FR2727524A1

FR2727524A1 - Object movement measurement system for e.g laser velocimetry

Info

Publication number: FR2727524A1
Application number: FR9414288A
Authority: FR
Inventors: Jean Claude Lehureau; Joseph Colineau
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1994-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 1996-05-31
Anticipated expiration: 2014-11-29
Also published as: FR2727524B1

Abstract

The system includes a laser source (S) which projects a coherent beam via a first lens (O1) on the object (C). The beam aperture and focal point are chosen to minimise the spot illuminated while ensuring defocusing either before or behind the object.The receiving element includes a diffraction grating (R) and a second lens (O2) focusing a significant area of beam on smaller cells. To detect displacement, the beam is transmitted so that the wavefront of illumination of the object is not centred on a point in the plane of the collectors. To detect rotation, a spherical wavefront is centred on the collector plane.

Description

SYSTEME DE MESURE DE MOUVEMENT D'UN OBJET
L'invention concerne un système de mesure de mouvement d'un objet et plus particulièrement un système permettant d'étudier soit le déplacement soit la rotation d'un objet ayant la caractéristique de diffuser la lumière. Un tel système a pour objet d'utiliser l'analyse de l'évolution du speckle rétrodiffusé par l'objet à mesurer. II permet d'améliorer de manière sensible la puissance du signal détecté et donc de réduire la puissance laser nécessaire ou d'augmenter la portée du système. Les applications de ce système sont la vélocimétrie laser1 le positionnement de mobile, la réalisation de pointeur.OBJECT MOTION MEASUREMENT SYSTEM
The invention relates to a system for measuring the movement of an object and more particularly to a system making it possible to study either the displacement or the rotation of an object having the characteristic of diffusing light. The purpose of such a system is to use the analysis of the evolution of the speckle backscattered by the object to be measured. It makes it possible to appreciably improve the power of the detected signal and therefore to reduce the laser power required or to increase the range of the system. The applications of this system are laser velocimetry1 mobile positioning, pointer realization.

lI est bien connu que la lumière d'un laser, lorsqu'elle subit une réflexion diffuse par un objet diffusant est renvoyée suivant un diagramme de diffusion aléatoire (speckle) dont la variance est égale à l'intensité moyenne et dont le grain est dépendant de la taille de la tache éclairée. It is well known that the light of a laser, when it undergoes a diffuse reflection by a scattering object is returned according to a random scattering diagram (speckle) whose variance is equal to the average intensity and on which the grain is dependent. the size of the lighted spot.

L'évolution de ce grain dépend du déplacement latéral de l'objet diffusant
Un tel effet a été utilisé pour mesurer des micro-déplacements.The evolution of this grain depends on the lateral displacement of the diffusing object
Such an effect has been used to measure micro-displacements.

Le grain du speckle est inversement proportionnel aux dimensions de la tache éclairée et pour détecter son évolution on doit, choisir entre focaliser finement le faisceau incident et réduire la taille des cellules de détection et donc la puissance détectée. Ce genre de système est donc réduit à des utilisations à très courte portee. The speckle grain is inversely proportional to the dimensions of the illuminated spot and to detect its evolution we must choose between finely focusing the incident beam and reducing the size of the detection cells and therefore the power detected. This kind of system is therefore reduced to very short range uses.

La solution proposée permet d'augmenter la surface de capture des cellules de détection. Ceci est particulièrement important lorsque la puissance laser doit rester faible afin d'éviter l'éblouissement de l'utilisateur. The proposed solution increases the capture surface of the detection cells. This is particularly important when the laser power must remain low in order to avoid dazzling the user.

L'invention concerne donc un système de mesure de mouvement d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte:
- une source lumineuse émettant un faisceau de lumière cohérente;
- un premier dispositif optique transmettant le faisceau de lumière vers un objet focalisé de telle manière que la surface d'onde d'éclairement de l'objet n'est pas centrée sur un point situé dans un plan appartenant aux dispositifs collecteurs
- au moins deux dispositifs collecteurs et détecteurs de lumière situés dans un plan sensiblement parallèle au plan de déplacement de
L'objet et localisés en des zones situées sur une ligne sensiblement parallèle à la trajectoire de l'objet.The invention therefore relates to a system for measuring the movement of an object, characterized in that it comprises:
- a light source emitting a coherent light beam;
a first optical device transmitting the light beam towards a focused object in such a way that the object's illumination wave surface is not centered on a point situated in a plane belonging to the collecting devices
- at least two light collecting and detecting devices located in a plane substantially parallel to the plane of movement of
The object and located in zones located on a line substantially parallel to the trajectory of the object.

L'invention concerne également un système de mesure de rotation d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte:
- une source lumineuse émettant un faisceau de lumière cohérente;
- un premier dispositif optique transmettant le faisceau de lumière vers un objet, la surface d'onde d'éclairement de l'objet étant une sphère centrée sur un point contenu dans un plan appartenant aux collecteurs;
- au moins deux dispositifs collecteurs et détecteurs de lumière situés dans un plan sensiblement parallèle au plan de déplacement de l'objet et localisés en des zones situées sur une ligne sensiblement parallèle à la trajectoire de l'objet.The invention also relates to a system for measuring the rotation of an object, characterized in that it comprises:
- a light source emitting a coherent light beam;
- A first optical device transmitting the light beam towards an object, the surface of the object's illumination wave being a sphere centered on a point contained in a plane belonging to the collectors;
- At least two light collecting devices and detectors located in a plane substantially parallel to the plane of movement of the object and located in areas located on a line substantially parallel to the path of the object.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent:
- la figure 1, un exemple général de réalisation du système de
l'invention;
- la figure 2, un exemple de réalisation du système de
l'invention;
- la figure 3a, un exemple de réalisation du réseau de la figure
1;
- la figure 3b, un exemple de signaux détectés par les
photodétecteurs de la figure 1;
- les figures 4a et 4b, un système d'évaluation des décalages
des signaux détectés par les photodétecteurs;
- la figure 5, un système à quatre photodétecteurs selon
l'invention;
- la figure 6, une variante de réalisation dans laquelle le réseau
est un réseau de lentilles.The various objects and characteristics of the invention will appear more clearly in the description which follows and in the appended figures which represent:
- Figure 1, a general embodiment of the system
the invention;
- Figure 2, an embodiment of the system
the invention;
- Figure 3a, an embodiment of the network of Figure
1;
- Figure 3b, an example of signals detected by the
photodetectors of Figure 1;
- Figures 4a and 4b, a system for evaluating the offsets
signals detected by the photodetectors;
- Figure 5, a system with four photodetectors according to
the invention;
- Figure 6, an alternative embodiment in which the network
is a network of lenses.

En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple de réalisation général du système selon l'invention. Referring to Figure 1, we will therefore first describe a general embodiment of the system according to the invention.

Ce système comporte une source S émettant un faisceau de lumière cohérente vers un objet C dont on veut étudier le mouvement. Ce système comporte également des récepteurs ou collecteurs de lumière tels que D1, D2, D3, D4 recevant la lumière réfléchie de manière diffuse par l'objet C et capable de détecter cette lumière. Ces récepteurs sont organisés en deux ensembles intercalés de récepteurs tels que les récepteurs de rangs impairs D1, D3 d'une part et les récepteurs pairs D2, D4 dautre parL
Les signaux détectés par les deux ensembles de détecteurs sont additionnés par les additionneurs AI et A2, sont comparés et on mesure le temps séparant la détection de la même image de l'objet C par les deux ensembles de détecteurs.Ainsi, les détecteurs de numéros impairs sont reliés à un premier circuit daddition foumissant un premier signal de détection global. Les détecteurs de numéros pairs sont reliés à un deuxième circuit d'addition foumissant un deuxième signal de détection global. La comparaison s'effectue sur des signaux de détection.This system includes a source S emitting a coherent light beam towards an object C whose movement we want to study. This system also includes light receivers or collectors such as D1, D2, D3, D4 receiving the light diffusedly reflected by the object C and capable of detecting this light. These receivers are organized into two interposed sets of receivers such as the odd-rank receivers D1, D3 on the one hand and the even receivers D2, D4 on the other hand
The signals detected by the two sets of detectors are added by the adders AI and A2, are compared and the time separating the detection of the same image of the object C by the two sets of detectors is measured. Thus, the number detectors odd are connected to a first addition circuit providing a first global detection signal. The even number detectors are connected to a second addition circuit providing a second global detection signal. The comparison is carried out on detection signals.

Le système de la figure 1 peut être appliqué soit à une mesure de rotation de l'objet C soit à une mesure de déplacement de l'objet C. The system of FIG. 1 can be applied either to a measurement of the rotation of the object C or to a measurement of the displacement of the object C.

Dans le cas d'une mesure de rotation, le faisceau lumineux transmis à la cible est un faisceau de rayons parallèles. La surface d'onde d'éclairement de l'objet est préférentiellement une sphère centrée sur un point situé dans le plan des collecteurs. In the case of a rotation measurement, the light beam transmitted to the target is a beam of parallel rays. The illumination wave surface of the object is preferably a sphere centered on a point located in the plane of the collectors.

Dans le cas d'une mesure de déplacement, ce déplacement se fait de préférence dans un parallèle au plan contenant les collecteurs Dl1
D2. Le faisceau lumineux est focalisé en un point situé soit légèrement devant l'objet C soit légèrement derrière.In the case of a displacement measurement, this displacement is preferably done in a parallel to the plane containing the collectors Dl1
D2. The light beam is focused at a point located either slightly in front of the object C or slightly behind.

Plus précisément, la surface d'onde d'éclairement de l'objet n'est pas centrée sur un point situé dans le plan contenant les collecteurs de lumière. More precisely, the illumination wave surface of the object is not centered on a point located in the plane containing the light collectors.

La figure 2 donne un exemple de réalisation général du dispositif suivant l'invention appliqué à une mesure de déplacement:
la source laser est projetée par un objectif 0I de manière à
former une tache de dimension focalisée au voisinage de l'objet
C dont on veut déterminer le mouvement.L'ouverture du
faisceau et le point de focalisation FI sont choisis de manière à
minimiser la tache éclairée sur l'objet tout en assurant que la
défocalisation a toujours lieu soit devant soit derrière l'objet;
selon un mode de réalisation le faisceau transmis par l'objectif ol estcollimaté;
I'élément récepteur est constitué d'une lentille 02 permettant de
focaliser une surface importante de faisceau sur ces cellules
de taille réduite ainsi que d'un réseau de diffraction R;
la paire de détecteurs D1, D2 reçoit la lumière collectée par la
lentille 02 et défléchie vers l'un ou l'autre détecteur par le
réseau microformé R.FIG. 2 gives an example of a general embodiment of the device according to the invention applied to a displacement measurement:
the laser source is projected by a 0I objective so as to
form a spot of focus focused in the vicinity of the object
C whose movement is to be determined.
beam and focal point FI are chosen so as to
minimize the lit spot on the object while ensuring that the
defocusing always takes place either in front of or behind the object;
according to one embodiment, the beam transmitted by the objective ol is collimated;
The receiving element consists of a lens 02 making it possible to
focus a large area of beam on these cells
of reduced size as well as of an R diffraction grating;
the pair of detectors D1, D2 receives the light collected by the
lens 02 and deflected towards one or the other detector by the
microform network R.

Le système de la figure 2 comporte en outre un miroir semiréfléchissant situé sur la direction du faisceau de lumière réfléchi par la cible
C et transmet cette lumière réfléchie aux photodétecteurs.The system of Figure 2 further includes a semi-reflecting mirror located in the direction of the beam of light reflected by the target
C and transmits this reflected light to the photodetectors.

Le point de focalisation FI est situé de préférence à une distance de l'objet C et donc du plan P dans lequel se déplace l'objet tel que -ea2
où A est la longueur d'onde de la source S,
E est la distance du point F1 au plan P,
a est l'ouverture de faisceau transmis vers l'objet C.The focal point FI is preferably located at a distance from the object C and therefore from the plane P in which the object moves such as -ea2
where A is the wavelength of the source S,
E is the distance from point F1 to plane P,
a is the beamwidth transmitted to object C.

A titre d'exemple, si l'objet est positionné à 10 cm près on assurera une focalisation à 15 à 20 cm devant l'objet et on choisira une ouverture de F/100. La tache de lumière sur l'objet C aura un diamètre de l'ordre de 300 IJ. For example, if the object is positioned to within 10 cm, focus will be provided 15 to 20 cm in front of the object and an aperture of F / 100 will be chosen. The spot of light on the object C will have a diameter of the order of 300 IJ.

Par ailleurs, pour l'effet de parallaxe les lentilles 01 et 02 seront placés le plus près possible l'une de l'autre. Furthermore, for the parallax effect, the lenses 01 and 02 will be placed as close as possible to each other.

Le réseau R, comme cela est représenté en figure 3a comporte des stries composées chacune de faces contiguës sl et s2. Les faces telles que s1 défléchissent la lumière provenant de l'objet C vers le photodétecteur Dl et les faces telles que s2 défléchissent la lumière vers le photodétecteur
D2. Chaque strie est séparée de la strie voisine par une bande t1 obturant la lumière (I'absorbant ou la réfléchissant) ou la défléchissant dans une direction telle que la lumière n'atteigne pas les photodétecteurs D1, D2.The network R, as shown in FIG. 3a, includes streaks each composed of contiguous faces sl and s2. The faces such as s1 deflect the light coming from the object C towards the photodetector Dl and the faces such as s2 deflect the light towards the photodetector
D2. Each streak is separated from the neighboring streak by a strip t1 blocking the light (absorbing or reflecting it) or deflecting it in a direction such that the light does not reach the photodetectors D1, D2.

Selon l'exemple de réalisation de la figure 3a, les stries sont rectilignes et sensiblement perpendiculaires à la direction du mouvement de l'objet à détecter. De préférence également les stries sont parallèles au plan
P. Le plan du réseau est donc parallèle au plan P.According to the exemplary embodiment of FIG. 3a, the streaks are rectilinear and substantially perpendicular to the direction of movement of the object to be detected. Preferably also the ridges are parallel to the plane
P. The network plane is therefore parallel to the plane P.

Chaque face s1, s2 a une largeur w de l'ordre du grain du speckle observé c'estbdire A dlt où
A est la longueur d'onde du laser,
d la distance à l'objet C,
t le diamètre de la tache.Each face s1, s2 has a width w of the order of the grain of the observed speckle, ie A dlt where
A is the wavelength of the laser,
d the distance to object C,
t the diameter of the spot.

L'éclairement vu par une face est vu peu après par rautre face de la même paire. Le retard entre les signaux reçus par chaque détecteurs D1 et
D2 est significatif du déplacement de l'objet. La figure 3b illustre les signaux détectés par les photodétecteurs.The illumination seen by one face is seen shortly after by another face of the same pair. The delay between the signals received by each detector D1 and
D2 is significant of the displacement of the object. Figure 3b illustrates the signals detected by the photodetectors.

L'intérêt d'un système utilisant le réseau R et une lentille de focalisation est améliorer la détectivité sans augmenter la taille des détecteurs: à titre d'exemple si l'objet est situé à 1m de l'ensemble source détecteurs pour une tache de 300 p, le grain de speckle a une dimension de l'ordre de 2 mm; la puissance reçue sur une surface de 4 mm' est de rordre du millionième de la puissance émise. Un ensemble détecteur de diamètre 30 mm permet de superposer une centaine de signaux aléatoires de même type ; la puissance utile du signal somme est donc 10 fois celle dont on disposerait en utilisant une seule paire de détecteur de dimension 2 mm.Sur des détecteurs de faible dimensions dont la charge équivalente aux bruits est de 10000 électrons et pour une évaluation de mouvements inférieurs à 3 m/s, la puissance nécessaire est de quelques dixièmes de milliwatts dans le cas d'une paire de photodiodes sans utilisation de réseau RE et de quelques centièmes de milliwatt dans le cas de l'utilisation du réseau RE. Cette réduction de puissance du faisceau permet de le rendre inoffensif pour l'oeil. The interest of a system using the R network and a focusing lens is to improve detectivity without increasing the size of the detectors: for example if the object is located 1m from the source detector set for a spot of 300 p, the speckle grain has a dimension of the order of 2 mm; the power received on a 4 mm 'surface is to order a millionth of the transmitted power. A 30 mm diameter detector assembly makes it possible to superimpose a hundred random signals of the same type; the useful power of the sum signal is therefore 10 times that which would be available using a single pair of detector of dimension 2 mm. On detectors of small dimensions whose charge equivalent to noise is 10,000 electrons and for an evaluation of movements less than 3 m / s, the power required is a few tenths of milliwatts in the case of a pair of photodiodes without the use of the RE network and a few hundredths of a milliwatt in the case of the use of the RE network. This reduction in beam power makes it harmless to the eye.

Comme le montre la figure 4a, une manière d'évaluer le déplacement de l'objet est de prendre le sens du retard afin de déterminer le sens du déplacement; la valeur absolue du vecteur vitesse est déduite du nombre de passage par zéro de l'un ou l'autre des signaux détectés ; à l'occasion d'un passage par zéro de l'un des signaux, la polarité relative de l'autre signal et de la dérivé du premier est significative du sens du retard. As shown in FIG. 4a, one way of evaluating the displacement of the object is to take the direction of the delay in order to determine the direction of the displacement; the absolute value of the speed vector is deduced from the number of zero crossings of one or other of the detected signals; on the occasion of a zero crossing of one of the signals, the relative polarity of the other signal and of the derivative of the first is significant of the direction of the delay.

Cet algorithme peut être réalisé de manière simple en utilisant un circuit compteur-décompteur tel que représenté en figure 4b qui reçoit sur ces entrées les signaux des détecteurs D1 et D2. L'entrée D2 détecte, par exemple, les passages par le niveau zéro des flancs descendants des signaux du détecteur D2. L'entrée D1 détecte en même temps si le signal u détecteur D1 est positif ou négatif ce qui donne l'indication du sens du mouvement de l'objet. Pour mesurer la vitesse absolue de l'objet il suffit de compter le nombre de détections sur l'entrée D2 par exemple, par unité de temps.Le signal de l'entrée D2 tient alors lieu de signal d'échantillonnage pour le circuit compteur-décompteur. Le signal de l'entrée D1 selon qu'il est positif ou négatif permet de faire avancer, ou de faire reculer le compteur- décompteur. La sortie de ce circuit donne une valeur relative du déplacement.This algorithm can be carried out in a simple manner by using an up-down circuit as represented in FIG. 4b which receives on these inputs the signals of the detectors D1 and D2. The input D2 detects, for example, the passages through the zero level of the falling edges of the signals from the detector D2. The input D1 detects at the same time if the signal u detector D1 is positive or negative which gives the indication of the direction of movement of the object. To measure the absolute speed of the object, simply count the number of detections on input D2 for example, per unit of time. The signal of input D2 then takes the place of the sampling signal for the counter circuit- down-counter. The signal of the input D1 depending on whether it is positive or negative makes it possible to advance, or to reverse the up-down counter. The output of this circuit gives a relative value of the displacement.

Cette évaluation est peu dépendante de la distance de objet au point de focalisation: en effet la vitesse angulaire de défilement du speckle est égale à la vitesse de défilement de l'objet vu du point de focalisation mais le grain luimeme est inversement proportionnel à la taille du spot donc à la distance séparant l'objet du point de focalisation. This evaluation is not very dependent on the distance from the object to the focal point: in fact the angular speed of movement of the speckle is equal to the speed of movement of the object seen from the focal point but the grain itself is inversely proportional to the size from the spot, therefore at the distance between the object and the focal point.

La figure 5 montre une réalisation permettant une évaluation du mouvement dans deux directions. Le réseau R est constitué de prismes en pointes de diamant et les détecteurs sont au nombre de 4 de manière à ce que chaque paire de détecteurs hautbas (D1-D2 et Dot4), droite-gauche (D1-D3 et D2-D4) voit les mêmes signaux que précédemment. FIG. 5 shows an embodiment allowing an evaluation of the movement in two directions. The network R consists of prisms in diamond points and the detectors are 4 in number so that each pair of high-low detectors (D1-D2 and Dot4), right-left (D1-D3 and D2-D4) sees the same signals as before.

On peut remplacer le réseau de prismes par un réseau de lentilles (figure 6); le tirage et la surface des cellules définit alors l'ouverture utile des zones collectrices dans le plan de R. The network of prisms can be replaced by a network of lenses (Figure 6); the draft and the surface of the cells then define the useful opening of the collecting zones in the plane of R.

L'invention peut trouver différents types d'applications aussi diverses que le dosage de freinage des roues d'une voitwe, les tachymètres, de pointages informatiques (souris) etc. The invention can find different types of applications as diverse as the braking metering of the wheels of a car, the tachometers, computer pointing (mouse) etc.

Claims

1. System for measuring the movement of an object, characterized in that it comprises:

- a light source (S) emitting a coherent light beam;

- a first optical device (01) transmitting the light beam towards an object (C) focused in such a way that the illumination wave surface of the object is not centered on a point located in a plane belonging to the collecting devices;

- At least two light collecting and detecting devices (C1, C2) located in a plane substantially parallel to the plane of movement of the object and located in zones located on a line substantially parallel to the trajectory of the object.

2. System for measuring the rotation of an object, characterized in that it comprises:

- a light source (S) emitting a coherent light beam;

- a first optical device (01) transmitting the light beam towards an object (C), the illumination wave surface of the object being a sphere centered on a point contained in a plane belonging to the collectors;

- At least two light collecting and detecting devices (cry, C2) located in a plane substantially parallel to the plane of movement of the object and located in zones located on a line substantially parallel to the trajectory of the object.

3. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises a first series of collectors (s1) spaced at a determined pitch and a second series of collectors (s2) interposed between the collectors and spaced according to the not even.

4. System according to claim 3, characterized in that the collectors (s1) are light refraction means, the first series of collectors transmitting light to a first detector and the second series of collectors transmitting light to a second detector and this through a second optical device focusing the light on the two detectors.

5. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that each collector comprises a light detector.

6. System according to claim 5, characterized in that each detector provides a detection signal and in that the odd number detectors (cry, C3, ...) are connected to a first addition circuit providing a first signal global detection; the even number detectors (C2, C4, ...) are connected to a second addition circuit providing a second global detection signal.

7. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first optical device transmits a beam of rays parallel to the object (C).

8. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that the focal point of the first optical device (01) is located at a distance from the object displacement plane corresponding substantially to the ratio of the wavelength of the beam of coherent light by the square of the opening of said beam (E = A / a2).

9. System according to claim 4, characterized in that the refraction means comprises parallel streaks formed channe by two faces forming a dihedral, each streak being separated from the neighboring streak by a strip not transmitting light to photodetectors.

10. System according to claim 8, characterized in that the width of each face is of the order of magnitude of the ratio Ad / t,

X being the length of the light beam emitted by the source;

d being the distance from the object (C) to the source;

t being the diameter of the light spot.

11. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that the coherent light beam is transmitted to the target in a direction perpendicular to the plane of the collecting devices and passing between the two collecting devices.

12. System according to claim 11, characterized in that it comprises a semi-reflecting mirror located in said direction, reflecting the beam emitted by the source towards object (C) and transmitting to the photodetectors the light reflected by the object (C).

13. System according to claim 8, characterized in that it comprises four photodetectors arranged in a matrix and that the refraction means comprise a matrix array of prisms.

14. System according to one of claims I or 2, characterized in that it comprises an electric counter-downcounter circuit connected to the photodetectors (Dl, D2), detecting the passages by a determined level of a type of flank (amount for example ) of a signal from a photodetector (D2) and changing positively or negatively depending on whether the signal from the other photodetector (D1) is positive or negative.