FR2688877A1 - Optical apparatus for measuring micro displacements, in its plane of an object perpendicularly to an optical sighting axis - Google Patents
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Abstract
Description
i La présente invention concerne un appareil optique de mesure sansThe present invention relates to an optical measuring device without
contact de microdéplacements dans son plan d'une surface diffusante d'un objet, microdisplacement contact in its plane of a diffusing surface of an object,
perpendiculairement à un axe optique de visée. perpendicular to an optical line of sight.
On connaît des dispositifs de mesure de déplacement et de vitesse d'objets utilisant une lumière cohérente laser et qui forment l'ensemble des techniques de vélocimétrie ou d'anémométrie laser Une grande partie de ces dispositifs connus est basée sur l'exploitation de l'effet Doppler lorsque la source de lumière est modulée en fréquence Le champ d'application de ce type de dispositif est généralement la mesure de vitesse de fluides par transmission (voir par exemple l'ouvrage "Laser Anemometry", édité par J Turner, Springer Devices for measuring the displacement and speed of objects are known using coherent laser light and which form all of the velocimetry or laser anemometry techniques. A large part of these known devices is based on the exploitation of the Doppler effect when the light source is frequency modulated The field of application of this type of device is generally the measurement of the speed of fluids by transmission (see for example the work "Laser Anemometry", edited by J Turner, Springer
Verlag).Verlag).
Un autre groupe de dispositifs de mesure de déplacement d'objets utilise la vélocimétrie speckle et est ainsi basé sur l'exploitation de la lumière cohérente rétrodiffusée par des surfaces en mouvement lorsqu'elles sont éclairées par une source laser Ces dispositifs connus utilisent principalement les propriétés de corrélation spatiale qui caractérisent le champ de granularité laser, ou speckle, qui permettent d'accéder à l'amplitude des déplacements de la surface analysée d'un objet Il existe plusieurs variantes de ces dispositifs de mesure permettant de déterminer l'amplitude de ces déplacements par: maximisation d'une fonction de corrélation comme cela est décrit dans la publication Applied Optics, vol 20, No 20, p 3539, 1981 et vol 21, No 5, p 845, 1982 et dans le brevet US No 5 020 903 délivré le 4 Juin 1991 et qui décrit un dispositif de mesure utilisant deux détecteurs ponctuels; modulation spatiale acousto-optique du faisceau et détection ponctuelle, puis traitement du signal comme cela est décrit dans le brevet US No 4 979 818 du 25 Décembre 1990; et détection du signal de speckle par imagerie et détecteur CCD de caméra vidéo, puis traitement du signal de corrélation par intercorrélation et/ou différentiation des signaux, comme cela est décrit dans la publication Applied Optics, vol 26, p 5321, 1987 et dans la publication Journal of Modern Optics, vol 35, Another group of devices for measuring the displacement of objects uses speckle velocimetry and is thus based on the exploitation of coherent light backscattered by moving surfaces when they are illuminated by a laser source. These known devices mainly use the properties of spatial correlation which characterize the field of laser granularity, or speckle, which allow access to the amplitude of the displacements of the analyzed surface of an object There are several variants of these measuring devices making it possible to determine the amplitude of these displacements by: maximization of a correlation function as described in the publication Applied Optics, vol 20, No 20, p 3539, 1981 and vol 21, No 5, p 845, 1982 and in US patent No 5,020,903 issued June 4, 1991 and which describes a measurement device using two point detectors; acousto-optical spatial modulation of the beam and point detection, then signal processing as described in US Patent No. 4,979,818 of December 25, 1990; and detection of the speckle signal by imagery and CCD detector of video camera, then processing of the correlation signal by intercorrelation and / or differentiation of the signals, as described in the publication Applied Optics, vol 26, p 5321, 1987 and in the publication Journal of Modern Optics, vol 35,
No.7, p 1201, 1988).No. 7, p 1201, 1988).
Selon les dispositifs connus par la dernière variante ci-dessus, une surface diffusante d'un objet est éclairée obliquement par un faisceau laser et elle renvoie une lumière diffusée caractéristique de sa rugosité Cette lumière diffusée est convergée sur l'objectif d'une caméra à capteur du type CCD et un balayage linéaire est effectué pour obtenir une loi d'amplitude caractéristique de la ligne explorée Si la surface diffusante de l'objet est soumise à un microdéplacement plan dans la direction qui correspond au balayage et qu'un deuxième balayage est effectué, on obtient une nouvelle loi d'amplitude qui correspond According to the devices known by the last variant above, a diffusing surface of an object is obliquely lit by a laser beam and it returns a scattered light characteristic of its roughness. This scattered light is converged on the objective of a camera with CCD type sensor and a linear scan is carried out to obtain a law of amplitude characteristic of the line explored If the diffusing surface of the object is subjected to a plane microdisplacement in the direction which corresponds to the scan and that a second scan is done, we get a new amplitude law which corresponds
approximativement à une translation de la loi précédente. approximately to a translation of the previous law.
La fonction de corrélation des deux lois d'amplitude est calculée afin de déterminer le maximum de cette fonction qui correspond au microdéplacement de la surface de The correlation function of the two laws of amplitude is calculated in order to determine the maximum of this function which corresponds to the microdisplacement of the surface of
l'objet.the object.
Le procédé de mesure ci-dessus décrit est connu pour un déplacement linéaire et un balayage de la caméra dans la direction correspondante Cependant, elle ne permet pas d'obtenir les deux coordonnées d'un déplacement de la surface diffusante de l'objet dans son plan. La présente invention a pour but d'éliminer l'inconvénient ci-dessus des dispositifs connus en The measurement method described above is known for a linear displacement and a scanning of the camera in the corresponding direction However, it does not make it possible to obtain the two coordinates of a displacement of the diffusing surface of the object in its plan. The object of the present invention is to eliminate the above drawback of the devices known in
proposant un appareil optique de mesure de micro- offering an optical micro-measurement device
déplacements dans son plan d'un objet perpendiculairement à un axe optique de visée, du type comprenant une source de lumière cohérente éclairant obliquement une surface diffusante de l'objet, un moyen de détection de faisceaux diffusés par la surface diffusante en mouvement et de conversion en signaux électriques de chacun des faisceaux diffusés et un circuit de traitement pour déterminer par corrélation des signaux électriques de sortie du moyen de détection et de conversion un microdéplacement de la surface diffusante de l'objet, appareil qui est caractérisé en ce que le moyen de détection et de conversion est constitué par une caméra à capteur du type CCD linéaire et en ce qu'il comprend également des moyens optiques aptes à déterminer en une seule mesure, avec le circuit de traitement et à l'aide de la caméra à capteur CCD effectuant un balayage linéaire, les deux composantes d'un microdéplacement de la surface diffusante de displacements in its plane of an object perpendicular to an optical sighting axis, of the type comprising a coherent light source obliquely illuminating a diffusing surface of the object, a means of detecting beams scattered by the diffusing surface in motion and of conversion into electrical signals from each of the scattered beams and a processing circuit for determining by correlation of the electrical signals output from the detection and conversion means a microdisplacement of the diffusing surface of the object, an apparatus which is characterized in that the means of detection and conversion is constituted by a sensor camera of the linear CCD type and in that it also includes optical means capable of determining in a single measurement, with the processing circuit and using the camera with CCD sensor performing a linear scan, the two components of a microdisplacement of the diffusing surface of
l'objet.the object.
De préférence, les moyens optiques précités comprennent un premier moyen optique pour transformer chaque faisceau diffusé en un faisceau parallèle, un deuxième moyen optique pour décomposer en deux faisceaux parallèles ledit faisceau parallèle et un troisième moyen optique pour effectuer une rotation de 900 autour de l'axe optique de l'un des deux faisceaux parallèles afin que le capteur CCD de la caméra détecte successivement en un seul balayage le faisceau parallèle tourné de 900 et le faisceau parallèle décomposé qui varient selon respectivement deux lois d'amplitude suivant Preferably, the aforementioned optical means comprise a first optical means for transforming each scattered beam into a parallel beam, a second optical means for decomposing said parallel beam into two parallel beams and a third optical means for performing a rotation of 900 around the optical axis of one of the two parallel beams so that the CCD sensor of the camera successively detects in a single scan the parallel beam rotated by 900 and the decomposed parallel beam which vary according to two laws of amplitude respectively
respectivement deux directions orthogonales. respectively two orthogonal directions.
Avantageusement, le troisième moyen optique précité est un prisme de Dove disposé de telle façon que sa face hypoténuse parallèle au faisceau soit tournée de 450 autour d'un axe parallèle au faisceau à partir d'une position initiale parallèle à la direction de balayage de Advantageously, the aforementioned third optical means is a Dove prism arranged in such a way that its hypotenuse face parallel to the beam is rotated by 450 around an axis parallel to the beam from an initial position parallel to the scanning direction of
la caméra.the camera.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier moyen optique comprend un filtre optique passe-bande et un ensemble optique à faible ouverture numérique composé de deux lentilles et le second moyen optique comprend une lame semi-transparente disposée entre les premier et troisième moyens optiques et un miroir réfléchissant orienté à 450 par rapport à l'axe optique précité. Le circuit de traitement précité est adapté pour analyser des signaux de sortie du capteur CCD de la caméra qui correspondent respectivement à deux faisceaux diffusés avant et après déplacement de la surface diffusante, à calculer une première fonction de corrélation entre les signaux de sortie avant et après déplacement de la surface diffusante suivant une direction de l'une des composantes du microdéplacement de ladite surface et une seconde fonction de corrélation des signaux de sortie avant et après déplacement de la surface diffusante suivant la direction de l'autre composante du microdéplacement de ladite surface et à déterminer les maxima des deux fonctions de corrélation pour en déduire les amplitudes des deux composantes de According to another characteristic of the invention, the first optical means comprises a bandpass optical filter and an optical assembly with low numerical aperture composed of two lenses and the second optical means comprises a semi-transparent blade disposed between the first and third means optical and a reflecting mirror oriented at 450 with respect to the aforementioned optical axis. The aforementioned processing circuit is adapted to analyze output signals from the CCD sensor of the camera which respectively correspond to two scattered beams before and after displacement of the scattering surface, to calculate a first correlation function between the output signals before and after displacement of the diffusing surface in a direction of one of the components of the microdisplacement of said surface and a second correlation function of the output signals before and after displacement of the diffusing surface in the direction of the other component of the microdisplacement of said surface and to determine the maxima of the two correlation functions to deduce the amplitudes of the two components of
déplacement de la surface diffusante de l'objet. displacement of the diffusing surface of the object.
Le circuit de traitement précité est également adapté à calculer, à partir des amplitudes déterminées de déplacement élémentaire de la surface diffusante analysée, par l'association d'une base de temps adéquate telle que celle liée à la cadence du temps de calcul du circuit de traitement, les composantes de vitesse et éventuellement les composantes d'accélération de la surface analysée pour reconstruire de manière The aforementioned processing circuit is also suitable for calculating, from the determined amplitudes of elementary displacement of the analyzed diffusing surface, by the association of an adequate time base such as that linked to the rate of calculation time of the processing, the speed components and possibly the acceleration components of the surface analyzed to reconstruct in a way
incrémentale la loi de déplacement de l'objet. incremental the law of displacement of the object.
Avantageusement, l'appareil comprend de plus une lame semi-transparente divisant en deux faisceaux secondaires le faisceau de la source unique de lumière et deux lentilles divergentes projetant sur la surface à analyser de l'objet l'un des faisceaux secondaires émergeant directement de la lame semi-transparente et le second faisceau secondaire réfléchi par un miroir interposé dans le trajet du second faisceau émergeant de la lame semi-transparente de façon à produire un éclairement incident à double faisceau symétrique à l'axe optique. Le circuit de traitement comprend de plus des moyens d'auto- régulation de l'intensité du faisceau émis par la source de lumière cohérente précitée afin de l'ajuster dans le domaine de linéarité du capteur CCD de Advantageously, the apparatus further comprises a semi-transparent plate dividing into two secondary beams the beam of the single light source and two divergent lenses projecting onto the surface to be analyzed of the object one of the secondary beams emerging directly from the semi-transparent plate and the second secondary beam reflected by a mirror interposed in the path of the second beam emerging from the semi-transparent plate so as to produce an incident illumination with a double beam symmetrical to the optical axis. The processing circuit further comprises means for self-regulating the intensity of the beam emitted by the aforementioned coherent light source in order to adjust it in the linearity range of the CCD sensor.
la caméra linéaire.the linear camera.
De préférence, la source de lumière précitée Preferably, the aforementioned light source
est une diode laser modulable en puissance. is a power-modulating laser diode.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci The invention will be better understood and other aims, characteristics, details and advantages thereof
apparaîtront plus clairement au cours de la description will appear more clearly during the description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant deux modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 représente le schéma de principe de fonctionnement de l'appareil de mesure de l'invention; la figure 2 représente un mode de réalisation de l'appareil de mesure de l'invention; la figure 3 représente une variante de réalisation de l'appareil de mesure de l'invention la figure 4 représente un prisme de Dove utilisé dans l'appareil de mesure de l'invention; la figure 5 représente les signaux de sortie du capteur CCD de la caméra linéaire utilisés dans l'appareil de mesure de l'invention; et la figure 6 représente le circuit de traitement des signaux de la figure 5 et d'auto-régulation d'intensité du faisceau laser émis par une source de lumière cohérente utilisée dans l'appareil Explanatory which will follow made with reference to the appended schematic drawings given solely by way of example illustrating two embodiments of the invention and in which: FIG. 1 represents the operating principle diagram of the apparatus for measuring the invention; Figure 2 shows an embodiment of the measuring apparatus of the invention; FIG. 3 represents an alternative embodiment of the measuring device of the invention; FIG. 4 represents a Dove prism used in the measuring device of the invention; FIG. 5 represents the output signals of the CCD sensor of the linear camera used in the measuring device of the invention; and FIG. 6 represents the circuit for processing the signals of FIG. 5 and for self-regulating the intensity of the laser beam emitted by a coherent light source used in the apparatus
de mesure de l'invention.of the invention.
L'appareil optique conforme à l'invention mesure des microdéplacements dans son plan d'un objet en se basant sur les propriétés de corrélation spatiale qui caractérisent le champ de granularité laser, ou speckle, qui est diffusé par une surface rugueuse lorsqu'elle est éclairée par une source de lumière cohérente (laser) Ce speckle est le résultat d'un phénomène d'interférence aléatoire produit par les micro-grains en surface et l'exploitation de cette structure aléatoire permet d'accéder aux propriétés mécaniques de la surface, telles que la rugosité moyenne ou sa dynamique (vitesse, accélération,) L'ensemble des techniques qui utilisent ces propriétés de corrélation du speckle forme The optical device according to the invention measures microdisplacements in its plane of an object based on the spatial correlation properties which characterize the laser granularity field, or speckle, which is diffused by a rough surface when it is illuminated by a coherent light source (laser) This speckle is the result of a phenomenon of random interference produced by micro-grains on the surface and the exploitation of this random structure allows access to the mechanical properties of the surface, such as the average roughness or its dynamics (speed, acceleration,) The set of techniques which use these properties of correlation of the speckle form
le domaine de l'interférométrie speckle. the field of speckle interferometry.
Le principe régissant le fonctionnement de l'appareil optique de l'invention va être décrit en The principle governing the operation of the optical device of the invention will be described in
référence à la figure 1.reference to figure 1.
Sur cette figure, la référence 1 désigne un objet dont on veut connaître la loi de déplacement Une surface diffusante S définie dans le repère orthonormé x Oy est éclairée par un faisceau laser 2 et observée à une distance D dans un plan d'observation 3 contenant le repère u Ov parallèle au plan x Oy L'amplitude du speckle diffusé par la surface S (x, y) est le résultat de la diffraction et est notée A (u, v) Lorsque la surface S (x,y) subit un mouvement de très faible amplitude, par exemple (dx,dy), inférieure au grain moyen du speckle, il se produit un mouvement global de la répartition d'amplitude A (u, v) dans le plan d'observation 3 Si l'expression de la fonction qui désigne la surface après le mouvement devient S (x+dx, y+dy), la nouvelle In this figure, the reference 1 designates an object whose displacement law is to be known. A diffusing surface S defined in the orthonormal reference frame x Oy is illuminated by a laser beam 2 and observed at a distance D in an observation plane 3 containing the frame u Ov parallel to the plane x Oy The amplitude of the speckle scattered by the surface S (x, y) is the result of the diffraction and is noted A (u, v) When the surface S (x, y) undergoes a movement of very small amplitude, for example (dx, dy), less than the average grain of the speckle, there is a global movement of the distribution of amplitude A (u, v) in the observation plane 3 If the expression of the function which designates the surface after the movement becomes S (x + dx, y + dy), the new
amplitude de l'éclairement au plan 3 s'écrit A'(u,v). amplitude of the illumination at plane 3 is written A '(u, v).
La corrélation entre A(u,v) et A'(u,v) se traduit par une propriété de ressemblance entre ces amplitudes d'éclairement En tenant compte de cette propriété, A'(u,v) correspond à une translation de A(u,v) et s'écrit: A'(u,v) = A(u+du,v+dv) ( 1) De cette corrélation spatiale, on déduit que l'analyse des amplitudes des speckles homologues correspondant à deux états d'une surface, avant et après déplacement, permet de remonter aux amplitudes de déplacements de cette surface, ce qui signifie que la mesure des amplitudes de déplacement du speckle, du et dv, permet de déduire les amplitudes de déplacement dx et dy de la surface S. L'appareil conforme à l'invention met à profit cette propriété pour extraire optiquement et simultanément les amplitudes A(u) et A(v) du speckle Ces amplitudes sont ensuite traitées en effectuant deux produits de corrélation numériques unidimensionnels, respectivement pour extraire du et dv, au moyen de la méthode connue qui met en oeuvre la transformation de Fourier. Ces fonctions de corrélation, notées hx(w) et hy(w), qui permettent de déterminer dx et dy sont définies de la manière suivante: hx(w) = A(u) * A(u+du) ( 2) et by(w) = A(v) * A(v+dv) ( 3) The correlation between A (u, v) and A '(u, v) results in a property of resemblance between these amplitudes of illumination By taking account of this property, A' (u, v) corresponds to a translation of A (u, v) and is written: A '(u, v) = A (u + du, v + dv) (1) From this spatial correlation, we deduce that the analysis of the amplitudes of the homologous speckles corresponding to two states of a surface, before and after displacement, makes it possible to go back to the amplitudes of displacements of this surface, which means that the measurement of the amplitudes of displacement of the speckle, du and dv, makes it possible to deduce the amplitudes of displacement dx and dy from surface S. The apparatus according to the invention takes advantage of this property to optically and simultaneously extract the amplitudes A (u) and A (v) from the speckle These amplitudes are then treated by performing two one-dimensional digital correlation products, respectively to extract du and dv, using the known method which implements l a Fourier transformation. These correlation functions, denoted hx (w) and hy (w), which make it possible to determine dx and dy, are defined as follows: hx (w) = A (u) * A (u + du) (2) and by (w) = A (v) * A (v + dv) (3)
le signe * désignant le produit de corrélation. the sign * designating the correlation product.
Les amplitudes de translation du speckle, du et dv, sont obtenues par la détermination des maxima des fonctions hx(w) et hy(w) tels que: max (hx(w)) = hx(du) ( 4) et max (hy(w)) = h y(dv) ( 5) Les valeurs du déplacement dx et dy de la surface S sont déduites des amplitudes du et dv précédemment calculées en utilisant le facteur de grandissement k de l'appareil optique de mesure de l'invention: dx = (k du) dy = (k dv) ( 6) La détermination des déplacements élémentaires dx et dy de la surface S permet d'obtenir, par l'association d'une base de temps adéquate qui sera définie ultérieurement, les composantes Vx et Vy de la vitesse et, éventuellement, les composantes Gx et Gy de The translation amplitudes of the speckle, du and dv, are obtained by determining the maxima of the functions hx (w) and hy (w) such that: max (hx (w)) = hx (du) (4) and max ( hy (w)) = hy (dv) (5) The values of the displacement dx and dy of the surface S are deduced from the amplitudes du and dv previously calculated using the magnification factor k of the optical device for measuring the invention: dx = (k du) dy = (k dv) (6) The determination of the elementary displacements dx and dy of the surface S makes it possible to obtain, by the association of an adequate time base which will be defined later, the components Vx and Vy of the speed and, possibly, the components Gx and Gy of
l'accélération de la surface analysée S de l'objet 1. the acceleration of the analyzed surface S of object 1.
La figure 2 représente la partie optique de l'appareil de mesure de l'invention adaptée pour réaliser une décomposition des mouvements orthogonaux de la surface S dans son plan perpendiculairement à l'axe optique de visée et obtenir séparément les amplitudes A(u) et A(v) définies précédemment Cette partie sépare optiquement les mouvements du speckle suivant les axes x et y de manière à obtenir des signaux d'amplitudes homologues détectés simultanément par un détecteur unique approprié. A cet effet, l'appareil de mesure comprend un faisceau laser 2 éclairant obliquement une surface diffusante de l'objet 1 pouvant se déplacer dans son plan perpendiculairement à l'axe optique de visée 00 ', un filtre optique passe-bande 4 traversé par le faisceau de speckle produit et diffusé par la surface analysée et un ensemble optique à faible ouverture numérique composé de deux lentilles 5, 6 imageant le faisceau de speckle pour produire en sortie un faisceau approximativement parallèle L'appareil comprend de plus une lame semi- transparente 7 orientée à 450 par rapport à l'axe optique de visée 00 ' de façon à diviser le faisceau parallèle sortant de l'ensemble 5,6 en deux faisceaux d'amplitudes égales et de directions orthogonales Les deux faisceaux résultants subissent deux modes de propagation sur deux axes parallèles Pour cela, le premier faisceau est dévié par la lame semi-transparente 7 vers un miroir 8 orienté à 450 par rapport à l'axe optique 00 ', puis est focalisé par une lentille 9 sur le capteur CCD linéaire 10 pour former sur ce capteur l'image de la surface S Le second faisceau traversant la lame semi-transparente 7 traverse également un prisme de Dove 11 représenté en détail en figure 4 et faisant subir au faisceau parallèle une rotation de 900 autour de l'axe optique 00 ', lequel faisceau est ensuite focalisé par une lentille 12 pour former l'image tournée de la surface S sur le capteur linéaire 10 Le prisme de Dove 11 est disposé de telle façon que sa face hypoténuse parallèle au faisceau soit tournée de 450 autour d'un axe parallèle au faisceau à partir d'une position initiale parallèle à la direction de balayage de la caméra Le photodétecteur 10 étant un capteur CCD unidimensionnel, il ne détecte réellement que deux lignes orthogonales du speckle image correspondant à deux lignes orthogonales de la surface en mouvement S La forme des signaux détectés par le capteur CCD est représentée en figure 5 qui montre que lorsque la surface S subit un mouvement dans le plan x Oy qui se décompose en deux composantes dx et dy, le speckle propagé subit deux décalages homologues du et dv Les moyens optiques de l'appareil produisent sur le capteur CCD 10 des signaux décalés La représentation et l'analyse simultanée des signaux avant et après un déplacement élémentaire de la surface S aux instants t et (t+dt) donnent deux couples de signaux translatés entre eux et référencés S(u)t, S(u)t+dt, et S(v)t, S(v) t+dt' le signal S(u)t ou S(u)t+dt et le signal S(v)t ou S(v)t+dt variant selon respectivement deux lois d'amplitudes suivant respectivement les deux directions orthogonales et étant situés de part et d'autre de l'axe X-X' du FIG. 2 represents the optical part of the measuring device of the invention adapted to achieve a decomposition of the orthogonal movements of the surface S in its plane perpendicular to the optical axis of sight and to obtain separately the amplitudes A (u) and A (v) defined previously This part optically separates the speckle movements along the x and y axes so as to obtain signals of homologous amplitudes detected simultaneously by an appropriate single detector. To this end, the measuring apparatus comprises a laser beam 2 obliquely illuminating a diffusing surface of the object 1 which can move in its plane perpendicular to the optical sighting axis 00 ', an optical bandpass filter 4 crossed by the speckle beam produced and diffused by the analyzed surface and an optical assembly with low numerical aperture composed of two lenses 5, 6 imaging the speckle beam to produce an output of an approximately parallel beam The apparatus further comprises a semi-transparent blade 7 oriented at 450 with respect to the optical sighting axis 00 'so as to divide the parallel beam leaving the assembly 5.6 into two beams of equal amplitudes and orthogonal directions The two resulting beams undergo two modes of propagation on two parallel axes For this, the first beam is deflected by the semi-transparent plate 7 towards a mirror 8 oriented at 450 relative to the optical axis 00 ′, then is focused by a lens 9 on the linear CCD sensor 10 to form on this sensor the image of the surface S The second beam passing through the semi-transparent plate 7 also crosses a Dove prism 11 shown in detail in FIG. 4 and making undergo a parallel beam rotation of 900 around the optical axis 00 ', which beam is then focused by a lens 12 to form the rotated image of the surface S on the linear sensor 10 The Dove prism 11 is arranged in such a way so that its hypotenuse face parallel to the beam is rotated by 450 around an axis parallel to the beam from an initial position parallel to the scanning direction of the camera. The photodetector 10 being a one-dimensional CCD sensor, it actually only detects two orthogonal lines of the image speckle corresponding to two orthogonal lines of the moving surface S The shape of the signals detected by the CCD sensor is shown in f igure 5 which shows that when the surface S undergoes a movement in the plane x Oy which is broken down into two components dx and dy, the propagated speckle undergoes two homologous shifts du and dv The optical means of the device produce on the CCD sensor 10 offset signals The simultaneous representation and analysis of the signals before and after an elementary displacement of the surface S at times t and (t + dt) give two pairs of signals translated between them and referenced S (u) t, S (u ) t + dt, and S (v) t, S (v) t + dt 'the signal S (u) t or S (u) t + dt and the signal S (v) t or S (v) t + dt varying respectively according to two laws of amplitudes respectively following the two orthogonal directions and being located on either side of the axis XX 'of the
photodétecteur CCD.CCD photodetector.
Un circuit de traitement 13 représenté en figure 6 traite les signaux de sortie du capteur CCD 10 A processing circuit 13 shown in FIG. 6 processes the output signals from the CCD sensor 10
de façon à extraire les décalages du et dv. so as to extract the offsets du and dv.
Le circuit 13 est composé d'un microordinateur qui effectue les opérations de calculs numériques ainsi que de trois cartes spécialisées qui réalisent les fonctions suivantes: la numérisation du signal analogique provenant du capteur CCD ligne 10, la conversion numérique- analogique du signal de pilotage SP du courant d'injection d'une diode laser utilisée comme source éclairant la surface à analyser S et une carte qui réalise la transformation de Fourier rapide mentionnée précédemment Ces trois fonctions peuvent être intégrées dans une seule carte puissante utilisant par exemple la The circuit 13 is composed of a microcomputer which performs the numerical calculation operations as well as three specialized cards which perform the following functions: the digitization of the analog signal coming from the CCD sensor line 10, the digital-analog conversion of the control signal SP of the injection current of a laser diode used as a source illuminating the surface to be analyzed S and a card which performs the fast Fourier transformation mentioned previously These three functions can be integrated into a single powerful card using for example the
technologie DSP (Digital Signal Processing). DSP (Digital Signal Processing) technology.
Ces différentes fonctions vont être considérées successivement. Le signal S(u)t, respectivement S(v)t provenant du photodétecteur CCD est échantillonné par un convertisseur analogique-numérique 14, puis dirigé simultanément vers une mémoire intermédiaire ou buffer 15 pour servir de référence pour le traitement avec le signal suivant S(u)t+ dt et vers le processeur de traitement numérique 16 pour effectuer le calcul en cours avec le signal précédent S(u)t-dt' Le processeur 16 extrait l'amplitude du déplacement du speckle, puis le déplacement réel de la surface S, le retard dt constituant la période de traitement de deux mesures successives qui définit la résolution de mesure de il l'appareil et est ainsi utilisé comme base de temps mentionnée précédemment A cet effet, le processeur 16 effectue une routine de calcul permettant d'effectuer le produit de corrélation par transformation de Fourier rapide donnant les fonctions de corrélation hx(w) et h (w) définies en ( 2) et ( 3), l'extraction de l'abscisse du maximum de corrélation donnant l'amplitude de déplacement du, puis dv du speckle, le calcul inverse du déplacement dx et dy et la reconstruction de la trajectoire du déplacement de la surface S, des vitesses et, éventuellement, de l'accélération de cette surface These different functions will be considered successively. The signal S (u) t, respectively S (v) t coming from the CCD photodetector is sampled by an analog-digital converter 14, then directed simultaneously to an intermediate memory or buffer 15 to serve as a reference for processing with the next signal S (u) t + dt and towards the digital processing processor 16 to carry out the calculation in progress with the previous signal S (u) t-dt 'The processor 16 extracts the amplitude of the displacement of the speckle, then the real displacement of the surface S, the delay dt constituting the processing period of two successive measurements which defines the measurement resolution of the device and is thus used as the time base mentioned previously. To this end, the processor 16 performs a calculation routine making it possible to perform the correlation product by fast Fourier transformation giving the correlation functions hx (w) and h (w) defined in (2) and (3), extracting the abscissa of the correlation maximum ation giving the amplitude of displacement of, then dv of the speckle, the inverse calculation of the displacement dx and dy and the reconstruction of the trajectory of the displacement of the surface S, of the speeds and, possibly, of the acceleration of this surface
dans le plan.in the plan.
L'utilisation de l'appareil sur tout type de surface, dont les réflectances peuvent varier considérablement, impose une adaptation automatique du niveau d'éclairement pour une détection linéaire par le capteur CCD 10, cela sans intervention de l'opérateur La fonction d'autorégulation est donc nécessaire et est effectuée par une modulation de la puissance optique délivrée par la diode laser au moyen d'une fonction de veille software qui analyse au départ si le signal de détection du capteur CCD 10 est à l'extérieur de la zone de linéarité du capteur, c'est-à-dire proche de la saturation ou du niveau bas de bruit quantique (suivant chaque type de surface, la puissance optique détectée par le capteur CCD est plus ou moins importante) Lorsque le seuil de détection est atteint, une correction ou commande SP du courant d'injection dans la diode laser est effectuée ou activée pour ajuster, c'est-à-dire augmenter ou diminuer, le courant injecté dans la diode laser et donc ajuster la puissance du faisceau laser dans le domaine de linéarité du capteur CCD Cette opération est effectuée par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique-analogique 17 jusqu'à satisfaction des The use of the device on any type of surface, the reflectances of which can vary considerably, requires an automatic adaptation of the level of illumination for a linear detection by the CCD sensor 10, this without intervention of the operator. Self-regulation is therefore necessary and is carried out by modulating the optical power delivered by the laser diode by means of a software standby function which analyzes at the outset whether the detection signal from the CCD sensor 10 is outside the detection zone. linearity of the sensor, i.e. close to saturation or low quantum noise level (depending on each type of surface, the optical power detected by the CCD sensor is more or less important) When the detection threshold is reached , a correction or control SP of the injection current in the laser diode is carried out or activated to adjust, that is to say increase or decrease, the current injected into the laser diode and d onc adjust the power of the laser beam in the linearity range of the CCD sensor This operation is carried out via a digital-analog converter 17 until satisfaction of the
conditions de réglage.adjustment conditions.
La mesure des déplacements successifs, en association avec la base des temps de mesure, fournit donc par simple dérivation les paramètres mesurés du déplacement, de la vitesse ou de l'accélération de l'objet qui sont indiqués sur un dispositif d'affichage The measurement of successive displacements, in association with the base of measurement times, therefore provides, by simple derivation, the measured parameters of the displacement, of the speed or of the acceleration of the object which are indicated on a display device.
ou de visualisation 18.or display 18.
On notera également que le processeur 16 effectue par la routine mentionnée ci-dessus des opérations de pré-traitement des signaux numérisés et gère, par l'intermédiaire d'un bus, les différentes fonctions des cartes et que parmi ces opérations de base, il effectue un lissage des signaux S(u)t et S(u)t-dt' It will also be noted that the processor 16 performs by the routine mentioned above operations of pre-processing of the digitized signals and manages, via a bus, the various functions of the cards and that among these basic operations, it smooths the signals S (u) t and S (u) t-dt '
respectivement S(v)t et S(v)t-dt.respectively S (v) t and S (v) t-dt.
Selon la variante de réalisation représentée en figure 3, la diode laser, modulable en puissance, porte la référence 19 et reçoit le signal de pilotage SP Une lame semi-transparente 20 divise en deux faisceaux secondaires le faisceau laser de la diode 19 Le faisceau secondaire traversant la lame 20 est réfléchi par un miroir 21 vers une lentille divergente 22 projetant sur la surface à analyser S ce faisceau Le faisceau secondaire réfléchi par la lame 20 est transmis directement à une seconde lentille divergente 23 qui projette ce faisceau également sur la surface S On produit de la sorte un éclairement incident à double faisceau symétrique à l'axe optique de visée 00 ' Cette méthode d'incidence à double faisceau connue en soi et introduite par J A Leendertz ( voir Optical Instruments and Techniques, p 256, 1969, édité par H Dickson, Oriel Press) permet de réduire, sinon d'annuler la sensibilité de l'appareil aux mouvements ou déplacements parasites extérieurs au plan de mesure compte tenu du fait que l'appareil de l'invention est limité à la mesure de microdéplacements dans le plan Il est donc préférable de réaliser l'appareil de mesure de l'invention en utilisant ce double éclairement symétriquement à l'axe optique de According to the variant embodiment shown in FIG. 3, the power-modifiable laser diode bears the reference 19 and receives the piloting signal SP A semi-transparent blade 20 divides the laser beam of the diode 19 into two secondary beams The secondary beam passing through the blade 20 is reflected by a mirror 21 towards a diverging lens 22 projecting onto the surface to be analyzed S this beam The secondary beam reflected by the blade 20 is transmitted directly to a second diverging lens 23 which also projects this beam onto the surface S This produces a double beam incident illumination symmetrical to the optical line of sight 00 'This double beam incidence method known per se and introduced by JA Leendertz (see Optical Instruments and Techniques, p 256, 1969, edited by H Dickson, Oriel Press) reduces, if not cancels, the sensitivity of the device to external parasitic movements or displacements in the measurement plane taking into account that the device of the invention is limited to the measurement of microdisplacements in the plane It is therefore preferable to produce the measurement device of the invention by using this double illumination symmetrically to the optical axis of
cet appareil.this device.
L'appareil conforme à l'invention permet donc de mesurer les deux composantes d'un déplacement plan d'un objet à partir d'un seul balayage effectué par une The apparatus according to the invention therefore makes it possible to measure the two components of a plane displacement of an object from a single scan carried out by a
seule caméra CCD linéaire.single linear CCD camera.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9203169A FR2688877B1 (en) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | OPTICAL APPARATUS FOR MEASURING MICRODEPLACEMENTS IN ITS PLAN OF AN OBJECT PERPENDICULARLY TO AN OPTICAL AXIS OF VIEW. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9203169A FR2688877B1 (en) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | OPTICAL APPARATUS FOR MEASURING MICRODEPLACEMENTS IN ITS PLAN OF AN OBJECT PERPENDICULARLY TO AN OPTICAL AXIS OF VIEW. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2688877A1 true FR2688877A1 (en) | 1993-09-24 |
| FR2688877B1 FR2688877B1 (en) | 1996-09-06 |
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ID=9427760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9203169A Expired - Fee Related FR2688877B1 (en) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | OPTICAL APPARATUS FOR MEASURING MICRODEPLACEMENTS IN ITS PLAN OF AN OBJECT PERPENDICULARLY TO AN OPTICAL AXIS OF VIEW. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2688877B1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1562704A1 (en) * | 1988-07-20 | 1990-05-07 | Институт проблем материаловедения АН УССР | Apparatus for measuring displacements of diffusely reflecting surface of object |
| US5089712A (en) * | 1989-06-08 | 1992-02-18 | Hewlett-Packard Company | Sheet advancement control system detecting fiber pattern of sheet |
-
1992
- 1992-03-17 FR FR9203169A patent/FR2688877B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| SU1562704A1 (en) * | 1988-07-20 | 1990-05-07 | Институт проблем материаловедения АН УССР | Apparatus for measuring displacements of diffusely reflecting surface of object |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2688877B1 (en) | 1996-09-06 |
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