge kann eine geradlinige Anordnung von lichtempfindlichen Einrichtungen umfassen, die quer zu dem jeweiligen kombinierten Paarstrahl in der Ebene angeordnet sind, die durch das betreffende Paar von Strahlen vor der Kombination festgelegt ist. Die Ein-The device for determining the mean wavelength can be a linear arrangement of light-sensitive devices which are arranged transversely to the respective combined pair beam in the plane passing through the respective pair of rays is set before the combination. The A-
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richtungen sind dabei klein im Vergleich zu dem Strahldurchmesser. Die Anordnung kann eine Anordnung von Photodioden oder von ladungsgekoppelten Einrichtungen zuzüglich einer Abtasteinrichtung sein, um die betreffende Anordnung wiederholt abzutasten und um ein Ausgangssignal abzugeben, welches von der Strahlungsintensität der auf die jeweilige Diode oder Einrichtung auftreffenden Strahlung abhängt. Alternativ dazu kann die Feststelleinrichtung eine Vidikon-Einrichtung sein.directions are small compared to the beam diameter. The arrangement can be an arrangement of photodiodes or of charge coupled devices plus a scanning device be in order to scan the arrangement in question repeatedly and to emit an output signal which is derived from the Radiation intensity of the radiation incident on the respective diode or device depends. Alternatively, can the locking device be a Vidikon device.
Bei einer noch weiteren Anordnung ist eine Phasenmodulationseinrichtung vorgesehen, um eine kontinuierlich sich ändernde Phasenbeziehung zwischen den beiden Strahlen in jedem kombinierten Strahlenpaar hervorzurufen, wodurch ein sich bewegendes Interferenzmuster erzeugt wird. Ferner sind zwei lichtempfindliche Einrichtungen vorgesehen, um das Muster aufzunehmen. Die Einrichtungen sind dabei um einen Abstand voneinander entfernt vorgesehen, der klein ist im Vergleich zu der räumlichen Wellenlänge des Interferenzmusters, und die in einer solchen Richtung verlaufen, daß die betreffenden Einrichtungen in gewissem Ausmaß in der Ebene voneinander getrennt sind, in der die beiden kombinierten Strahlen liegen. Außerdem ist eine Phasenvergleichereinrichtung vorgesehen, die die Phasendifferenz der Ausgangssignale von den beiden lichtempfindlichen Einrichtungen ermittelteIn yet another arrangement, phase modulation means is provided to create a continuously changing phase relationship between the two beams in each combined beam pair, thereby creating a moving interference pattern. Furthermore, two photosensitive devices are provided to receive the pattern. The facilities are provided by a distance apart that is small compared to the spatial wavelength of the interference pattern, and which extend in such a direction that the devices in question are separated from one another to some extent in the plane in which the two combined Rays lie. In addition, a phase comparison device is provided which determined the phase difference between the output signals from the two light-sensitive devices
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben.The invention will now be described with reference to the drawings for example described.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Ermittelung einer Deformation in einer Dimension.Fig. 1 shows schematically a device for determining a deformation in one dimension.
Fig. 2 a zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Reliefmuster-Gitters, welches für die Verwendung bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 geeignet ist.Fig. 2a shows a section through part of a relief pattern grid, which is suitable for use in the device according to FIG.
Fig. 2 b zeigt die gebeugten Strahlen, wenn ein derartiges Gitter unter rechtem Winkel beleuchtet wird. Fig. 2.c zeigt die Lage der Brechungsordnungen. Fig. 3 zeigt eine Reihe von Moire—Streifen. Fig. 4 a zeigt schematisch eine Vorrichtung zur ErmittelungFig. 2b shows the diffracted rays when such Grid is illuminated at right angles. Fig. 2.c shows the position of the orders of refraction. Fig. 3 shows a series of moiré fringes. Fig. 4 a shows schematically a device for determining
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einer Deformation in drei verschiedenen Richtungen,die in einer Ebene liegen.a deformation in three different directions, which in lie on one level.
Fig. 4 b zeigt ein Reliefgitter für eine derartige Vorrichtung sowie die relative Lage der Beugungsordnungen. Fig. 5 zeigt einen typischen Interferenzstreifen-Signalverlauf bei Betrachtung mittels einer Reihe von Photodioden. Fig. 6 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Berechnung der Verformung in drei in einer Ebene liegenden Richtungen.Fig. 4b shows a relief grating for such a device and the relative position of the diffraction orders. Fig. 5 shows a typical fringe waveform when viewed through a series of photodiodes. 6 schematically shows a circuit arrangement for calculation the deformation in three directions lying in one plane.
Fig. 7 veranschaulicht die Verwendung eines Phasenmodulators in einem Beugungsstrahl.Figure 7 illustrates the use of a phase modulator in a diffracted beam.
Fig. 8 veranschaulicht die Wirkung der Phasenmodulation. Fig. 9 veranschaulicht die Verwendung eines Phasenmodulators in dem eingangsseitigen Strahl eines polarisierten optischen Systems.Fig. 8 illustrates the effect of phase modulation. Figure 9 illustrates the use of a phase modulator in the input beam of a polarized optical Systems.
Fig. 10a und 10b zeigen zwei mögliche Anordnungen von geradlinigen Detektorreihen.Figures 10a and 10b show two possible arrangements of rectilinear Rows of detectors.
Fig. 10c zeigt eine zweidimensionale Matrize von Photodetektoren. Fig. 10c shows a two-dimensional matrix of photodetectors.
In Fig. 1 ist ein Gegenstand, der zu deformieren ist, mit 10 bezeichnet, und ein Reliefgitter 12 ist an der Oberfläche des Gegenstandes mittels eines geeigneten Klebstoffs angebracht. Das Gitter 12 wird durch einen senkrecht einfallenden kollimierten Lichtstrahl 14 mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern beleuchtet. Dieser Lichtstrahl wird durch einen Laser 15 erzeugt, der ein Netzteil 17 und eine Spannungsversorgungsquelle 19 aufweist. Dabei kann beispielsweise ein 2-mW-Hughes-Laser verwendet werden. Das Gitter 12 weist eine regelmäßige periodische Struktur in einer Dimension auf, wie dies in Fig. 2a veranschaulicht ist. Bei dieser Struktur handelt es sich, um eine sinusförmig sich ändernde Oberfläche mit einer Teilung AB von etwa 1 oder 2*10 J mm. Die durch die Oberflächenänderungen gebildeten Gitterlinien verlaufen daher rechtwinklig zu der Ebene gemäß Fig. 1. wie in Fig .2b gezeigt, wird das einfallende Licht in lediglich einige wenige Ordnungen mit jeweils hoher Intensität gebeugt. Wie aus Fig.2cIn Fig. 1, an object to be deformed is indicated by 10 and a relief grid 12 is attached to the surface of the object by means of a suitable adhesive. The grating 12 is illuminated by a perpendicularly incident collimated light beam 14 with a diameter of a few millimeters. This light beam is generated by a laser 15 which has a power supply unit 17 and a voltage supply source 19. For example, a 2 mW Hughes laser can be used. The grating 12 has a regular periodic structure in one dimension, as illustrated in FIG. 2a. This structure is a sinusoidally changing surface with a division AB of about 1 or 2 * 10 J mm. The grid lines formed by the surface changes therefore run at right angles to the plane according to FIG. 1. As shown in FIG. 2b, the incident light is diffracted in only a few orders, each with a high intensity. As from Fig.2c
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hervorgeht, können die Beugungsordnungen als Linie von Lichtpunkten betrachtet werden, die parallel zu der Gitterebene und rechtwinklig zu den Gitterlinien verlaufen. Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 sei angenommen, daß die gebeugten Strahlen zweiter Beugungsordnung 16,18 mit entgegengesetztem Vorzeichen mittels ebener Spiegel 20,22 und 24 und mittels einer Strahlzusammenfassungseinrichtung 26 zur Bildung eines kombinierten Strahles 30 reflektiert werden. Wenn d_as Gitter 12 unbelastet ist, wird das Licht in dem kombinierten Lichtstrahl 30 räumlich konstant auftreten, vorausgesetzt, daß die Spiegel korrekt ausgerichtet sind. Wenn jedoch das Gitter in der Ebene der Zeichnungsfigur und rechtwinklig zu dem eintreffenden Strahl von dem Laser 14 durch Deformieren des Objektes 10 belastet ist, dann wird der kombinierte Strahl ein Interferenzmuster enthalten, welches zu der Belastung in der betreffenden Richtung in Beziehung steht.the diffraction orders can be seen as a line of points of light which are parallel to the grid plane and perpendicular to the grid lines. Under again With reference to FIG. 1, it is assumed that the diffracted beams of the second diffraction order 16, 18 have opposite signs be reflected by means of plane mirrors 20, 22 and 24 and by means of a beam combining device 26 to form a combined beam 30. When the grid is 12 is unloaded, the light in the combined light beam 30 will be spatially constant, provided that the mirrors are correctly aligned. However, if the grid is in the plane of the drawing figure and at right angles to the incoming ray is stressed by the laser 14 by deforming the object 10, then the combined beam becomes an interference pattern which is related to the load in the relevant direction.
Es sei das herkömmliche Moiremuster betrachtet, wie es in Fig. 3 veranschaulicht ist. Je kleiner der Abstand in dem Muster ist, umso größer ist die Belastung, was synonym mit den Konturen in einem Plan ist. Jede Kontur ist kennzeichnend für eine Einheitsverschiebung, weshalb die Belastung im Bereich C größer ist als im Bereich D. Bei der vorliegenden Erfindung ermittelt die Anordnung gemäß Fig. 1 die Belastung lediglich in einer Richtung bzw. Dimension, wie in der durch den Pfeil G angedeuteten Richtung, was kennzeichnend dafür ist, daß die Komponente in der betreffenden Richtung eine komplexe Belastung aufweist. Das Muster in dem kombinierten Strahl 30 weist, obwohl kein Moire-Muster vorliegt-, gewisse Eigenschaften einer Reihe von Moire-Streifen auf. Das betreffende Muster kann auf einem Schirm angezeigt und von einem Auge betrachtet werden oder durch eine Photographie direkt aufgezeichnet werden, und die Größe der Belastung bzw. Deformation kann berechnet werden.Consider the conventional moiré pattern as illustrated in FIG. 3. The smaller the distance in that The pattern is, the greater the load, which is synonymous with the contours in a plan. Each contour is distinctive for a unit displacement, and therefore the load in area C is larger than that in area D. In the present invention the arrangement according to FIG. 1 determines the load only in one direction or dimension, as in the through the arrow G indicated direction, which is indicative of the fact that the component in the relevant direction a has complex load. The pattern in the combined beam 30, although there is no moiré pattern, has certain features Properties of a series of moiré stripes. The pattern in question can be displayed on a screen and from viewed with one eye or directly recorded by a photograph, and the magnitude of the exposure or deformation can be calculated.
üblicherweise wird eine Messung der Belastung des Objektes bzw. Bauelementes in einer in einer Ebene liegenden RichtungUsually a measurement of the load on the object or component in a direction lying in one plane
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unzureichend sein, und es wird erforderlich sein, die Spiegel und die Strahlzusanunenfassungseinrichtung in Fig. 1 zu verdoppeln oder zu verdreifachen, um die Belastung in zwei oder drei Richtungen in der Ebene der Oberfläche zu ermitteln. Wenn" Messungen in zwei Richtungen innerhalb einer Ebene vorgenommen werden, werden diese üblicherweise rechtwinklig zueinander erfolgen, wobei jedoch die Messung in irgendeinem anderen bekannten Relativwinkel erfolgen kann. Die zweckmäßigste Anordnung besteht jedoch darin, drei Systeme vorzusehen, deren jedesdie Belastung in einer anderen Richtung mißt. Eine mögliche Anordnung ist schematisch in Fig. 4a dargestellt.will be insufficient and it will be necessary to duplicate the mirrors and beam collimator in FIG or triple to find the stress in two or three directions in the plane of the surface. If" Measurements are made in two directions within a plane, these are usually perpendicular to each other take place, but the measurement can be made at any other known relative angle. The most expedient arrangement however, is to have three systems, each of which measures the load in a different direction. A possible Arrangement is shown schematically in Fig. 4a.
Fig. 4a zeigt eine Ansicht, die äquivalent der Ansicht längs des Laserstrahls 14 zu dem Gitter ( nicht / dargestellt) ist, wobei die Spiegel 22, 24 und die Strahlzusammenfassungseinrichtung 26 gezeigt sind, die wie in Fig. 1 angeordnet sind. Zwei weitere entsprechend angeordnete Reihen von Spiegeln 32, 34 und 42, 44 sind dargestellt, deren jede einen zugehörigen kombinierten Strahl 36 bzw. 46 aufweist. Jedes optische System kann die Belastung in einer anderen Richtung in der Ebene des Reliefgitters ermitteln. Zweckmäßigerweise verlaufen die beiden Richtungen rechtwinklig zueinander, und die dritte Richtung bildet einen Winkel von 45° zu den anderen beiden Richtungen, obwohl auch andere relative Winkel benutzt werden können, vorausgesetzt, daß sie nennenswerte Winkel sind, beispielsweise mehr als 20°.Fig. 4a shows a view which is equivalent to the view along the laser beam 14 to the grating (not / shown), wherein the mirrors 22, 24 and the beam condenser 26 arranged as in FIG. Two further correspondingly arranged rows of mirrors 32, 34 and 42, 44 are shown, each of which has an associated combined beam 36 and 46, respectively. Any optical system can determine the load in another direction in the plane of the relief grid. Appropriately, the two run Directions at right angles to each other, and the third direction forms an angle of 45 ° to the other two directions, although other relative angles can be used provided they are appreciable angles, for example more than 20 °.
Es ist nunmehr erforderlich, ein Reliefgitter bereitzustellen, welches eine periodische Struktur in zwei Dimensionen aufweist und ebenfalls vorzugsweise sinusförmig ausgebildet ist. In Fig. 4b, die das zweidimensionale Äquivalent der Fig. 2c zeigt, sind die Linien des Gitters 13 gezeigt, die eine Gitterstruktur mit gebeugten Strahlen bilden, welche als zweidimensionale Reihe von Punkten sichtbar sind.It is now necessary to provide a relief grating which has a periodic structure in two dimensions and is also preferably sinusoidal. In Fig. 4b, which is the two-dimensional equivalent of Fig. 2c shows, the lines of the grating 13 are shown, which form a grating structure with diffracted rays, which as two-dimensional Row of points are visible.
Zurückkommend auf Fig. 4a sei bemerkt, daß die kombinierten Strahlen von jedem optischen System in unterschiedlichen Rich-Returning to Fig. 4a, it should be noted that the combined beams from each optical system in different directions
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tungen auftreten und daß sie auf einem Schirm aufgenommen oder photographisch aufgezeichnet werden können, beispielsweise an der Stelle 31 in Fig. 1, und an den anderen beiden entsprechenden Stellen. Jeder kombinierte Strahl tritt in einer anderen Richtung auf; er enthält eine Information bezüglich einer Verformung längs einer Richtung in einer Ebene, so daß die Berechnung des Wertes der Belastung bzw. Verformung in jeder in der betreffenden Ebene liegenden Richtung einfach und leicht aus dem jeweiligen Interferenzmuster vorgenommen werden kann, ohne daß ein Problem der überlagerung der Information aus anderen Belastungsrichtungen vorliegt. Die Messungen können gleichzeitig in zwei oder mehr Richtungen ausgeführt werden. Dabei ist jedoch dennoch das Problem vorhanden, daß bezüglich eines Gesamtbildes die Information betreffend die gemessenen Belastungen kombiniert werden muß, wenn eine maximale Belastung und deren Richtung benötigt werden. Dies kann eine erhebliche mathematische Berechnung einschließen.events occur and that they can be recorded on a screen or photographically recorded, for example on at location 31 in Fig. 1, and at the other two corresponding locations. Each combined beam occurs in one other direction on; it contains information relating to a deformation along a direction in a plane, so that the calculation of the value of the load or deformation in each direction lying in the plane concerned is simple and can easily be made from the respective interference pattern without a problem of the information from other loading directions being superimposed. the Measurements can be made in two or more directions at the same time. However, there is still the problem that with regard to an overall picture, the information relating to the measured loads must be combined if a maximum load and its direction are required. This can involve a significant mathematical calculation.
Es ist ein großer Vorteil eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, daß ein vollständig automatisch arbeitendes Analysesystem bereitgestellt werden kann, um diese Berechnungen in einer Echtzeit auszuführen. In Fig. 1 kann anstelle eines Beobachterauges oder einer photographischen Kamera, die an der Stelle 31 untergebracht ist, ein elektronisches Abtastsystem 38 verwendet werden. Das System kann eine Reihe von Photodioden oder ladungsgekoppelten Einrichtungen zuzüglich einer Abtastanordnung sein, oder aber es kann ein . Vidikon oder eine entsprechende Einrichtung sein. Ein Abtastungssystem ist für jedes der drei optischen System in Fig. 4 vorgesehen, obwohl der Klarheit halber diese Systeme in der betreffenden Figur nicht veranschaulicht sind.It is a great advantage of a method and an apparatus according to the invention that a completely automatic working analysis system can be provided to perform these calculations in real time. In Fig. 1 can instead an observer's eye or a photographic camera housed at position 31, an electronic one Scanning system 38 can be used. The system can do a A series of photodiodes or charge coupled devices plus a scanning arrangement, or it can be a. Vidikon or an equivalent institution. A scanning system is provided for each of the three optical systems in 4, although for the sake of clarity these systems are not illustrated in the relevant figure.
Es sei angenommen, daß die räumliche Änderung der Lichtintensität des Interferenzmusters in einem kombinierten Strahl um eine Basislinie 50 in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise erfolgt und daß dieses Lichtmuster auf eine geradlinige Reihe 52 von Photodioden 54 auf trifft. In der betreffenden ReiheIt is assumed that the spatial change in the light intensity of the interference pattern in a combined beam takes place around a base line 50 in the manner shown in FIG. 5 and that this light pattern is on a straight line 52 of photodiodes 54 meets. In the relevant row
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können 256 Dioden vorhanden sein, und die Spannung an Jeder Photodiode hängt von der Intensität des einfallenden Lichtes ab. Durch sequentiellen Vergleich der Spannung an jeder Photodiode mit einer Bezugsspannung mittels eines Spannungsvergleichers kann ein Ausgangssignal Jeweils dann bereitgestellt werden, wenn die Basislinie 50 überlaufen wird. Durch Zählen der Anzahl der Photodioden zwischen jedem Ausgangssignal kann, eine mittlere Wellenlänge der Intensitätsänderung in dem Lichtmuster berechnet werden. Eine geeignete Vorrichtung bzw. Anordnung ist in Fig. 6 gezeigt, bei der drei Photodiodenreihen " 52A, 52B, 52C vorgesehen sind, deren eine für jede Meßrichtung dient. Diese Photodiodenreihen sind jeweils mit einer entsprechenden Abtasteinrichtung 51A, 51B bzw. 51C verbunden. Die Ausgangssignale der betreffenden Einrichtungen werden einem von drei Spannungsvergleichern 53A, 53B bzw. 53C zugeführt, deren jeder ein Ausgangssignal an einen 8-Bit-Mikroprozessör abgibt. Jeder Vergleicher erhält eine Bezugsspannung von einer Einheit 57A, 57B bzw. 57C her zugeführt.There may be 256 diodes, and the voltage across each photodiode depends on the intensity of the incident light away. By sequentially comparing the voltage across each photodiode with a reference voltage using a voltage comparator An output signal can be provided whenever the baseline 50 is crossed. By counting the number of photodiodes between each output signal, an average wavelength of the change in intensity in the light pattern can be calculated. A suitable device or arrangement is shown in Fig. 6, in which three rows of photodiodes " 52A, 52B, 52C are provided, one of which is used for each measuring direction. These photodiode rows are each with a corresponding scanner 51A, 51B and 51C, respectively. The output signals of the devices concerned are a from three voltage comparators 53A, 53B and 53C, respectively, each of which sends an output signal to an 8-bit microprocessor gives away. Each comparator receives a reference voltage from a unit 57A, 57B or 57C.
Der Mikroprozessor kann so programmiert sein, daß aus den drei Eingangssignalen die maximale Hauptbelastung in der betreffenden Ebene berechnet wird, und zwar gemittelt über das Betrachtungsfeld auf das Reliefgitter. Ferner werden die Scherverformung und der Winkel der Hauptverformung bzw. Hauptbelastung berechnet. Das Ergebnis wird nahezu augenblicklich erhalten; es kann in numerischer Form vorliegen. Der Einsatz von Bedienpersonen, die hinsichtlich der Interpretation von Interferenzstreifen ungeübt sind, ist damit möglich. Alternativ dazu können dann, wenn die Belastungen bzw. Verformungen im elastischen Bereich liegen, Dehnungen anstatt von Deformationen berechnet werden, indem Werte des Young1sehen Moduls und des Poisson-Verhältnisses bezüglich des Materials bereitgestellt werden, welches verformt wird.The microprocessor can be programmed in such a way that the maximum main load in the relevant plane is calculated from the three input signals, averaged over the field of view on the relief grid. In addition, the shear deformation and the angle of the main deformation or main load are calculated. The result is obtained almost instantly; it can be in numerical form. The use of operators who are inexperienced in interpreting interference fringes is thus possible. Alternatively, if the pressures or deformations in the elastic range, strains instead be calculated deformation, by setting values of the Young 1 see the material are provided modulus and Poisson's ratio with respect to which is deformed.
In der Praxis hat sich herausgestellt, daß der Wellenverlauf nicht ein gleichmäßiger sinusförmiger Verlauf ist, wie er in Fig. 5 veranschaulicht ist (und zwar unabhängig vom Auftreten einer sich ändernden oder sich nicht ändernden Wellenlänge),In practice it has been found that the wave course is not a uniform sinusoidal course, as it is in Fig. 5 is illustrated (regardless of the occurrence of a changing or non-changing wavelength),
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-χ- Al -χ- Al
sondern daß der Wellenverlauf vielmehr in seiner Krümmung innerhalb kleiner Bereiche Unregelmäßigkeiten aufweist. Diese können beispielsweise durch Schmutz im optischen System hervorgerufen werden. Eine Arbeitseinrichtung kann in vielen ungünstigen industriellen Umgebungsbereichen betrieben werden, so daß die Reinheit unmöglich ist und so daß eine Korrektur vorgenommen werden muß. Der Mikroprozessor wird derart betrieben, daß aus den der (Jeweiligen Meßrichtung entsprechenden Ausgangssignalen eine mittlere Wellenlänge berechnet wird sowie die Standardabweichung der Verteilung. Anzeigen, die größer sind als eine Standardabweichung von dem Mittelwert, werden unberücksichtigt gelassen, und die mittlere Wellenlänge wird neu berechnet. Es hat sich herausgestellt, daß dieses herkömmliche statistische Verfahren zu einer genauen Messung des Streifenabstands führt.but rather that the wave course has irregularities in its curvature within small areas. These can for example be caused by dirt in the optical system. A work facility can be unfavorable in many industrial environments so that the purity is impossible and so that correction must be made. The microprocessor is operated in such a way that from those corresponding to the (respective measuring direction Output signals a mean wavelength is calculated and the standard deviation of the distribution. Ads that are greater than one standard deviation from the mean, are disregarded and the mean wavelength is recalculated. It turns out that this conventional statistical methods result in an accurate measurement of the fringe spacing.
Dennoch kann die Störung - auf welche Quelle sie auch zurückgeht - ein Problem sein, und ein alternatives Verfahren kann benutzt werden. Nunmehr sei auf Fig. 7 Bezug genommen, die eine entsprechende Anordnung zeigt wie Fig. 1 und bei der identische Elemente der Vorrichtung mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei der vorliegenden Vorrichtung ist jedoch ein zweidimensionales Reliefgitter 13 verwendet, und ferner wird ein Phasenmodulator 60 in dem optischen Weg des Strahles 18 untergebracht. Der Phasenmodulator ist so angeordnet, daß er dem Strahl 18 eine kontinuierliche Phasenmodulation in einer solchen Weise erteilt, daß die Wellenlänge des betreffenden Strahls geändert wird. Die Auswirkung kann durch Verwendung einer elektrooptischen Einrichtung oder eines piezoelektrischen Kristalls erzielt werden, der durch eine Sägezahn-Signalwelle angesteuert wird, oder durch eine akustisch-optische Einrichtung oder durch ein sich bewegendes Beugungsgitter, wobei die Änderung der Wellenlänge dann wiederholt anstatt genau kontinuierlich sein wird.However, whatever the source, the disorder can be a problem, and an alternate method can be used to be used. Reference is now made to FIG. 7, which shows an arrangement corresponding to that of FIG. 1 and in FIG identical elements of the device are denoted by the same reference numerals. In the present device however, a two-dimensional relief grid 13 is used, and a phase modulator 60 is also placed in the optical path of the beam 18. The phase modulator is arranged so that it gives the beam 18 a continuous phase modulation in such a way that the wavelength of the the beam in question is changed. The impact can be achieved through the use of an electro-optic device or a piezoelectric crystal can be achieved, which is driven by a sawtooth signal wave, or by a acousto-optic device or by a moving diffraction grating, the change in wavelength then being repeated rather than being exactly continuous.
Die Auswirkung der Änderung der Wellenlänge in einer Komponente des kombinierten Strahles 33 ist derart, daß das bisherThe effect of changing the wavelength in a component of the combined beam 33 is such that so far
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festliegende Interferenzmuster nunmehr sich quer zu dem Strahl bewegt, wie dies in Fig. 8 durch den Pfeil angedeutet ist. Die Hintergrundstörung bleibt Jedoch fest liegen. Das sich bewegende Muster kann mittels zweier Photodioden 56,58 betrachtet werden, die um einen Abstand € χ voneinander getrennt sind, der klein ist in bezug auf die Wellenlänge ^- des Streifenmusters. Bei Bekanntsein von Sx ermöglicht eine Messung der Phasendifferenz zwischen den AusgangsSignalen der Photodioden 56,58 mittels des Phasenvergleichers 59 eine Berechnung der mittleren Wellenlänge λ des Musters vorzunehmen,: welches durch eine Hintergrundstörung unbeeinflußt ist. Die beiden Photodioden ersetzen die Diodenreihe 52 in Fig. 5 und 6; diese Anordnung stellt eine alternative Anordnung zur Verwendung einer Diodenreihe zuzüglich der Berechnung einer Standardabweichung dar.fixed interference pattern now moves transversely to the beam, as indicated in Fig. 8 by the arrow. However, the background disturbance remains fixed. The moving pattern can by means of two photodiodes 56,58 are considered which χ by a distance € are separated from each other which is small relative to the wavelength ^ - of the stripe pattern. If Sx is known , a measurement of the phase difference between the output signals of the photodiodes 56, 58 by means of the phase comparator 59 enables the mean wavelength λ of the pattern to be calculated: which is unaffected by background interference. The two photodiodes replace the diode row 52 in FIGS. 5 and 6; this arrangement represents an alternative arrangement to the use of a diode array plus the calculation of a standard deviation.
Bei dieser Anordnung müssen ein Phasenmodulator und ein Phasenvergleicher in jedes der drei optischen Systeme gemäß Fig. 4 eingefügt werden, und die Ausgänge von den beiden dem jeweiligen System zugeordneten Photodioden sind mit dem entsprechenden Vergleicher verbunden.In this arrangement, a phase modulator and a phase comparator are required can be inserted into each of the three optical systems shown in FIG. 4, and the outputs from the two dem Photodiodes assigned to the respective system are connected to the corresponding comparator.
Eine alternative Anordnung vermeidet die Forderung nach zwei oder drei Phasenmodulatoren, die groß bzw. umfangreich und/oder teuer sind. Diese Anordnung ist in Fig. 9 veranschaulicht. Dabei wird lediglich ein Phasenmodulator in Verbindung mit einem polarisierten optischen System verwendet. Die generelle Anordnung ist ähnlich der in Fig. 1 und 7 gezeigten Anordnung, obwohl der Einfachheit halber ein Spiegel weggelassen ist.An alternative arrangement avoids the requirement for two or three phase modulators that are large or extensive and / or are expensive. This arrangement is illustrated in FIG. Only a phase modulator is used in conjunction with a polarized optical system used. The general arrangement is similar to the arrangement shown in Figs. 1 and 7, although a mirror is omitted for the sake of simplicity.
Der Laserstrahl 14, der eine erste Polarisationsebene aufweist, die durch Striche in der axialen Bahn angedeutet 1st, trifft auf einen Strahlteiler 64 auf, der einen Teil des betreffenden Strahles über einen ebenen Spiegel 66 zu einem Phasenmodulator 68 hin reflektiert.The laser beam 14, which has a first plane of polarization, which is indicated by lines in the axial path, meets a beam splitter 64, which a part of the beam concerned via a plane mirror 66 to a Phase modulator 68 reflected back.
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Der modulierte Strahl gelangt durch eine Polarisations-Dreheinrichtung 70, die die Polarisationsebene des Strahles um 90° in eine zweite Polarisationsebene dreht, welche durch Punkte in der axialen Bahn angedeutet ist. Der modulierte und gedrehte Strahl wird mittels eines ebenen Spiegels 72 zu einer Strahlzusammenfassungseinrichtung 74 hin reflektiert, die den betreffenden Strahl mit dem Teil des eintreffenden Strahles kombiniert, der durch den Strahlteiler 64 hindurchgelangt. Der Strahl von der Zusammenfassungseinrichtung 74 Wird von dem Refliefgitter 12 als /gebeugte Strahlen 16 und 18 zweiter Ordnung reflektiert. Diese beiden Strahlen enthalten Komponenten in zwei orthogonalen Polarisationsebenen, wobei eine Komponente moduliert ist. Der Strahl 18 wird von dem ebenen Spiegel 24 durch eine Polarisationseinrichtung 76 reflektiert, die den Durchtritt einer Strahlung lediglich in der zweiten Polarisationsebene ermöglicht, d.h. des phasenmodulierten Strahles. Die polarisierte Strahlung gelangt dann durch eine Polarisationsdreheinrichtung 78 hindurch, die eine Drehung um 90° in die erste Polarisationsebene bewirkt. Der Strahl 16 wird mittels des Spiegels 22 durch eine Polarisationseinrichtung 80 reflektiert, die den Durchtritt einer Strahlung lediglich in der ersten Polarisationsebene ermöglicht, die den Durchtritt der modulierten Strahlkomponente verhindert. Die beiden übertragenen Strahlen werden durch die Strahlzusammenfassungseinrichtung 26 kombiniert und mittels zweier in dichtem Abstand voneinander vorgesehener Photodioden 56, 58 wie zuvor zur entsprechenden Bestimmung ausgewertet. Der kombinierte Strahl ist linear in der ersten Polarisationsebene polarisiert; er enthält jedoch sowohl phasenmodulierte Komponenten als auch unmodulierte Komponenten aus den Strahlen 18 bzw. 16, so daß ein sich bewegendes Streifensystem erhalten wird, wie bei der in Fig. 7 dargestellten eindimensionalen Anordnung. Durch Abgabe von zweiten und dritten äquivalenten optischen Komponenten an die Spiegel 22, 24, an die Polarisationseinrichtungen 76, 80, an die Dreheinrichtung 78 und an die Strahlzusammenfassungseinrichtung 24 können auf die zweite und dritte Feststellrichtung sich beziehende Muster bereitgestelltThe modulated beam passes through a polarization rotator 70, which rotates the plane of polarization of the beam by 90 ° into a second plane of polarization, which is defined by points is indicated in the axial path. The modulated and rotated beam becomes one by means of a plane mirror 72 Beam recombiner 74 reflects the beam in question with the portion of the incoming beam which passes through the beam splitter 64. The beam from the combiner 74 is taken from the Reflow grating 12 as / diffracted rays 16 and 18 second Order reflects. These two rays contain components in two orthogonal planes of polarization, one being Component is modulated. The beam 18 is reflected from the plane mirror 24 by a polarization device 76, which allows the passage of radiation only in the second polarization plane, i.e. the phase-modulated Beam. The polarized radiation then passes through a polarization rotator 78, which rotates caused by 90 ° in the first plane of polarization. The beam 16 is polarized by means of the mirror 22 80 reflects, which allows the passage of radiation only in the first plane of polarization, which the The modulated beam component is prevented from passing through. The two transmitted beams are collected by the beam combiner 26 combined and by means of two closely spaced photodiodes 56, 58 such as previously evaluated for the corresponding determination. The combined beam is linearly polarized in the first plane of polarization; However, it contains both phase-modulated components and unmodulated components from beams 18 and 16, respectively. so that a moving stripe system is obtained, as in the one-dimensional arrangement shown in FIG. By delivering second and third equivalent optical components to the mirrors 22, 24, to the polarization devices 76, 80, to the rotating device 78 and to the beam combining device 24 can refer to the second and third detection direction-related pattern provided
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werden. Die Verwendung der Polarisatoren und der Polarisations-Dreheinrichtungen ermöglicht jedoch die Bereitstellung lediglich eines Phasenmodulators. ,. . . .will. The use of the polarizers and the polarization rotators however, enables only one phase modulator to be provided. ,. . . .
Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind verschiedene Alternativen möglich. Anstelle der Verwendung eines groben Reliefgitters und anstelle des Arbeitens mit höheren Beugungsordnungen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, können ein höherfrequentes Gitter und Strahlpaare niederer Brechnungsordnungen verwendet werden. Es ist bereits ausgeführt worden, daß eine Untersuchung unter Verwendung von einer oder zwei Richtungen möglich ist, obwohl ein Analysesystem für drei Richtungen in einer Ebene in weitestem Umfang anwendbar ist.Various alternatives are possible in the device according to the invention. Instead of using a rough Relief grating and instead of working with higher diffraction orders, as shown in FIG. 1, a higher frequency Grating and beam pairs of low refractive orders are used. It has already been stated that a Investigation using one or two directions is possible, although a three-directional analyzer is in one level is applicable to the widest possible extent.
Im Zuge der Beschreibung ist angenommen worden, daß das nicht deformierte regelmäßige periodische Gitter perfekt ist. Dies ist in der Praxis jedoch üblicherweise nicht der Fall. In den meisten Fällen beeinträchtigen Gitter-Unzulänglichkeiten in erheblichem Ausmaß die Messung der Verformung des deformierten Gitters lediglich dann, wenn der gemessene Wert kleiner ist alsIn the course of the description it has been assumed that this is not the case deformed regular periodic lattice is perfect. In practice, however, this is usually not the case. In the in most cases, grid imperfections significantly affect the measurement of the deformation of the deformed Grid only if the measured value is smaller than
etwa 10 Mikrodehnungen. ...about 10 micro-expansions. ...
.-".""" ! Üblicherweise werden die Gitter-Unzulänglichkeiten dadurch überprüft, daß zumindest ein kombiniertes Strahlenpaar vor einer Deformation des Gitters betrachtet wird. Wenn ein automatisches Streifenzählsystem verwendet wird, kann diese Anfangsmessung dazu herangezogen werden, die Messung zu korrigieren, die bezüglich dea,deformierten Gitters vorgenommen wird, sofern eine hohe Genauigkeit gefordert ist..- "." ""! Usually the grid imperfections are eliminated by this verifies that at least one combined pair of rays is being considered prior to deformation of the grating. When a If an automatic strip counting system is used, this initial measurement can be used to determine the measurement correct that made regarding dea, deformed grating if a high level of accuracy is required.
Wenn ein automatisches Streifenzählsystem verwendet wird, beträgt ein typischer Strahldurchmesser einige wenige Millimeter, und die gemessene Belastung bzw. Verformung wird über das Betrachtungsfeld (der Photodioden, die üblicherweise einen kleineren Bereich als den Strahldurchmesser erfassen) gemittelt. Beim Einsatz ohne eine automatische Anzeige kann der Strahldurchmesser etwa 50 mm betragen, und die .VerformungsänderungenIf an automatic strip counting system is used, a typical beam diameter is a few millimeters, and the measured load or deformation is over the field of view (of the photodiodes, which usually cover a smaller area than the beam diameter) averaged. When used without an automatic display, the beam diameter be about 50 mm, and the
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innerhalb des Betrachtungsfeldes können betrachtet werden.within the field of view can be viewed.
Ein Vorteil der Anordnungen, die einen Strahlbereich ausnutzen, der größer ist als die Auskrümmung des Gitters aus der MeB-ebene, liegt lediglich in einem Effekt in der zweiten Ordnung. Wenn ein automatisches System benutzt wird, bleibt der Effekt gering; er kann jedoch durch Messen der Lage der nullten Brechungsordnung und durch Aüsübloing der in Frage kommenden Korrektur auf die gemessenen Werte kompensiert werden.An advantage of the arrangements that use a beam area that is larger than the curvature of the grating from the MeB plane, is only in one effect in the second order. If an automatic system is used, the effect remains small amount; it can, however, by measuring the position of the zeroth order of refraction and by selecting the one in question Correction to be compensated for the measured values.
Eine weitere Modifikation umfaßt die Verwendung von zwei Strahlpaaren, deren Erzeugungs-Strahlen in Ebenen liegen, die sich unter einem nennenswerten Winkel schneiden. Üblicherweise werden sich die betreffenden Strahlen unter rechten Winkeln schneiden. Eine zweidimensionale Anordnung von lichtempfindlichen Einrichtungen kann dazu verwendet werden, die räumlichen Änderungen der Interferenzstreifen zu ermitteln, die parallel bzw. rechtwinklig zur Ebene der beiden nicht kombinierten Strahlen verlaufen. In Fig:. 10a und 10b sind geeignete Detektoranordnungen 82,84 gezeigt, die in einer T-Form bzw. in einer L-Form angeordnet sind. Eine Kreuzform kann ebenfalls benutzt werden. Eine derartige Anordnung kann in jedem kombinierten Strahl verwendet werden, und die Verformung in der einen Ebene kann aus den vier Messungen berechnet werden. Ein Vorteil liegt dabei darin, daß das optische System weniger kompliziert ist.Another modification involves the use of two pairs of beams, the generating beams of which lie in planes which intersect at an appreciable angle. Usually, the rays in question will intersect at right angles. A two-dimensional arrangement of light-sensitive devices can be used to determine the spatial changes in the interference fringes which run parallel or at right angles to the plane of the two non-combined beams. In Fig :. 10a and 10b, suitable detector arrangements 82, 84 are shown which are arranged in a T-shape and in an L-shape, respectively. A cross shape can also be used. Such an arrangement can be used in each combined beam and the deformation in the one plane can be calculated from the four measurements. One advantage is that the optical system is less complicated.
Eine noch weitere Modifikation, die die Verwendung eines großen Betrachtungsfeldes umfaßt, kann sogar mit einem automatischen Meßsystem ausgestattet sein. Eine zweidimensionale lichtempfindliche Einrichtung oder Matrix 86 aus diskreten lichtempfindlichen Einrichtungen 88, wie sie in Fig. 10c veranschaulicht 1st, kann dazu herangezogen werden, die räumliche Änderung quer zu dem kombinierten Strahl zu ermitteln sowie an einer Anzahl von Stellen in dem Betrachtungsfeld. So können beispielsweise die Interferenzstreifenabstände dadurch gemessen werden, daß Paare der lichtempfindlichen EinrichtungenYet another modification involving the use of a large field of view can even be made with an automatic Be equipped measuring system. A two-dimensional photosensitive device or matrix 86 of discrete photosensitive devices 88 as illustrated in Fig. 10c 1st, can be used to determine the spatial change across the combined beam as well as a number of locations in the field of view. For example, the interference fringe spacings can be measured in this way be that pairs of photosensitive devices
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ausgewählt werden und daß die Phasendifferenz zwischen den Signalausgängen gemessen wird, die auf die die betreffenden Ausgänge überlaufendenlnterferenzstreifen zurückgeht. Durch Auswahl von Paaren von lichtempfindlichen Einrichtungen, die längs Linien angeordnet sind, welche parallel und rechtwinklig zur Ebene der nicht kombinierten Strahlen verlaufen, können die. Streifenabstände in diesen beiden Richtungen an einer Vielzahl· von Punkten in dem Betrachtungsfeld ausgemessen werden. Aus zwei derartigen Untersuchungen kombinierter Strahlstreifenmuster kann ein vollständiges Verformungs-Konturmuster für das Betrachtungsfeld mit Hilfe einer geeigneten Berechnung konstruiert werden. Der Beleuchtungsstrahl bei dieser Modifikation kann einen Durchmesser von 10-100 mm aufweisen.be selected and that the phase difference between the Signal outputs is measured, which is due to the interference fringes overflowing the respective outputs. By Selection of pairs of photosensitive devices arranged along lines which are parallel and perpendicular run to the plane of the non-combined rays, the. Stripe distances in these two directions can be measured at a plurality of points in the field of view. the end Two such investigations of combined beam streak patterns can produce a complete deformation contour pattern for the field of view can be constructed using a suitable calculation. The illuminating beam in this modification can have a diameter of 10-100 mm.
Ein großer Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung liegt darin, daß das Reliefgitter und das Betrachtungssystem nicht fest in bezug aufeinander angeordnet sein müssen. Schwingungen außerhalb der Ebene des Reliefgitters und eine lineare Schwingung in der betreffenden Ebene haben lediglich Auswirkungen zweiter Ordnung auf die Interferenzstreifen zur Folge. Die Rotation in der betreffenden Ebene beeinträchtigt beide Komponenten des jeweiligen kombinierten Strahls. Sogar dann, wenn die Streifen nich ständig sichtbar sind, können die Neigungen einer sich ändernden Situation verfolgt werden.A great advantage of the method and the device according to the invention is that the relief grating and the viewing system do not have to be arranged firmly in relation to one another. Vibrations outside the plane of the relief grid and a linear oscillation in the plane concerned only have second-order effects on the interference fringes result. The rotation in the plane concerned affects both components of the respective combined Beam. Even when the streaks are not always visible, the tendencies of a changing situation can be followed will.
Bei jeder Anordnung gemäß der Erfindung ist es jedoch wesentlich, die Gegenstände der optischen Vorrichtung genau in Ausrichtung zu halten, da sonst eine Gefahr dafür vorhanden ist, daß die mechanische Schwingung des Systems die Ausbildung oder Aufnahme einer oder mehrerer der kombinierten Strahlen verhindern wird. Es ist häufig erforderlich, einen herkömmlichen Servomechanismus zu verwenden, um das System zu stabilisieren und um die geforderte Ausrichtung aufrechtzuerhalten.In any arrangement according to the invention, however, it is essential to keep the objects of the optical device exactly in alignment, otherwise there is a risk of this, that the mechanical vibration of the system prevents the formation or absorption of one or more of the combined beams will. It is often necessary to use a conventional servo mechanism to stabilize the system and to maintain the required alignment.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf Reliefgitter beschrieben worden ist, die sich als im Gebrauch wirksam heraus-Although the invention has been described with reference to relief grids has been found to be effective in use.
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gestellt haben, können auch andere regelmäßige periodische Gitter verwendet werden, beispielsweise ein die Intensität modulierendes Gitter oder ein eine reflektierende Rückfläche aufweisendes Hologramm mit entfärbter Dicke.have made, other regular periodic grids can also be used, for example an intensity modulating grating or a hologram having a reflective rear surface with a decolorized thickness.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf ein System beschrieben worden, welches keinerlei Linsen bzw. Objektive verwendet bzw. einbezieht. Wenn ein sehr kleines Betrachtungsfeld gefordert ist, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn die räumliche Auflösung bedeutsam ist, kann ein Vergrößerungssystem bereitgestellt werden, um den auf das Detektorsystem auftreffenden Strahl zu vergrößern.The invention has been described with reference to a system which does not use any lenses or objectives. involves. When a very small field of view is required, which is the case, for example, when the spatial Resolution is important, a magnification system can be provided around the incident on the detection system Enlarge beam.
Bei der beschriebenen Anordnung werden zwei gebeugte Strahlen derselben Ordnung, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen veranlaßt, zu interfe_rieren. Dies ist mit Rücksicht darauf von Vorteil, daß die interferierenden Strahlen von gleicher Intensität sind. Außerdem steht die Empfindlichkeit in Beziehung zu dem Winkel zwischen den gebeugten Strahlen, so daß ein symmetrisches System die höchste Empfindlichkeit liefert. Wenn eine maximale Empfindlichkeit nicht wichtig ist, kann jedoch der Strahl nullter Ordnung mit einem oder zwei oder drei gebeugten Strahlen kombiniert werden. Dadurch wird die physikalische Größe der Vorrichtung minimiert, indem der Winkel zwischen den aufgenommenen gebeugten Strahlen halbiert wird, so daß die Verwendung in einer eingeengten Stelle, wie in einer Ecke, erleichtert sein kann, wobei allerdings ungünstig ist, daß zumindest ein zusätzlicher Strahlteiler erforderlich ist.In the arrangement described, two diffracted beams are of the same order, but with opposite signs causes to interfere. This is in consideration of Advantage that the interfering rays are of the same intensity. Also, the sensitivity is related to the angle between the diffracted rays so that a symmetrical system gives the highest sensitivity. However, when maximum sensitivity is not important, the zero order beam can be one or two or three diffracted rays are combined. This minimizes the physical size of the device by reducing the angle between the received diffracted rays is halved, so that the use in a constricted place, such as in a Corner, can be facilitated, although it is unfavorable that at least one additional beam splitter is required.
Bei den Darstellungen werden die geforderten Strahlen nach Reflexion von kleinen Spiegeln zusammengefaßt bzw. kombiniert. Dadurch ist sichergestellt, daß die allgemeinen Proportionen der Vorrichtung so sind, daß jeder Spiegel lediglich einen Strahl aufnimmt, und zwar entweder deshalb, weil der einfallende Strahl schmal ist, oder deshalb, weil der Abstand der Spiegel von der Oberfläche ausreicht für die Trennung der gebeugten Strahlen in einem Breitstrahlsystem. Ein möglichesIn the representations, the required rays are summarized or combined after reflection from small mirrors. This ensures that the general proportions of the device are such that each mirror is only one Ray receives, either because the incident ray is narrow, or because the distance between the Mirror from the surface is sufficient to separate the diffracted rays in a broad-beam system. A possible one
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Verfahren zum Trennen von sich überlappenden Beugungsordnungen besteht darin, 3ine Linse bzw. ein Objektiv und eine Aperturblende zwischen der Strahlzusammenfassungseinrichtung (siehe die Einrichtung 26 in Fig. 1) und dem Detektorsystem anzuordnen. Method for separating overlapping diffraction orders consists in using a lens or objective and an aperture stop between the beam combining device (see device 26 in Fig. 1) and the detector system.
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Claims (21)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB4917077 | 1977-11-25 | ||
| PCT/GB1978/000043 WO1979000320A1 (en) | 1977-11-25 | 1978-11-24 | Method and apparatus for sensing in-plane deformation of a surface |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2857203A1 true DE2857203A1 (en) | 1980-11-27 |
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ID=26266415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19782857203 Ceased DE2857203A1 (en) | 1977-11-25 | 1978-11-24 | METHOD AND APPARATUS FOR SENSING IN-PLANE DEFORMATION OF A SURFACE |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8131 | Rejection |