NL1034328C2

NL1034328C2 - Object displacement measuring device for seismograph application, involves calculating movement of object relative to optical axis from measured displacement of interference pattern

Info

Publication number: NL1034328C2
Application number: NL1034328A
Authority: NL
Inventors: Hendrik Van Der Graaf
Original assignee: Stichting Fund Ond Material
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2009-03-05

Abstract

The method involves providing a radiation source (10) e.g. laser, and a radiation sensor (30) at a distance in a measuring site (B). An object associated with a pattern-making body (20) is positioned between the source and the sensor, and a radiation beam (11) is directed to the sensor, where diffraction of the radiation causes an interference pattern (31) on the sensor. A relative displacement of the pattern is measured relative to the sensor, and the movement of the object relative to an optical axis is calculated from the measured displacement of the interference pattern. Independent claims are also included for the following: (1) a device for measuring a displacement of an object relative to a reference (2) a kit for a device for measuring a displacement of an object relative to a reference.

Description

»»

Titel: Werkwijze en inrichting voor het meten van geringe vervormingen of verplaatsingen van objectenTitle: Method and device for measuring small deformations or displacements of objects

De uitvinding heeft in zijn algemeenheid betrekking op het meten van kleine vervormingen of verplaatsingen van objecten. Die vervormingen of verplaatsingen kunnen stationair zijn, maar kunnen ook tijd-variant zijn (dwz beweging), en 5 kunnen zelfs periodiek zijn, zoals bijvoorbeeld trillingen.The invention relates generally to the measurement of small distortions or displacements of objects. Those deformations or displacements can be stationary, but can also be time-variant (ie movement), and can even be periodic, such as for example vibrations.

In een bijzondere toepassingsvorm heeft de onderhavige uitvinding betrekking het nauwkeurig positioneren van grote en zware objecten.In a special application form, the present invention relates to the accurate positioning of large and heavy objects.

In een andere bijzondere toepassingsvorm heeft de 10 onderhavige uitvinding betrekking op metingen te verrichten aan de aardkorst, meer in het bijzonder seismische metingen.In another particular application form, the present invention relates to measurements to be made on the earth's crust, more in particular seismic measurements.

In weer een andere bijzondere toepassingsvorm heeft de onderhavige uitvinding betrekking op het meten van vervormingen van een object onder invloed van belasting, om 15 aldus in staat te zijn tot het geven van een waarschuwing voor een dreigende overbelasting. Een specifiek voorbeeld betreft een door sneeuw doorbuigend dak.In yet another particular application form, the present invention relates to the measurement of deformations of an object under the influence of load, so as to be able to give a warning of an imminent overload. A specific example concerns a snow-bending roof.

De onderhavige uitvinding zal in het bijzonder voor de bovengenoemde toepassingsvormen worden uitgelegd, maar met 20 nadruk wordt opgemerkt dat de onderhavige uitvinding niet beperkt is tot deze toepassingen.The present invention will be explained in particular for the aforementioned forms of application, but it is emphasized that the present invention is not limited to these applications.

Er zijn situaties denkbaar waarin de positie van een relatief groot en zwaar voorwerp ten opzichte van een bepaalde 25 referentie nauwkeurig wordt ingesteld en/of nauwkeurig bekend is. Daartoe is een meetsysteem nodig, dat de relatieve positie van dat voorwerp ten opzichte van de referentie nauwkeurig kan meten, of althans in staat is om variaties in die relatieve positie nauwkeurig te meten. Een computer kan de meetgegevens 30 gebruiken om een geconstateerde verplaatsing te melden, maar het is ook mogelijk dat deze meetgegevens worden gebruikt als terugkoppeling voor een positioneringsysteem teneinde | 034328 ' 2 variaties tegen te werken en de relatieve positie van het voorwerp zo nauwkeurig mogelijk constant te houden.Situations are conceivable in which the position of a relatively large and heavy object relative to a specific reference is accurately adjusted and / or accurately known. To this end, a measuring system is required that can accurately measure the relative position of that object relative to the reference, or is at least able to accurately measure variations in that relative position. A computer can use the measurement data 30 to report a detected displacement, but it is also possible that this measurement data is used as feedback for a positioning system in order to | 034328 '2 variations and to keep the relative position of the object constant as accurately as possible.

De onderhavige uitvinding verschaft een meetsysteem dat voor deze toepassing geschikt is.The present invention provides a measuring system that is suitable for this application.

55

Seismische trillingen zijn in het algemeen trillingen in de aardkorst. Er zijn diverse redenen waarom seismische trillingen interessant, en het meten van seismische trillingen belangrijk kan zijn. In de eerste plaats is het mogelijk om 10 hierdoor aardbevingen waar te nemen. In de tweede plaats kunnen seismische trillingen kunstmatig worden opgewekt om onderzoek te doen naar de samenstelling van de aardkorst; uit de verkregen gegevens kan men bijvoorbeeld een uitspraak doen over de kans dat zich op een bepaalde plaats binnen bepaalde 15 tijd een aardbeving voordoet, of over de kans dat zich ergens aardolie bevindt. Verder kunnen alom aanwezige natuurlijke seismische trillingen worden gebruikt voor seismologisch onderzoek.Seismic vibrations are generally vibrations in the Earth's crust. There are several reasons why seismic vibrations can be interesting, and measuring seismic vibrations can be important. In the first place, it is possible to observe earthquakes because of this. Secondly, seismic vibrations can be artificially generated to investigate the composition of the earth's crust; from the data obtained, for example, one can make a statement about the probability that an earthquake will occur at a certain place within a certain time, or about the probability that oil will be present somewhere. Furthermore, ubiquitous natural seismic vibrations can be used for seismological surveys.

Traditioneel worden bewegingen in de aardkorst gemeten 20 door instrumenten die gebaseerd zijn op massatraagheid. Een trage massa is beweegbaar gemonteerd ten opzichte van een vast punt. In rust staat de massa stil ten opzichte van het vaste punt. Indien er zich een beweging voordoet van de aardkorst resulteert dat in een beweging van het vaste ophangpunt ten 25 opzichte van de trage massa; deze beweging kan op diverse manieren worden geregistreerd. Deze beweging kan bijvoorbeeld mechanisch worden geregistreerd door middel van een met de massa verbonden pen die schrijft op een met het vaste ophangpunt verbonden medium, of bijvoorbeeld optisch door 30 middel van een laserbundel die reflecteert aan een met de massa verbonden spiegel.Movements in the Earth's crust are traditionally measured by instruments based on mass inertia. A slow mass is movably mounted relative to a fixed point. At rest the mass stands still relative to the fixed point. If a movement of the earth's crust occurs, this results in a movement of the fixed suspension point relative to the slow mass; this movement can be registered in various ways. This movement can for instance be recorded mechanically by means of a pin connected to the ground and writing on a medium connected to the fixed suspension point, or for example optically by means of a laser beam reflecting to a mirror connected to the ground.

Een nadeel van op massatraagheid gebaseerde meetmethoden is, dat zij relatief ongevoelig zijn voor laagfrequente trillingen en stationaire vervormingen.A drawback of mass inertia-based measurement methods is that they are relatively insensitive to low-frequency vibrations and stationary distortions.

35 De onderhavige uitvinding beoogt dit probleem te elimineren. In het bijzonder beoogt de onderhavige uitvinding een meetmethode en meetinrichting te verschaffen die geschikt is voor het detecteren van seismische golven met een 3 frequentie van 0-10 mHz, en voor het meten van statische vervormingen.The present invention aims to eliminate this problem. In particular, it is an object of the present invention to provide a measuring method and measuring device that is suitable for detecting seismic waves with a frequency of 0-10 mHz, and for measuring static distortions.

Een ander doel van de onderhavige uitvinding is het _ verschaffen van een meetmethode en meetinrichting gebaseerd op 5 een ander meetprincipe, in het bijzonder niet gebaseerd op massatraagheid.Another object of the present invention is to provide a measuring method and measuring device based on a different measuring principle, in particular not based on mass inertia.

Wanneer een mechanische constructie wordt onderworpen aan een belasting, zal die constructie vervormen. Bij wijze van 10 voorbeeld kan worden gedacht aan een brug, maar ook aan een (plat) dak dat belast wordt met een lading sneeuw. In het algemeen is die constructie ontworpen om een bepaalde belasting cq vervorming te kunnen doorstaan. Een gevaar is, dat de constructie bezwijkt. Dat zou kunnen indien de ver-15 vorming te groot wordt, maar ook indien een vervormingscyclus te vaak is opgetreden, waarbij het kritische aantal cycli weer afhankelijk kan zijn van de vervormingsamplitude. In het algemeen bestaat er een wens om constructies te bewaken, en om in staat te zijn tot het geven van een waarschuwing indien de 20 belasting van de constructie in een gevarenzone terecht komt. Daartoe is een meetsysteem nodig, dat nauwkeurig de vervorming van een constructie kan meten.When a mechanical structure is subjected to a load, that structure will deform. By way of example, one can think of a bridge, but also of a (flat) roof that is loaded with a load of snow. In general, that construction is designed to withstand a certain load or deformation. A danger is that the structure will collapse. This could be possible if the distortion becomes too large, but also if a distortion cycle has occurred too often, whereby the critical number of cycles can again depend on the distortion amplitude. In general, there is a desire to monitor structures, and to be able to give a warning if the load on the structure ends up in a danger zone. This requires a measuring system that can accurately measure the deformation of a structure.

2525

Volgens een hoofdkenmerk van de onderhavige uitvinding heeft een meetsysteem een lichtbron en een lichtontvanger, die tezamen een optische referentielijn definiëren. De lichtontvanger is een tweedimensionale ontvanger (beeldsensor), 30 opgesteld loodrecht op de optische lijn, en de door de lichtbron (laser) uitgezonden lichtbundel veroorzaakt ter plaatse van de lichtontvanger een lichtvlek. Tussen de lichtbron en de lichtontvanger is, op de optische lijn, een ten minste gedeeltelijk transparant object opgesteld dat het 35 door de lichtbron uitgezonden licht beïnvloedt zodat ter plaatse van de lichtontvanger een interferentiepatroon ontstaat. Indien dit object wordt verplaatst, verandert het door de lichtontvanger ontvangen interferentiepatroon op een karakteristieke manier. Een computer kan dan uit de 4 veranderingen die optreden in de beeldsignalen van de beeldsensor, eventueel met kennis van de vorm en positie van het object, de verplaatsing van het object berekenen. In het vervolg zal dit object worden aangeduid met de term 5 "patroonvormend orgaan".According to a main feature of the present invention, a measurement system has a light source and a light receiver, which together define an optical reference line. The light receiver is a two-dimensional receiver (image sensor), arranged perpendicular to the optical line, and the light beam emitted by the light source (laser) causes a light spot at the location of the light receiver. On the optical line, an at least partially transparent object is arranged between the light source and the light receiver, which object influences the light emitted by the light source, so that an interference pattern arises at the location of the light receiver. If this object is moved, the interference pattern received by the light receiver changes in a characteristic manner. A computer can then calculate the displacement of the object from the 4 changes that occur in the image signals from the image sensor, possibly with knowledge of the shape and position of the object. This object will hereinafter be referred to as the "patterning member" term.

Deze en andere aspecten, kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen nader worden verduidelijkt door de hiernavolgende beschrijving onder verwijzing naar de 10 tekeningen, waarin gelijke verwijzingscijfers gelijke of vergelijkbare onderdelen aanduiden, en waarin: figuur IA schematisch een uitvoeringsvorm van een meetopstelling volgens de onderhavige uitvinding illustreert, om het werkingsprincipe daarvan uit te leggen; 15 figuur 1B een met figuur IA vergelijkbare figuur is, op een andere schaal; figuur 2 schematisch een eerste toepassing van een meetopstelling volgens de onderhavige uitvinding illustreert; figuur 3 schematisch een tweede toepassing van een meet-20 opstelling volgens de onderhavige uitvinding illustreert; figuur 4 schematisch een derde toepassing van een meetopstelling volgens de onderhavige uitvinding illustreert.These and other aspects, features and advantages of the present invention will be further elucidated by the following description with reference to the drawings, in which like reference numerals indicate like or similar parts, and in which: figure 1A schematically shows an embodiment of a measuring arrangement according to the present invention illustrates the invention to explain its operating principle; Figure 1B is a figure comparable to figure IA, on a different scale; Fig. 2 schematically illustrates a first application of a measuring arrangement according to the present invention; Figure 3 schematically illustrates a second application of a measuring arrangement according to the present invention; Figure 4 schematically illustrates a third application of a measuring arrangement according to the present invention.

Figuur IA toont een schematisch zijaanzicht van een 25 verplaatsingsmeetsysteem 100 volgens de onderhavige uitvinding.Figure 1A shows a schematic side view of a displacement measuring system 100 according to the present invention.

Bij plaats A bevindt zich een stralingsbron 10 voor het genereren van een stralingsbundel 11, in het bijzonder een lichtbundel. In het hiernavolgende zal bij wijze van voorbeeld 30 worden aangenomen dat de bron een laser is voor optisch licht, maar het principe van de onderhavige uitvinding is in principe ook toepasbaar voor andere straling, inclusief radiogolven, infrarood licht, en zelfs voor geluidgolven.At location A there is a radiation source 10 for generating a radiation beam 11, in particular a light beam. In the following, it will be assumed by way of example 30 that the source is a laser for optical light, but the principle of the present invention is in principle also applicable to other radiation, including radio waves, infrared light, and even sound waves.

Bij plaats C bevindt zich een sensor 30, die gevoelig is 35 voor het licht van de laser 10. In het bijzonder is de sensor 30 een 2D optische sensor, die een intensiteitprofiel in de bundel 11 kan waarnemen. Meer in het bijzonder kan de sensor 30 bijvoorbeeld een CCD-chip zijn. Voor het verwerken van de door de sensor 30 verschafte beeldsignalen omvat apparaat 100 5 een signaalverwerkende inrichting 40, typisch een processor, PC of dergelijke.At sensor C there is a sensor 30, which is sensitive to the light of the laser 10. In particular, the sensor 30 is a 2D optical sensor, which can detect an intensity profile in the beam 11. More in particular, the sensor 30 can be, for example, a CCD chip. For processing the image signals provided by the sensor 30, the device 100 comprises a signal processing device 40, typically a processor, PC or the like.

De laser 10 en de sensor 30 definiëren een optische referentielijn of optische as 17; deze referentielijn zal 5 worden aangenomen als Z-as in een Cartesisch coördinatenstelsel. Richtingen loodrecht op de optische referentielijn 17 zullen worden aangeduid als X- en Y-richtingen (respectievelijk horizontaal en verticaal).The laser 10 and the sensor 30 define an optical reference line or optical axis 17; this reference line will be assumed as a Z-axis in a Cartesian coordinate system. Directions perpendicular to the optical reference line 17 will be referred to as X and Y directions (horizontal and vertical, respectively).

Tussen laser 10 en sensor 30 is bij plaats B een 10 patroonvormend orgaan 20 opgesteld, dat verderop uitgebreider zal worden beschreven, en dat is ontworpen om in het laserlicht voorbij orgaan 20, althans ter plaatse van de sensor 30, een zeker intensiteitprofiel te induceren. In het hiernavolgende zal het laserlicht dat na passage van het 15 orgaan 20 de sensor 30 bereikt, worden aangeduid met het verwijzingscijfer 12.A laser-forming member 20 is arranged between laser 10 and sensor 30 at location B, which will be described in more detail below, and which is designed to induce a certain intensity profile in the laser light beyond member 20, at least at the location of the sensor 30. In the following, the laser light that reaches sensor 30 after passage of the member 20 will be indicated by the reference numeral 12.

Meer in het bijzonder wordt het intensiteitprofiel van de laserbundel 12 ter plaatse van de sensor 30 veroorzaakt door een combinatie van diffractie en interferentie. Het moge 20 duidelijk zijn dat de precieze vorm en afmeting van het resulterende interferentiepatroon onder meer afhankelijk zal zijn van de onderlinge afstanden tussen de plaatsen A, B en C, en van de vorm en afmeting van het orgaan 20.More specifically, the intensity profile of the laser beam 12 at the location of the sensor 30 is caused by a combination of diffraction and interference. It will be clear that the precise shape and size of the resulting interference pattern will depend inter alia on the mutual distances between locations A, B and C, and on the shape and size of the member 20.

Voor een nauwkeurige meting en hoge resolutie is het 25 gewenst om lichtinvloeden van buitenaf, en door atmosferische onrust in het traject A-C veroorzaakte variaties, te verminderen of zelfs te elimineren. Bij voorkeur is derhalve ten minste om het optische pad tussen laser 10 en object 20 en om het optisch pad tussen object 20 en sensor 30 een 30 buisvormige constructie 18 aangebracht, die dient om turbulenties van de atmosfeer ter plaatse van het optische pad zo veel mogelijk tegen te gaan. In figuur IA is geschetst, dat ook de laser 10, sensor 30 en orgaan 20 kunnen zijn opgesteld binnen die buis 18. Als de buis 18 niet-transparant is, worden 35 ook lichtinvloeden van buitenaf geëlimineerd. Voor een optimaal resultaat is deze buis 18 bij voorkeur afdichtbaar en voorzien van pompmiddelen om in de buis een vacuüm tot stand te brengen.For accurate measurement and high resolution, it is desirable to reduce or even eliminate light influences from outside, and variations caused by atmospheric unrest in the A-C range. Preferably, therefore, at least around the optical path between laser 10 and object 20 and around the optical path between object 20 and sensor 30, a tubular structure 18 is provided, which serves to minimize turbulences of the atmosphere at the location of the optical path to counteract. It is outlined in Figure 1A that also the laser 10, sensor 30 and member 20 can be arranged within said tube 18. If the tube 18 is non-transparent, light influences from outside are also eliminated. For an optimum result, this tube 18 is preferably sealable and provided with pumping means for creating a vacuum in the tube.

66

De laserbundel 11 heeft een bepaalde openingshoek, dat wil zeggen dat de bundel breder wordt naarmate de afstand tot de laser 10 groter wordt. Het is dan mogelijk dat er reflecties optreden aan de binnenwand van de buis 18, die de 5 sensor 30 zouden kunnen bereiken en het interferentiepatroon zouden kunnen verstoren. Om dit tegen te gaan, zijn in de buis bij voorkeur zogenaamde "field stops" aangebracht, zoals geïllustreerd in figuur 1B. In dit voorbeeld zijn er tussen de laser 10 en het orgaan 20 drie field stops 51, 52, 53 10 gepositioneerd, en zijn er tussen het orgaan 20 en de sensor 30 drie field stops 54, 55, 56 gepositioneerd. Elke field stop kan bestaan uit een niet-transparante plaat 57 met een centraal cirkelvormig gat 58. Voor de field stops 51-53 tussen de laser 10 en het orgaan 20 geldt, dat de diameter van het 15 gat 58 groter wordt gaande van de eerste field stop 51 nabij de laser naar de derde field stop 53 nabij het orgaan 20, terwijl voor de field stops 54-56 tussen het orgaan 20 en de sensor 30 geldt, dat de diameter van het gat 58 kleiner wordt gaande van de vierde field stop 54 nabij het orgaan 20 naar de 20 zesde field stop 56 nabij de sensor 30. Voor elke field stop geldt, dat de rand 59 van het gat 58 gekarteld is, bij voorkeur met een driehoek-patroon: dit heeft tot gevolg dat eventuele door een field stop veroorzaakte diffractie niet leidt tot een interferentiepatroon met concentrische ringen 25 maar tot een meer uniform interferentiepatroon. Met field stops zoals beschreven is het mogelijk gebleken om de invloed van reflecties met een factor 100.000 terug te dringen bij gelijke buisdiameter. Hierdoor is het ook mogelijk om de buisdiameter te verkleinen.The laser beam 11 has a certain aperture angle, i.e. the beam becomes wider as the distance to the laser 10 becomes larger. It is then possible that reflections occur on the inner wall of the tube 18, which could reach the sensor 30 and disturb the interference pattern. To prevent this, so-called "field stops" are preferably arranged in the tube, as illustrated in Figure 1B. In this example, three field stops 51, 52, 53 are positioned between the laser 10 and the member 20, and three field stops 54, 55, 56 are positioned between the member 20 and the sensor 30. Each field stop can consist of a non-transparent plate 57 with a central circular hole 58. For the field stops 51-53 between the laser 10 and the member 20, it holds that the diameter of the hole 58 becomes larger from the first field stop 51 near the laser to the third field stop 53 near the member 20, while for the field stops 54-56 between the member 20 and the sensor 30, the diameter of the hole 58 becomes smaller from the fourth field stop 54 near the member 20 to the sixth field stop 56 near the sensor 30. For each field stop it holds that the edge 59 of the hole 58 is serrated, preferably with a triangle pattern: this has the consequence that any field stop caused diffraction does not lead to an interference pattern with concentric rings but to a more uniform interference pattern. With field stops as described, it has been found possible to reduce the influence of reflections by a factor of 100,000 with the same tube diameter. This also makes it possible to reduce the pipe diameter.

30 De onderlinge afstanden tussen de plaatsen A, B en C zijn afhankelijk van de doelstellingen van de onderzoeker. In principe is het mogelijk om metingen te verrichten bij een onderlinge afstand in de orde van enkele millimeters; wel zal de dimensionering van orgaan 20 worden aangepast aan de 35 afstand AC. De Z-positie van B is niet kritisch, en kan in principe vrij worden gekozen. De grote kracht van het meetprincipe is er in gelegen, dat de onderlinge afstand tussen de plaatsen A en C kan worden gekozen in het traject van enkele millimeters tot tientallen kilometers. De 7 bovengrens wordt eerder bepaald door praktische factoren dan door principiële factoren. Op aarde zullen de kosten van de benodigde vacuümbuis een aspect van overweging zijn bij grote lengten, maar in een atmosfeer-loze omgeving (bijvoorbeeld op 5 de maan) kunnen grote afstanden worden toegepast zonder de noodzaak van een vacuümbuis: dan zal op een gegeven moment de kromming van de bodem (maanoppervlak) een rol gaan spelen. In de "vrije” ruimte spelen deze factoren niet, en kan een basislijn AC met een lengte in de orde van miljoenen kilometers 10 worden bereikt.The distances between places A, B and C depend on the objectives of the researcher. In principle it is possible to take measurements at a mutual distance of the order of a few millimeters; however, the dimensioning of member 20 will be adjusted to the distance AC. The Z position of B is not critical, and can in principle be chosen freely. The great strength of the measuring principle lies in the fact that the mutual distance between locations A and C can be chosen in the range of a few millimeters to tens of kilometers. The 7 upper limit is determined by practical factors rather than by principle factors. On earth, the cost of the required vacuum tube will be an aspect of consideration at great lengths, but in an atmosphere-free environment (for example on the 5 th moon) large distances can be applied without the need for a vacuum tube: then at some point the curvature of the bottom (lunar surface) come into play. These factors do not play a role in "free" space, and a baseline AC with a length of the order of millions of kilometers can be achieved.

In de genoemde test-opstelling bedroeg de afstand A-C 100 m, en bevond plaats B zich midden tussen A en C. Opgemerkt wordt, dat de precieze locatie van B niet kritisch is, maar in het algemeen is een positionering ongeveer halverwege A en B 15 het meest gunstig.In the test set-up mentioned, the distance AC was 100 m, and location B was midway between A and C. It is noted that the precise location of B is not critical, but in general a positioning is approximately halfway A and B the most favorable.

In het algemeen kan het orgaan 20 worden beschreven als een lichaam dat kan worden onderverdeeld in een groot aantal longtudinale, in hoofdzaak 1-dimensionale, onderling 20 evenwijdige lichaamselementen naast elkaar, waarbij elk lichaamselement zich uitstrekt in de Z-richting en dus een Z-lengte heeft, en een positie heeft die wordt gekenmerkt door een (X,Y)-coördinaat; in bepaalde uitvoeringsvormen zou de Z-dimensie praktisch gelijk gesteld kunnen worden aan nul 25 (vlakke plaat). Elk lichaamselement ontvangt een portie van de optische bundel bij zijn "ingang", en transporteert die portie naar zijn "uitgang". Elke "uitgang" kan worden beschouwd als een bron van een portie van het licht 12. Elk lichaamselement heeft optische eigenschappen die leiden tot een bepaalde mate 30 van verzwakking en vertraging (fase-verschuiving). Aldus hebben de verschillende bundelporties een voorafbepaalde amplitude- en faserelatie tot elkaar, hetgeen bepalend is voor het uiteindelijke interferentiepatroon ter plaatse van de sensor 30. Een ontwerper heeft in principe grote vrijheid bij 35 het zodanig ontwerpen van het orgaan 20, dat een bepaald gewenst interferentiepatroon ontstaat.In general, the member 20 can be described as a body that can be subdivided into a large number of lung-tudinal, substantially 1-dimensional, mutually parallel body elements side by side, with each body element extending in the Z direction and thus a Z-direction. has a length and a position characterized by an (X, Y) coordinate; in certain embodiments, the Z dimension could be practically equal to zero (flat plate). Each body element receives a portion of the optical beam at its "input", and transports that portion to its "output". Each "output" can be considered as a source of a portion of the light 12. Each body element has optical properties that lead to a certain amount of attenuation and delay (phase shift). Thus, the different beam portions have a predetermined amplitude and phase relationship to each other, which determines the final interference pattern at the location of the sensor 30. A designer basically has great freedom in designing the member 20 such that a certain desired interference pattern arises.

In een mogelijke uitvoeringsvorm wordt het orgaan 20 gevormd door een niet-transparante plaat, met daarin aangebracht een voorafbepaald patroon van gaatjes. De gaatjes 8 kunnen zijn uitgevoerd als langwerpige, onderling evenwijdige sleuven, zodat orgaan 20 zich gedraagt als een tralie. In de eenvoudigste uitvoeringsvorm bestaat dat patroon uit een enkel rond of vierkant gat 21. De afmetingen van een dergelijk gat 5 mogen macroscopisch zijn, en zijn niet kritisch. In de testopstelling werd gebruik gemaakt van een enkel circulair gat met een diameter van 50 mm. In het geval van een cirkelrond gat resulteert een diffractiepatroon van concentrische lichte en donkere ringen. Dit is bij wijze van voorbeeld weergegeven 10 als patroon 31. Bij grotere diameter van het gat zullen de onderlinge afstanden tussen die ringen kleiner worden, en zullen er dus meer ringen op de sensor 30 worden gevormd, hetgeen betekent dat de nauwkeurigheid van de meting van de beeldpositie op de sensor groter wordt. Om vergelijkbare reden 15 verdient een zo klein mogelijke golflengte de voorkeur.In a possible embodiment, the member 20 is formed by a non-transparent plate with a predetermined pattern of holes arranged therein. The holes 8 can be designed as elongated, mutually parallel slots, so that member 20 behaves like a lattice. In the simplest embodiment, that pattern consists of a single round or square hole 21. The dimensions of such a hole 5 may be macroscopic, and are not critical. A single circular hole with a diameter of 50 mm was used in the test set-up. In the case of a circular hole, a diffraction pattern of concentric light and dark rings results. This is shown by way of example as pattern 31. With a larger diameter of the hole, the mutual distances between those rings will become smaller, and thus more rings will be formed on the sensor 30, which means that the accuracy of the measurement of the image position on the sensor becomes larger. For comparable reason, the smallest possible wavelength is preferred.

Als alternatief is het in principe ook mogelijk om gebruik te maken van een "geïnverteerd gat", dat wil zeggen dat "materiaal" wordt vervangen door "gat" en omgekeerd. In het genoemde voorbeeld van een circulair gat met een diameter 20 van 50 mm zou een "geïnverteerd gat" dus een niet-transparante schijf met een diameter van 50 mm zijn. Ook dan ontstaat door diffractie en interferentie een intensiteitprofiel op de sensor 30, maar een nadeel is dat de lichtopbrengst aanzienlijk lager is.Alternatively, it is in principle also possible to use an "inverted hole", i.e. "material" is replaced by "hole" and vice versa. In the aforementioned example of a circular hole with a diameter of 50 mm, an "inverted hole" would thus be a non-transparent disk with a diameter of 50 mm. Even then diffraction and interference create an intensity profile on the sensor 30, but a disadvantage is that the light output is considerably lower.

2525

Opgemerkt wordt dat, als de dimensionering van de opstelling zodanig is dat het van de laser 10 afkomstige licht 11 ter plaatse van het gat 21 mag worden beschouwd als zijnde homogene bolvormige golven komende vanuit een punt 30 gedefinieerd door de laser 10, de richting van de laserbundel 11 nauwelijks een rol speelt en de richting van bundel 12 voornamelijk wordt bepaald door de positie en oriëntatie van orgaan 20. Het centrum van het interferentiebeeld op de sensor 30 wordt bepaald door de positie van het patroonvormend orgaan 35 20 (gat 21) en de positie van de laser 10 (de oorsprong van de bolvormige golven).It is noted that if the dimensioning of the arrangement is such that the light 11 coming from the laser 10 at the location of the hole 21 may be considered as homogeneous spherical waves coming from a point 30 defined by the laser 10, the direction of the laser beam 11 hardly plays a role and the direction of beam 12 is mainly determined by the position and orientation of member 20. The center of the interference image on the sensor 30 is determined by the position of the patterning member 35 (hole 21) and the position of the laser 10 (the origin of the spherical waves).

Indien de opstelling in rust is, is het diffractiepatroon 31 ter plaatse van sensor 30 stationair. Bij een relatieve verplaatsing tussen het patroonvormend orgaan 20 ten opzichte 9 van de optische as 17, in een richting loodrecht op de optische as 17, resulteert een verschuiving van het diffractiepatroon 31 ten opzichte van de sensor 30, welke verschuiving evenredig is met de genoemde verplaatsing: indien 5 orgaan 20 zich bevindt in het midden tussen de laser 10 en de sensor 30, is de verschuiving van het diffractiepatroon 31 ten opzichte van de sensor 30 twee keer zo groot als de relatieve verplaatsing tussen het patroonvormend orgaan 20 ten opzichte van de optische as 17. De verschuiving van het diffractie-10 patroon ten opzichte van de sensor 30 kan worden gedetecteerd en gekwantificeerd door de beeldverwerkende inrichting 40. Bij voorbeeld kan de beeldverwerkende inrichting 40 daartoe zijn ingericht voor het uitvoeren van een kruiscorrelatie tussen het momentane beeld van het diffractiepatroon en een in een 15 geheugen 41 opgeslagen registratie van een referentiebeeld. Aangezien beeldverwerkende technieken inclusief kruiscorrelatie op zich bekend zijn, is een nadere uitleg daarvan hier niet nodig.If the arrangement is at rest, the diffraction pattern 31 is stationary at the sensor 30 location. With a relative displacement between the patterning member 20 with respect to 9 of the optical axis 17, in a direction perpendicular to the optical axis 17, a shift of the diffraction pattern 31 relative to the sensor 30 results, which shift is proportional to said displacement : if member 20 is at the center between the laser 10 and the sensor 30, the shift of the diffraction pattern 31 relative to the sensor 30 is twice as large as the relative displacement between the patterning member 20 relative to the optical axis 17. The displacement of the diffraction pattern with respect to the sensor 30 can be detected and quantified by the image processing device 40. For example, the image processing device 40 can be arranged for performing a cross-correlation between the current image of the diffraction pattern and a reference image stored in a memory 41. Since image processing techniques including cross-correlation are known per se, a further explanation thereof is not necessary here.

De opstelling is zeer gevoelig voor minieme 20 verplaatsingen van het patroonvormend orgaan 20. In het genoemde test-voorbeeld bestond het interferentiepatroon 31 uit lichte en donkere concentrische ringen waarbij de afstanden tussen de opeenvolgende maxima ongeveer gelijk waren aan 0,6 mm, en werd er gebruik gemaakt van een CCD van 25 4x3 mm , waarop ongeveer 8 ringen zichtbaar waren. Om de resolutie te bepalen, werd het patroonvormend orgaan 20 bevestigd aan een XY-manipulator waarmee het mogelijk was om heel nauwkeurige verplaatsingen in horizontale en verticale richtingen tot stand te brengen. De daardoor veroorzaakte 30 beeldverandering bij sensor 30 werd geanalyseerd met behulp van een computerprogramma. Het bleek dat de resolutie 0,2 pm in verticale richting en 0,3 pm in horizontale richting bedroeg. De bereikte resolutie is dus veel beter dan de pixelafmeting, hetgeen veroorzaakt wordt door het feit dat het 35 interferentiepatroon 31 rijk is aan licht/donker-overgangen en dat een geringe verplaatsing van het patroon wijzigingen veroorzaakt in de gemeten lichtsterkte bij zeer veel pixels. Elke pixel bevat dus enige informatie over de verplaatsing, en de onzekerheid in de meting verricht door het ensemble van 10 pixels is kleiner dan de onzekerheid in de meting verricht door een enkel pixel (Cramer-Rao grens). De resolutie is te verbeteren door gebruik te maken van een hoger laser vermogen, en door meer CCDs naast elkaar op te stellen (meer pixels).The arrangement is very sensitive to minute movements of the pattern-forming member 20. In the test example mentioned, the interference pattern 31 consisted of light and dark concentric rings, the distances between the successive maxima being approximately equal to 0.6 mm, and use was made of a CCD of 25 4x3 mm, on which about 8 rings were visible. To determine the resolution, the patterning member 20 was attached to an XY manipulator with which it was possible to make very accurate displacements in horizontal and vertical directions. The image change caused by sensor 30 as a result was analyzed with the aid of a computer program. It turned out that the resolution was 0.2 µm in the vertical direction and 0.3 µm in the horizontal direction. The resolution achieved is therefore much better than the pixel size, which is caused by the fact that the interference pattern 31 is rich in light / dark transitions and that a slight displacement of the pattern causes changes in the measured light intensity at very many pixels. Each pixel therefore contains some information about the displacement, and the uncertainty in the measurement performed by the ensemble of 10 pixels is smaller than the uncertainty in the measurement performed by a single pixel (Cramer-Rao boundary). The resolution can be improved by using a higher laser power, and by placing more CCDs next to each other (more pixels).

5 Theoretisch is nu reeds een resolutie van 1 nm haalbaar.Theoretically, a resolution of 1 nm can already be achieved.

Aldus is het duidelijk dat het apparaat in staat is tot het meten van zelfs zeer kleine verplaatsingen in twee onderling loodrechte richtingen loodrecht op de optische as.Thus, it is clear that the device is capable of measuring even very small displacements in two mutually perpendicular directions perpendicular to the optical axis.

10 Voor verplaatsingen in de richting van de optische as is het apparaat nauwelijks gevoelig. Opgemerkt wordt, dat het apparaat ook gevoelig is voor een verplaatsing van de laser 10 of de sensor 30 in een richting loodrecht op de optische as, omdat dit in feite leidt tot een verplaatsing van de optische 15 as ten opzichte van orgaan 20. Indien alleen de laser 10 (of alleen de sensor 30) wordt verplaatst, is de verplaatsing van de optische as ter plaatse van het orgaan 20 de helft van de verplaatsing van de laser 10 (respectievelijk de sensor 30).The device is hardly sensitive to displacements in the direction of the optical axis. It is noted that the device is also sensitive to a displacement of the laser 10 or the sensor 30 in a direction perpendicular to the optical axis, because this in fact leads to a displacement of the optical axis relative to member 20. If only If the laser 10 (or only the sensor 30) is displaced, the displacement of the optical axis at the location of the member 20 is half the displacement of the laser 10 (or the sensor 30, respectively).

Voor het verkrijgen van meer informatie kan een tweede 20 apparaat worden toegepast, waarvan de optische as een hoek maakt met de optische as van het eerste apparaat. Bij voorkeur wordt dan gebruik gemaakt van drie apparaten met de drie optische assen onderling loodrecht. Er is dan sprake van een tweevoudige redundantie.For obtaining more information, a second device can be used, the optical axis of which makes an angle with the optical axis of the first device. Preferably, use is then made of three devices with the three optical axes mutually perpendicular. There is then a dual redundancy.

25 Indien het orgaan 20 rotatiesymmetrisch is met betrekking tot de optische as 17, zodat het resulterende interferentiepatroon rotatiesymmetrisch is met betrekking tot de optische as 17, zal het systeem niet gevoelig zijn voor relatieve Z-rotatie van het orgaan 20. Voor veel toepassingen bestaat 30 hier ook geen behoefte aan, maar het is desgewenst mogelijk om het orgaan 20 asymmetrisch te implementeren, zodat een Z-rotatie van het orgaan 20 resulteert in een herkenbare verandering van het interferentiepatroon op de sensor 30 en dus in een door de signaalverwerkende inrichting 40 35 waarneembare verandering in het uitgangssignaal van de sensor 30.If the member 20 is rotationally symmetrical with respect to the optical axis 17, so that the resulting interference pattern is rotationally symmetrical with respect to the optical axis 17, the system will not be sensitive to relative Z rotation of the member 20. For many applications, 30 there is also no need for this, but if desired it is possible to implement the element 20 asymmetrically, so that a Z-rotation of the element 20 results in a recognizable change of the interference pattern on the sensor 30 and thus in a signal processing device 40 perceptible change in the output signal of the sensor 30.

1111

In het hiernavolgende zullen drie mogelijke toepassingen van het meetsysteem 100 volgens de onderhavige uitvinding worden uitgelegd.In the following, three possible applications of the measuring system 100 according to the present invention will be explained.

5 Een eerste toepassing betreft het uitlijnen van drie objecten, in figuur 2A aangeduid als 201, 202, 203. De aard van deze objecten doet hier niet ter zake, maar bij wijze van illustratief voorbeeld zouden dit detectoren in een deeltjes-detectieapparaat kunnen zijn. Aangenomen wordt, dat deze 10 objecten 201, 202, 203 vast zijn opgesteld ten opzichte van de vaste wereld, gerepresenteerd door een bodem 1. Aan één van de buitenste objecten 201 is de laser 10 bevestigd, en aan het andere buitenste object 203 is de sensor 30 bevestigd. Het patroonvormend orgaan 20 is bevestigd aan het middelste object 15 202, of althans zodanig gekoppeld met het middelste object 202 dat orgaan 20 verplaatsingen van object 202 volgt. Uiteraard is het patroonvormend orgaan 20 zodanig gemonteerd, dat het is uitgelijnd met de optische as 17 die gedefinieerd is door de laser 10 en de sensor 30. Gemakshalve zijn bevestigings-20 middelen weergegeven als een statief 210.A first application concerns the alignment of three objects, designated as 201, 202, 203 in Figure 2A. The nature of these objects is irrelevant here, but by way of illustrative example, these could be detectors in a particle detection device. It is assumed that these objects 201, 202, 203 are fixed with respect to the fixed world, represented by a bottom 1. The laser 10 is attached to one of the outer objects 201, and the other outer object 203 is the sensor 30 attached. The patterning member 20 is attached to the middle object 202, or at least coupled to the middle object 202 such that member 20 follows movements of object 202. Of course, the patterning member 20 is mounted such that it is aligned with the optical axis 17 defined by the laser 10 and the sensor 30. For convenience, mounting means are shown as a tripod 210.

Uit de voorgaande beschrijving moge het duidelijk zijn dat het uitgangssignaal van de sensor 30 informatie bevat over eventuele kleine verplaatsingen van het middelste object 202 ten opzichte van de buitenste objecten 201 en 203. In het 25 genoemde voorbeeld van detectoren in een deeltjes-detectie-apparaat kan deze informatie worden gebruikt om de door dergelijke detectoren gedetecteerde deeltjesposities te corrigeren.From the foregoing description it is clear that the output signal from the sensor 30 contains information about possible small displacements of the middle object 202 relative to the outer objects 201 and 203. In the aforementioned example of detectors in a particle detection device this information can be used to correct the particle positions detected by such detectors.

Figuur 2B illustreert een variant op het toepassings-30 voorbeeld van figuur 2A, waarbij het middelste object 202 is gekoppeld met een manipulator 220, die in staat is om onder besturing van de beeldverwerkende inrichting 40 het middelste object 202 te verplaatsen in de X- en Y-richtingen. De beeldverwerkende inrichting 40 zal nu, op basis van het 35 uitgangssignaal van de sensor 30, de manipulator 220 zodanig aansturen dat het uitgangssignaal van de sensor 30 in hoofdzaak constant blijft, hetgeen betekent dat eventuele kleine verplaatsingen van het middelste object 202 ten opzichte van de buitenste objecten 201 en 203 worden 12 tegengewerkt en de uitlijning van de objecten 201, 202, 203 gehandhaafd wordt.Fig. 2B illustrates a variant of the application example of Fig. 2A, in which the middle object 202 is coupled to a manipulator 220, which is able to move the middle object 202 in the X and X under the control of the image processing device 40. Y directions. The image processing device 40 will now control the manipulator 220 on the basis of the output signal from the sensor 30 such that the output signal from the sensor 30 remains substantially constant, which means that any small movements of the middle object 202 relative to the Outer objects 201 and 203 are counteracted and the alignment of objects 201, 202, 203 is maintained.

Een tweede toepassing betreft het bewaken van de 5 vervorming van een groot object, zoals een brug of een dak, in figuur 3 aangeduid als 300. Aangenomen wordt, dat dit object 300 op twee plaatsen 301, 302 gefixeerd is ten opzichte van de vaste wereld, gerepresenteerd door een bodem 1. Bij één van die plaatsen 301 is de laser 10 bevestigd, en bij de andere 10 plaats 302 is de sensor 30 bevestigd. Opgemerkt wordt overigens, dat het niet essentieel is dat de laser 10 en de sensor 30 worden gepositioneerd bij deze fixatieplaatsen 301, 302.A second application relates to monitoring the deformation of a large object, such as a bridge or a roof, denoted as 300 in Figure 3. It is assumed that this object 300 is fixed at two locations 301, 302 relative to the fixed world. represented by a bottom 1. At one of those locations 301, the laser 10 is attached, and at the other location 302, the sensor 30 is attached. It should be noted, incidentally, that it is not essential that the laser 10 and the sensor 30 be positioned at these fixation sites 301, 302.

Het patroonvormend orgaan 20 is bevestigd aan een aan 15 vervorming onderworpen portie 303 van het object 300, of althans zodanig gekoppeld met die portie 303 dat orgaan 20 verplaatsingen van die portie 303 volgt. Een geschikt voorbeeld van een meetlocatie is halverwege een overspanning. Uiteraard is het patroonvormend orgaan 20 zodanig gemonteerd, 20 dat het is uitgelijnd met de optische as 17 die gedefinieerd is door de laser 10 en de sensor 30. Gemakshalve zijn bevestigingsmiddelen weergegeven als 310.The patterning member 20 is attached to a portion 303 of the object 300 subjected to distortion, or at least coupled to that portion 303 such that member 20 follows movements of that portion 303. A suitable example of a measuring location is mid-span. Of course, the patterning member 20 is mounted such that it is aligned with the optical axis 17 defined by the laser 10 and the sensor 30. For convenience, mounting means are shown as 310.

Uit de voorgaande beschrijving moge het duidelijk zijn dat het uitgangssignaal van de sensor 30 informatie bevat over 25 eventuele kleine verplaatsingen van de object portie 303 ten opzichte van de vaste porties 301 en 302. De beeldverwerkende inrichting 40 kan deze informatie registreren in een in het geheugen 41 opgeslagen elektronisch logboek. Het is ook mogelijk dat de beeldverwerkende inrichting 40 de informatie 30 analyseert en vergelijkt met vooraf ingegeven referentiewaarden, en een waarschuwingssignaal genereert indien de geconstateerde vervorming (doorbuiging) te groot is.From the foregoing description it will be clear that the output signal of the sensor 30 contains information about possible small movements of the object portion 303 relative to the fixed portions 301 and 302. The image processing device 40 can record this information in a memory 41 stored electronic logbook. It is also possible that the image processing device 40 analyzes the information 30 and compares it with predefined reference values, and generates a warning signal if the observed deformation (deflection) is too large.

Opgemerkt wordt, dat in een dergelijk bewakingssysteem een eventuele torsie ook belangrijk kan zijn, zodat het 35 gewenst kan zijn dat het apparaat 100 gevoelig is voor rotatie van het object 20 ten opzichte van de optische as 17.It is noted that in such a monitoring system, any torsion may also be important, so that it may be desirable for the device 100 to be sensitive to rotation of the object 20 relative to the optical axis 17.

Een derde toepassing betreft een seismograaf voor het meten van seismische golven in het oppervlak van een hemel- 13 lichaam, bijvoorbeeld de aarde. Figuur 4 illustreert, dat de laser 10, het patroonvormend orgaan 20 en de sensor 30 bij drie verschillende plaatsen 401, 402, 403 zijn gefixeerd ten opzichte van het aardoppervlak 400. Uiteraard is het 5 patroonvormend orgaan 20 zodanig gemonteerd, dat het is uitgelijnd met de optische as 17 die gedefinieerd is door de laser 10 en de sensor 30. Gemakshalve zijn bevestigingsmiddelen weergegeven als 410. In het hiernavolgende zal de plaats 402 waar het patroonvormend orgaan 20 is gefixeerd, 10 worden aangeduid als meetplaats, en zullen de plaatsen 401 en 403 waar de laser 10 en de sensor 30 respectievelijk zijn gefixeerd, worden aangeduid als referentieplaat.A third application relates to a seismograph for measuring seismic waves in the surface of a celestial body, for example the earth. Figure 4 illustrates that the laser 10, the patterning member 20 and the sensor 30 are fixed at three different locations 401, 402, 403 relative to the earth's surface 400. Of course, the patterning member 20 is mounted such that it is aligned with the optical axis 17 defined by the laser 10 and the sensor 30. For the sake of convenience, fastening means are shown as 410. In the following, the location 402 where the patterning member 20 is fixed will be referred to as the measurement location, and the locations 401 and 403 where the laser 10 and the sensor 30 are fixed, respectively, are referred to as reference plates.

Uit het voorgaande volgt, dat het apparaat geschikt is voor het detecteren van zelfs kleine vervormingen van de 15 aardkorst, waarbij de meetplaats 402 is verplaatst ten opzichte van de referentieplaatsen 401, 403 (in een richting loodrecht op de optische as 17). Een vervorming van de aardkorst die resulteert in een gemeenschappelijke verplaatsing van de plaatsen 401, 402, 403 in de zelfde 20 richting, wordt niet gedetecteerd. Meer in het bijzonder is een uitgangssignaal van de sensor 30 representatief voor 2Δ(20)-Δ(10)-Δ(30), waarbij Δ(20), Δ(10), Δ(30) de verplaatsingen aanduiden van respectievelijk het orgaan 20, de laser 10 en de sensor 30 in een XY-vlak en vectorieel mogen 25 worden opgeteld.It follows from the foregoing that the apparatus is suitable for detecting even small deformations of the earth's crust, the measuring location 402 being displaced relative to the reference locations 401, 403 (in a direction perpendicular to the optical axis 17). A deformation of the earth's crust that results in a common displacement of the locations 401, 402, 403 in the same direction is not detected. More specifically, an output signal from the sensor 30 is representative of 2Δ (20) -Δ (10) -Δ (30), where Δ (20), Δ (10), Δ (30) indicate the displacements of the member respectively 20, the laser 10 and the sensor 30 in an XY plane and vectorally may be added.

In de voorgaande uitleg is uitgegaan van een stationaire verplaatsing. Het is ook mogelijk om de verplaatsing als functie van de tijd te detecteren en te registreren. Wanneer 30 orgaan 20 wordt onderworpen aan een trilling ten opzichte van de optische as 17, kan de richting en amplitude van die trilling worden vastgelegd. Ook kan de signaalverwerkende inrichting 40 geprogrammeerd zijn om een frequentiespectrum uit de metingen af te leiden.The foregoing explanation is based on a stationary displacement. It is also possible to detect and record the movement as a function of time. When member 20 is subjected to a vibration with respect to the optical axis 17, the direction and amplitude of that vibration can be recorded. The signal processing device 40 may also be programmed to derive a frequency spectrum from the measurements.

35 Aldus is het verplaatsingsmeetsysteem 100 volgens de onderhavige uitvinding in staat om seismische golven waar te nemen, en in deze toepassing zal het systeem ook worden aangeduid als een seismograaf 100.Thus, the displacement measurement system 100 of the present invention is capable of detecting seismic waves, and in this application, the system will also be referred to as a seismograph 100.

1414

Om in staat te zijn golfverschijnselen te meten en te registreren, moet de sensor 30 kunnen worden uitgelezen met een frequentie die hoger is dan de frequentie van het golfverschijnsel, liefst minimaal een factor 2n hoger. Voorts 5 is een hogere bemonsteringsfrequentie gunstig voor een goede meetnauwkeurigheid. Bij voorkeur wordt derhalve gebruik gemaakt van een beeldsensor met een hoge "frame rate".In order to be able to measure and record wave phenomena, it must be possible to read the sensor 30 at a frequency higher than the frequency of the wave phenomenon, preferably at least a factor of 2n higher. Furthermore, a higher sampling frequency is favorable for good measuring accuracy. Therefore, use is preferably made of an image sensor with a high "frame rate".

In het voorgaande is als voorbeeld van het patroonvormend 10 orgaan 20 een gat in een plaat beschreven. Bij een dergelijke uitvoeringsvorm zijn er twee parameters variabel: vorm en afmeting. Er zijn echter diverse mogelijkheden om meer geavanceerde uitvoeringsvormen te kiezen voor het orgaan, met meer parameters, om aldus invloed uit te oefenen op het ter 15 plaatse van de sensor 30 resulterende diffractiepatroon en bijgevolg de meetgevoeligheid. Bij voorbeeld kan het orgaan 20 worden uitgevoerd als een transparant medium waarvan ten minste één van de oppervlakken een gewenste 3D vorm heeft; daardoor wordt de fase van de uittredende golf ter plaatse van 20 het uittreedpunt bepaald. Een Fresnel-lens is een voorbeeld van een dergelijke uitvoeringsvorm.In the foregoing, a hole in a plate has been described as an example of the patterning member 20. In such an embodiment, two parameters are variable: shape and size. There are, however, various possibilities for choosing more advanced embodiments for the device, with more parameters, so as to exert influence on the diffraction pattern resulting at the sensor 30 and, consequently, on the measurement sensitivity. For example, the member 20 can be embodied as a transparent medium of which at least one of the surfaces has a desired 3D shape; thereby the phase of the exiting wave is determined at the location of the exit point. A Fresnel lens is an example of such an embodiment.

In een dergelijke uitvoeringsvorm kan het voordelen bieden om deze lens te vervaardigen van een geschikt materiaal met lage brekingsindex, bijvoorbeeld een Si-aerogel, omdat er 25 dan minder eisen worden gesteld aan de mechanische toleranties.In such an embodiment, it can be advantageous to manufacture this lens from a suitable material with a low refractive index, for example an Si-airgel, because fewer requirements are then imposed on the mechanical tolerances.

Voorts is het mogelijk om een extra vrijheidsgraad te introduceren door de mate van transparantheid niet homogeen te laten zijn maar een functie te laten zijn van de locatie in 30 het orgaan 20. Het orgaan 20 krijgt daardoor tevens de eigenschappen van een gepatroneerd masker, met delen die meer en delen die minder doorlaatbaar zijn.Furthermore, it is possible to introduce an additional degree of freedom by allowing the degree of transparency not to be homogeneous but to be a function of the location in the member 20. The member 20 thereby also acquires the characteristics of a patterned mask, with parts that more and parts that are less permeable.

Op deze manier is het mogelijk dat het diffractiepatroon ter plaatse van de sensor 30 de gunstige eigenschappen 35 combineert van een hoge lichtsterkte en een grote lichtsterkte-gradiënt tussen lichte en donkere delen.In this way it is possible for the diffraction pattern at the location of the sensor 30 to combine the favorable properties of a high brightness and a large brightness gradient between light and dark parts.

Aldus verschaft de onderhavige uitvinding een nieuwe methode voor het meten van de relatieve verplaatsing van een 15 meetpunt (B) ten opzichte van een referentie. In plaats van een op massatraagheid gebaseerde, "punt"-vormige referentie wordt een lijnvormige optische referentie gebruikt, die gefixeerd is ten opzichte van twee referentiepunten (A en C) 5 die zich op grote afstand kunnen bevinden van het meetpunt B, en wordt de relatieve verplaatsing van het meetpunt B ten opzichte van de referentielijn gemeten. Aangezien de onderlinge afstand tussen de punten A en C groot kan zijn, typisch in de orde van 10 - 10.000 m, is het voor veel 10 toepassingen mogelijk dat deze punten zodanig worden gekozen dat de lijnvormige referentie beschouwd mag worden als zijnde "vast".The present invention thus provides a new method for measuring the relative displacement of a measuring point (B) relative to a reference. Instead of a "point" shaped reference based on mass inertia, a linear optical reference is used which is fixed with respect to two reference points (A and C) 5 which can be located at a great distance from the measuring point B, and the relative displacement of the measuring point B relative to the reference line. Since the mutual distance between points A and C can be large, typically in the order of 10 - 10,000 m, it is possible for many applications that these points are chosen such that the linear reference may be regarded as being "fixed".

Volgens een aspect van de uitvinding wordt bij één van de referentiepunten (C) een door diffractie door een ter plaatse 15 van het meetpunt (B) opgesteld orgaan (20) veroorzaakt interferentiepatroon gevormd. Een dergelijk interferentiepatroon is rijk aan positie-informatie, en een verplaatsing van dat interferentiepatroon ten opzichte van de referentielijn kan relatief gemakkelijk met zeer grote nauwkeurigheid 20 worden gemeten.According to an aspect of the invention, at one of the reference points (C) an interference pattern caused by diffraction by a member (20) arranged at the location of the measuring point (B) is formed. Such an interference pattern is rich in position information, and a displacement of that interference pattern relative to the reference line can be measured relatively easily with very high accuracy.

De door de onderhavige uitvinding voorgestelde methode is bijzonder geschikt voor het meten van vervormingen van een groot lichaam zoals de aardkorst, zowel stationaire vervormingen als variabele vervormingen ten gevolge van 25 seismische golven.The method proposed by the present invention is particularly suitable for measuring large body deformations such as the earth's crust, both stationary deformations and variable deformations due to seismic waves.

In het geval van seismische toepassingen hebben de verre referentiepunten een vaste fase ten opzichte van het meetpunt, waarbij die fase afhangt van de golflengte van de te meten golven. Dit betekent dat de gevoeligheid van de meetopstelling 30 afhangt van de golflengte. Voor golflengten waarbij de referentiepunten A en C een gelijke fase hebben en in tegenfase zijn met het meetpunt B, is de gevoeligheid van de meetopstelling maximaal, terwijl voor golflengten waarbij de referentiepunten A en C alsmede het meetpunt B onderling 35 dezelfde fase hebben de gevoeligheid van de meetopstelling minimaal is. Deze verminderde gevoeligheid voor bepaalde golflengten kan worden opgelost door gebruik te maken van twee (of meer) meetopstellingen met onderling verschillende afstanden tussen de referentiepunten (A en C). Ook is het 16 mogelijk om het meetpunt B bewust te positioneren op afstand van het midden tussen de referentiepunten A en C, bij voorbeeld zodanig dat de verhouding tussen de afstanden AB en BC gelijk is aan de gulden snede φ.In the case of seismic applications, the distant reference points have a fixed phase with respect to the measuring point, which phase depends on the wavelength of the waves to be measured. This means that the sensitivity of the measuring arrangement 30 depends on the wavelength. For wavelengths where the reference points A and C have the same phase and are in opposite phase with the measuring point B, the sensitivity of the measuring arrangement is maximum, while for wavelengths where the reference points A and C and the measuring point B have the same phase, the sensitivity of the measurement setup is minimal. This reduced sensitivity to certain wavelengths can be solved by using two (or more) measuring arrangements with mutually different distances between the reference points (A and C). It is also possible to consciously position the measuring point B at a distance from the center between the reference points A and C, for example such that the ratio between the distances AB and BC is equal to the golden ratio φ.

5 Voorts is het mogelijk om in plaats van één enkel patroonvormend orgaan bij één enkele meetplaats B gebruik te maken van twee (of meer) patroonvormende organen bij twee (of meer) verschillende meetplaatsen langs de referentielijn. Elk van die patroonvormende organen zal bijdragen aan het 10 uiteindelijk te vormen interferentiepatroon, waarbij de individuele patroonvormende organen individueel zullen reageren op een seismische golf en deze individuele bewegingen zullen zijn af te leiden uit de gemeten veranderingen van het interferentiepatroon. Voor de verschillende patroonvormende 15 organen zullen de faserelaties met de referentiepunten onderling verschillen, zodat de frequentierespons (gevoeligheid) verschillend zal zijn voor de verschillende patroonvormende organen.It is furthermore possible to use two (or more) pattern-forming members at two (or more) different measuring locations along the reference line instead of a single pattern-forming member at a single measuring point B. Each of those patterning members will contribute to the interference pattern ultimately to be formed, with the individual patterning members responding individually to a seismic wave and these individual movements can be deduced from the measured changes of the interference pattern. For the different patterning members, the phase relationships with the reference points will differ from each other, so that the frequency response (sensitivity) will be different for the different patterning members.

2020

Samenvattend verschaft de onderhavige uitvinding een nieuwe methode voor het meten van de relatieve verplaatsing van een punt B ten opzichte van een referentie, en voor het meten van een vervorming van een groot lichaam zoals een brug 25 of een dak. De methode is bijzonder geschikt voor het meten van vervormingen van de aardkorst, zowel stationaire vervormingen als variabele vervormingen ten gevolge van seismische golven, bij voorbeeld voor toepassing in een seismograaf.In summary, the present invention provides a new method for measuring the relative displacement of a point B relative to a reference, and for measuring a deformation of a large body such as a bridge or a roof. The method is particularly suitable for measuring deformations of the earth's crust, both stationary deformations and variable deformations due to seismic waves, for example for use in a seismograph.

30 De onderhavige uitvinding onderscheidt zich van bekende technieken doordat niet wordt vertrouwd op massatraagheid van een op korte afstand van een meetpunt gepositioneerd referentiepunt, maar doordat een laserbundel wordt gericht op een object, bijvoorbeeld een schijf 20 met een gat 21, 35 waardoor door diffractie een interferentiepatroon 31 ontstaat dat met behulp van een CCD-chip 30 wordt gedetecteerd. Verplaatsingen van dat diffractiepatroon zijn representatief voor onderlinge verplaatsingen van de schijf 20 en de sensor 30.The present invention differs from known techniques in that reliance is not placed on mass inertia of a reference point positioned at a short distance from a measuring point, but in that a laser beam is aimed at an object, for example a disc 20 with a hole 21, 35 through which diffraction interference pattern 31 is produced which is detected with the aid of a CCD chip 30. Displacements of that diffraction pattern are representative of mutual displacements of the disk 20 and the sensor 30.

1717

Het zal voor een deskundige duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot de in het voorgaande besproken uitvoeringsvoorbeelden, maar dat diverse varianten en 5 modificaties mogelijk zijn binnen de beschermingsomvang van de uitvinding zoals gedefinieerd in de aangehechte conclusies. Zo is het niet per se noodzakelijk om gebruik te maken van een laser. De uitvinding is ook toepasbaar met andere lichtbronnen, waarbij het de voorkeur heeft dat het licht 10 monochromatisch is; een natriumlamp is een goed voorbeeld.It will be clear to a person skilled in the art that the invention is not limited to the exemplary embodiments discussed above, but that various variants and modifications are possible within the scope of the invention as defined in the appended claims. For example, it is not necessary to use a laser. The invention is also applicable with other light sources, wherein it is preferred that the light is monochromatic; a sodium lamp is a good example.

Met betrekking tot de toepassing voor het meten van de vervorming van een object (doorbuiging van een dak of brug) is vermeld en geïllustreerd (figuur 3), dat de laser en de sensor zijn vastgemaakt aan de "vaste wereld" en dat het 15 patroonvormend orgaan is bevestigd aan een vervormend onderdeel van het object. Het is echter ook mogelijk dat ook de laser en de sensor zijn vastgemaakt aan het object: vanwege de doorbuiging zullen ook de laser en de sensor zich verplaatsen, maar als de verplaatsing van het orgaan verschilt 20 van die van de laser en de sensor (beter geformuleerd: als de vervorming resulteert in een verplaatsing van het orgaan ten opzichte van de door de laser en de sensor gedefinieerde referentielijn) wordt er door de sensor nog steeds een vervormingssignaal gegenereerd. Ook wordt een zinvol 25 meetsignaal gegenereerd indien het orgaan is vastgemaakt aan de "vaste wereld" en ofwel de laser, ofwel de sensor, of beide, zijn bevestigd aan een vervormend onderdeel van het obj eet.With regard to the application for measuring the deformation of an object (deflection of a roof or bridge), it is stated and illustrated (Figure 3) that the laser and the sensor are attached to the "fixed world" and that it forms a pattern member is attached to a deforming member of the object. However, it is also possible that the laser and the sensor are also attached to the object: due to the deflection the laser and the sensor will also move, but if the movement of the member differs from that of the laser and the sensor (better formulated: if the distortion results in a displacement of the member relative to the reference line defined by the laser and the sensor), a distortion signal is still generated by the sensor. A meaningful measurement signal is also generated if the device is attached to the "fixed world" and either the laser, or the sensor, or both, are attached to a deforming member of the object.

Voorts zal de onderhavige uitvinding ook met voordeel 30 kunnen worden toegepast voor onderzoek aan andere hemellichamen met vast oppervlak, bijvoorbeeld Maan, Mars, etc.Furthermore, the present invention can also be used to advantage for research on other celestial bodies with a solid surface, for example Moon, Mars, etc.

De uitvinding is niet beperkt tot toepassing op een stoffelijk object zoals een hemellichaam. Het meetsysteem volgens de onderhavige uitvinding kan ook worden opgesteld in 35 de vrije ruimte, bij voorbeeld in een baan om de aarde of in een baan om de zon, waarbij de onderlinge afstand tussen de laser en de sensor miljoenen kilometers kan bedragen. Dan zou het systeem de kromming van de ruimte-tijd kunnen meten (gravitatiegolven).The invention is not limited to application to a physical object such as a celestial body. The measuring system according to the present invention can also be arranged in the free space, for example in an orbit around the earth or in an orbit around the sun, wherein the mutual distance between the laser and the sensor can amount to millions of kilometers. Then the system could measure the curvature of the space-time (gravitational waves).

1 03 4 3281 03 4 328

Claims

Method for measuring a relative displacement of an object (202; 303) positioned at a measuring location (B) relative to a reference, characterized by: providing a radiation source arranged at a distance from the measuring location (B) 5 ( 10) and a radiation sensor (30) arranged at a distance from the measuring location (B), wherein an optical axis (17) forms a linear reference between the radiation source (10) and the radiation sensor (30), and wherein the radiation source (10) and the radiation sensor (30) is located on either side of the measuring location (B), directing a beam of radiation (11; 12) to the radiation sensor (30) with the aid of the radiation source (10); positioning a patterning member (20) coupled to the object, the member (20) causing diffraction of the radiation (11) so that an interference pattern (31) results in the radiation (12) at the location of the sensor (30); wherein a relative displacement of the interference pattern (31) relative to the sensor (30) is measured; 20 and wherein the relative displacement of the object relative to the optical axis (17) is calculated from the measured relative displacement of the interference pattern (31) relative to the sensor (30).

The method of claim 1, wherein the radiation is light.

The method of claim 1 or 2, wherein the radiation is monochromatic radiation. 30

Method according to any of the preceding claims, wherein the radiation source (10) is a laser or an Na lamp. 1 034328

Method according to any of the preceding claims, wherein the sensor (30) is a two-dimensional sensor.

6. Method according to any of the preceding claims, wherein at a reference time the interference pattern is measured and stored as a reference pattern in a memory (41), wherein at a measuring time the interference pattern is determined and compared with the reference pattern, and wherein relative displacement of the interference pattern (31) relative to the sensor (30) is measured by measuring the relative displacement of the measured interference pattern relative to the reference pattern. 15

7. Method for keeping the relative position of an object (202) positioned at a measuring location (B) relative to a reference, the object (202) being movable with the aid of a controllable by a control member (40) manipulator (220), wherein a relative displacement of the object relative to the reference is measured by a method according to any of the preceding claims, and wherein the controller (40) controls the manipulator (220) to counteract the measured relative displacement. to work.

A method for measuring a distortion of an object (300); wherein a radiation source (10) is coupled to a first portion (301) of the object; wherein a radiation sensor (30) is coupled to a second portion (302) of the object; wherein a patterning member (20) is coupled to a third portion (303) of the object, between said first 35 and second portions; and wherein the relative displacement of the third portion (303) relative to the first and second portions is measured using a method according to any of the preceding claims 1-6.

The method of claim 8, wherein said object is a bridge.

The method of claim 8, wherein said object is a roof.

11. Method as claimed in claim 8, wherein said object is a celestial body with a fixed surface, more particularly the earth.

12. A method for detecting seismic waves in the earth's crust, wherein the deformation of the earth's crust is measured by a method according to claim 8. 15

An apparatus (100) for measuring a relative displacement of an object (202; 303) relative to a reference, characterized by: a 2D radiation sensor 20 (30) disposed remotely from the object; a radiation source (10) disposed remotely from the object and remotely from the sensor (30) and directed towards the sensor; a patterning member (20) disposed between the radiation source (10) and the sensor (30) and coupled to the object; A signal processing device (40) coupled to the sensor (30) for processing image signals supplied by the sensor (30); wherein the radiation source (10) is directed towards the member (20) such that an interference pattern (31) of the emitted radiation results at the location of the sensor (30) through diffraction 30 on the member (20).

The device of claim 13, wherein said radiation is light, and wherein the radiation source (10) comprises a laser.

The device of claim 13 or 14, wherein the sensor (30) comprises a CCD chip.

Apparatus according to any of the preceding claims 13-15, wherein the patterning member (20) comprises at least one portion that is non-transparent to the applied radiation and at least one portion that is at least partially transparent to the applied radiation.

The apparatus of claim 16, wherein the patterning member (20) comprises a disc provided with a single hole (21).

An apparatus according to claim 16 or 17, wherein the patterning member (20) comprises a plurality of at least partially transparent portions or holes.

An apparatus according to any of the preceding claims 16-18, wherein the patterning member (20) is rotationally symmetrical with respect to an optical axis defined by a center of the light source (10) and a center of the sensor (30) (17).

Apparatus according to any of the preceding claims 13-19, further comprising a vacuum tube (18) to follow the path followed by said radiation.

The apparatus of claim 20, further comprising at least one field stop (51, 52, 53, 54, 55, 56) disposed in the vacuum tube.

An apparatus according to claim 21, wherein the field stop (51, 52, 53, 54, 55, 56) comprises a non-transparent plate (57) with a central circular hole (58).

The device of claim 22, wherein the hole (58) has a serrated edge (59), preferably with a triangle pattern. 35

An apparatus according to any of the preceding claims 13-23, wherein the ratio between the distance of the patterning member (20) from the laser (10) on the one hand and the distance from the patterning member (20) to the sensor (30) on the other is equal to the golden ratio.

An apparatus according to any of the preceding claims 13-23, wherein a plurality of patterning members (20) are arranged between the laser (10) and the sensor (30) at different positions along the reference line (17).

A seismograph (100) comprising at least one device 10 according to any of the preceding claims 13-25.

An apparatus (100) for detecting gravitational waves, comprising: a 2D radiation sensor (30); A radiation source (10) disposed remotely from the sensor (30) and directed towards the sensor; a patterning member (20) disposed between the radiation source (10) and the sensor (30); a signal processing device (40) coupled to the sensor (30) for processing image signals supplied by the sensor (30); wherein the radiation source (10) is directed towards the member (20) such that an interference pattern (31) of the emitted radiation results at the location of the sensor (30) by diffraction at the member (20).

A kit for an apparatus according to any of the preceding claims 13-27, comprising: a patterning member (20); 30 a 2D sensor (30); a signal processing device (40) for processing image signals supplied by the sensor (30); a radiation source (10) for generating a radiation beam; Wherein the radiation source (10) can be directed to the member (20) such that an interference pattern (31) of the emitted radiation results at the location of the sensor (30) by diffraction on the member (20). 1034328