Brevet FR2255611A1 — publié le 19750718

La présente invention concerne un appareil destiné à la mesure à distance et sans contact de l'écart angulaire séparant deux ou plusieurs points de Itespace vus d'un point fixe défini Par l'appareil. Ce dernier permet également de suivre les variaI tions dans le temps de cat écart angulaire. Elle concerne en outre un appareil d'observation stéréoscopique réunissant deux appareils du genre décrit ci-dessus et permettant d'effectuer la mesure de la position et des déplacements d'un ou de plusieurs points dans un espace à trois dimensions. De telles mesures de position se présentent par exemple dans l'étude du comportement de divers objets (aéronefs ou engins en cours d'essais, structures soumises à des efforts, etc) qui peut ainsi être analysé en observant les déplacezents relatifs, de préférence dans les trois dimensions, de points caractéristiques choisis sur les objets en cause. On connatt des appareils permettant de faire des mesures de oe genre. On peut par exemple, à l'aide d'un suiveur de cibles ou de spots lumineux, mesurer les déplacements d'un points mais seulement le long d'un axe ou dans un plan donné. Pour suivre plusieurs points se déplaçant dans les trois dimensions, il faudrait utiliser autant de paires de suiveurs qutil y a de points, ce qui deviendrait vite impraticable lorsque le nombre de points augmente. On peut également utiliser des capteurs à contact liés matériellement aux objets à suivre et transformant leurs déplacements en grandeurs électriques; cela conduit cependant à des ensembles complexes1 incommodes et longs à mettre en oeuvre. On peut d'autre part mesurer de très petits déplacements ou des sicro-déformations à laide de dispositifs optiques ou acoustiques à interféromérie ou à holographie; de tels dispositifs sont cependant chers, très spécialisés, d'emploi délicat et mal adaptés aux utilisations industrielles, ils exigent une stabilité parfaite et ne permettent pas la mesure de déplacements relativement importants, par exemple de l'ordre du centimètre. On contact encorde les procédés photographiques utilisés pour les relevés géographiques avec restitution stéréoscopique. te matériel correspondant est également cher, très spécialisé, et le dépouillement des clichés est long et délicat. ta présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et lacunes en ddfinissant un appareil de mesure d'écarts angulaires, de variations d'angles, de déplacements ou de déformations d'amplitude relativement importante (pouvant corres pondre à plusieurs centimètres) et cela sans contact avec les points ou l'objet analysé au moyen de l'appareil, celui-ci offrant une grande simplicité de mise en oeuvre, de préparation et de traitement des mesures pour des applications industrielles telles que l'étude de structures de fusées ou d'engins spéciaux en cours d'essais au sol. A cet effet, l'invention a pour objet un appareil de mesure optique permettant de localiser et de mesurer les déplace ments de points dans un espace tridimensionnel. Cet appareil comprend au moins un ensemble d'exploration à partir d'un point d'observation fixe où sont placées une source lumineuse qui émet un pinceau lumineux balayant 1 espace à observer et une cellule réceptrice qui capte la lumière renvoyée par des objets ou des points dudit espace frappés par ledit pinceau lumineux, cette cellule délivrant à chaque réception de lumière un signal exploi table qui, par corrélation avec la loi de balayage du pinceau d'exploration, permet de déterminer la position de l'objet correspondant dans l'espace exploré, De préférence, le balayage est répétitif et se déroule à la manière d'un balayage de télévision à spot volant, par forma tion séquentielle de lignes juxtaposées en images successives. Les mouvements angulaires correspondants du pinceau issu d'une source lumineuse de l'appareil sont créés par au moins un organe déflecteur de lumière, de préférence un déflecteur pour le balaya ge "ligne" et un déflecteur pour le balayage "image", qui peuvent être des miroirs animés de mouvements de rotation synchronisés, continus ou discontinus, autour d'axes respectifs croisés et déviant un fin pinceau lumineux légèrement convergent issu d'un générateur de lumière, de préférence un laser. La cellule captant la lumière renvoyée par les points à explorer (caractérisés si besoin est par application de pein ture réfléchissante catadioptrique) est de préférence une cellule opto-électronique telle qu un photomultiplicateur associé à la source lumineuse fournissant des signaux électriques qui peuvent tre enregistrés sur bande magnétique. Lorsqu'il s'agit d'observer des distances ou des dépla cements selon les trois dimensions de l'espace, on utilise deux ensembles couplés d'exploration stéréoscopique dont les sources lumineuses sont écartées d'une certaine distance. Les pinceaux émis par ces sources ponctuelles peuvent provenir d'un générateur commun dont la lumière est dirigée de préférence alternativement vers un ensemble et vers l'autre. Si ce générateur est polychromatique, on peut affecter par filtrage une radiation de longueur d'onde déterminée à chacun des ensembles couplés, afin d'éliminer les réponses parasites de la cellule réceptrice d'un ensemble à la lumière provenant de la source lumineuse de l'autre ensemble et renvoyée par l'objet.Dans le m8me dessein, on peùt effectuer une sélection temporelle des signaux délibrés par les cellules réeeptrices en conformité avec l'alternance des manifestations des sources lumineuses. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre at exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 illustre schématiquement le principe d'un appareil selon l'invention d'exploration dans un plan unique. ta figure 2 illustre schématiquement le principe d'un appareil selon 1'invention d'esploration d'un espace tridimen sionnel. La figure 3 donne un exemple de marquage de la surface d'un objet à explorer. La figure 4 représente schématiquement un appareil selon l'invention d'exploration stéréoscopique et les dispositifs associés. Dans la figure 1, deux objets A,B situés dans un plan XOY peuvent Entre éclairés par deux pinceaux lumineux respectivement émis par des sources ponctuelles fixes S1,S2 placées à quelque distance I'une de l'autre sur l'axe OX. Ces pinceaux balayent des secteurs respectifs y 2définissant un espace (plan) commun E qui inclut les objets A et B. Lorsque ces derniers sont éclairés par les pinceaux lumineux, ils renvoient an direction des sources S1,S2 des rayons lumineux respectifs Al,Bl et A2,B2 qui peuvent être captés par des cellules sensibles à la lumière placées également en S1 et 82. La mesure des instants où ces cellules reçoivent de la lumière en proyenance des objets A et B ainsi que la connaissance de la loi de balayage des pinceaux permettent de déterminer les angles sous lesquels on voit de 31 et de Sa ces objets, donc de déterminer leurs positions dans le plan XOY et leurs déplaçements éventuels-par reconstitution stéréoscopique. La figure 2 illustre l'extension du principe précédent à un espace OXYZ à trois dimensions. Les pinceaux U1, U2 respectivement émis par les sources S1,S2 sont soumis à un deuxième mouvement de balayage : leur plan de balayage ntest plus fixe, mais oscille autour de l'axe OX.Un objet A frappé par les pinceaux U1, U2 i un rayon A en U2 renvoie un rayon A1 en direction de S1 et un rayon 2 direction de S2. En déterminant alors les angles 1 et 92 que font respectivement avec le plan XOZ les plans L1 et L2 parallèles à OZ, passant par A et respectivement par S1 et par S2, ainsi que l'angleque fait le plan P avec le plan XOY, on peut aisément calculer les coordonnées cartésiennes de l'objet A dans le trièdre oxm, en passant par l'angle # (non directement mesurable) que fait le pinceau S2A avec la parallèle à OZ menée par S2. On peut aussi déterminer, en plus de l'angle , les angles polaires yl des pinceaux S1A, S2A dans le plan P; le calcul peut alors se faire sans introduire tge l'angle e. En pratique, les objets A,B seront le plues souvent des parties d'une structure dont on désire analyser les déplacements et, plus particulièrement, les déformations lorsqu'on la soumet à des efforts. Ces parties pourront être distinguées sur la structure au moyende peinture appliquée sur sa surface par exemple en réseau ou en damier, comme le représente la figure 3, cette peinture étant avantageusement une peinture à pouvoir réflecteur élevé, telle que la peinture connue sous la marque "Scotchlite" qui renvoie la lumière sur elle-mme, quelle que soit son incidence, avec une légère divergence .On voit sur cette figure la trame T de lignes parallèles que décrit le point d'incidence I sur la structure de chacun des pinceaux d'exploration issus des sources S1,S2;; une cellule réceptrice délivre son signal de réponse lorsque le point d'incidence I du pinceau correspondant parcourt une case K revue de peinture réfléchissante. Les points caractéristiques d'un tel damier sont les sommets C des cases. Comme les lignes de la trame T ne passent pas forcément par ces points C, en particulier si ces points se déplacent entre deux balayages, on détermine la position des points marginaux M où cette trame coupe les lignes limitant les cases K, puiscelle des points C par interpolation, éventuellement à l'aide d'un ordinateur. La figure 4 représente schématiquement l'ensemble d'un appareillage selon l'invention permettant l'exploration stérbo- scopique d'un espace objet E. I1 comprend deux parties symétriques par rapport à un plan médiateur 10 vertical dont les éléments homologues portent une référence affectete respectivement de la lettre D (droite) ou G (gauehe). Un générateur de lumière 11, qui est ici un laser à fonctionnement continu, émet un fin pinceau lumineux 12 horizontal situé dans le plan 10.Ce pinceau est mis en forme en traversant un système optique placé à la sortie du laser 11 et constitué par an double objectif 13,14 encadrant un filtre spatial 15, c1est-à-dire un diaphragme comportant un trou parfaitement rond de 7 à 10 microns de diamètre.' Ce système optique donne une légère convergence au pinceau 12, dont le diamètre,initialement de l'ordre de 3 mm, se réduit à environ 0,5 mm à lorsque le pinceau atteint l'espace objet E. Le pinceau lumineux 12 tombe sur un miroir plan tournant 16 entratné par un moteur à vitesse uniforme de ).000 ir/mn autour d'un axe vertical 17 situé dans le plan médiateur 10. Ce miroir est réfléchissant sur ses deux faces de sorte que le pinceau réfléchi est alternativement dirigé vers la partie de droite selon 20D et vers la partie de gauche selon 20G, 100 fois- par seconde de chaque côté. La rotation du miroir 16 fournit l'un des mouvements de balayage, savoir le balayage "ligne" qui correspond aux anglesyMl ou t de la figure 2. Deux objectifs convergents 22D,22G sont disposés de part et d'antre du miroir 16 sur un axe commun 18 perpendiculaire au plan 10 et coupant l'axe 17 dudit miroir au point d'incidence du pinceau 12. Ces objectifs délimitent des secteurs de balayage égaux respectifs 21D,G pour les deux parties optiques de l'appareillage symétriques par rapport au plan 10 et transforment le mouvement de balayage angulaire en un mouvement de balayage en translation latérale (comme l'indiquent les flèches 28D,G), leur foyer objet étant placé sur l'axe 17 du miroir 16. Deux miroirs plans fixes 23 D, a coupant obliquement l'axe optique 18 des objectifs 22D,G renvoient respectivement les pinceaux lumineux issus de ces derniers vers d'autres objectifs convergents 24D,G qui focalisent les pinceaux en des points fixes respectifs 25D,G, symétriques par rapport au plan 10 et homologues des sources lumineuses S1,S2 des figures 1 et 2, autour desquels lesdits pinceaux pivotent selon les flèches 29D,G. Deux petits miroirs 26D,G- dont le plan commun est perpendiculaire au plan 10 sont respectivement disposés aux points 25D,G et réfléchissent les pinceaux issus des objectifs 24D,G selon des pinceaux 27D,G dirigés vers l'espace objet E et animés d'un mouvement de balayage plan selon les flèches 30D,G autour des points 25D,G jouant le rôle de sources lumineuses. En outre, les miroirs 26D,G peuvent osciller sous l'action d'un moteur autour d'un axe commun 31 joignant les points 25D et 25G; les pinceaux 27D,G sont alors animés en outre d'un mouvement de balayage "image" selon les flèches 32D,G qui définit, par variation d'un angle correspondant à l'angle Oc de la figure 2, une trame T de lignes juxtaposées dans l'espace objet E (figure 3). Le mouvement des miroirs oscillants 26D,G est un mouvement pas à pas au cours duquel ils occupent successivement, ainsi que le plan de balayage "lignes des pinceaux 27D,G, une série de positions angulaires voisines autour de l'axe 31, chaque changement de position se produisant dès qu'un balayage dans un plan donné est achevé dans les parties de droite et de gauche de l'appareil, et par exemple à chaque fois que le plan du miroir rotatif 16 se trouve parallèle (ou perpendiculaire) au plan 10, dé telles positions correspondant aux angles morts 38,39 où le pinceau est perdu. Pour chaque position des miroirs 26D,G, les pinceaux 27D,G effectuent alternativement un balayage lignes dans un même plan de l'espace objet E. Le mécanisme d'entrainement en rotation pas à pas des miroirs 26D > G est de type connu; il est déclenché par la rotation du miroir 16, de manière à obtenir un balayage séquentiel ligne par ligne et répétitif. Les objets, cibles ou points, de l'espace E dont on ddsire mesurer la position renvoient, lorsqu'ils reçoivent un pinceau 27D ou 27G, un faisceau légèrement divergent centré dans la mEme direction, donc en direction respectivement des miroirs 26D ou 26G. Ces derniers sont semi-transparents et laissent passer ces rayons en retour qui atteignent des cellules réceptrices de lumière 33D,G, de préférence des photomultiplicateurs. Lesdites cellules réceptrices peuvent également être places près desdits miroirs,, au-dessus ou en dessous. Dans ce cas, lesdits miroirs sont totalement réfléchissants. Les signaux en réponse que ces cellules fournissent pour chaque balayage successif sont appliqués à un enregistreur magnétique 34 après qu'ils aient passé dans des circuits de mise en forme 35D,G où ils sont transformés en signaux carrés dont les fronts, et spécialement les fronts de montée, donnent les instants où les pinceaux explorateurs rencontrent un point earactéristique de l'espace E.La connaissance de ces instants, qui sont différents pour un même objet dans les parties droite et gauche de l'appareil de scrutation stéréoseoplque, liée à la connaissance des mouvements de balayage, permet de-calculer, à l'aide d'une unité de traitement mécanographique 36, les angles définissant la position dudit objet et ses coordonnées ainsi que leurs variations si Objet se déplace. Une centrale électronique 37 associée à l'enregistreur 34 permet de commander et d'asservir les organes moteurs des miroirs mobiles de balayage, ainsi que de piloter l'enregistrement des données fournies par les photomultiplicateurs 33D,G. Dans l'appareil qui vient d'hêtre décrit à titre dtexem- ple, le champ de balayage angulaire est de 20 x 200, le nombre de lignes d'une trame étant compris entre 20 et 100. Une scrutation complète de l'espace objet dure une seconde; elle est suivie d'un temps mort égal à une seconde au maximum, pendant lequel les miroirs oscillants 26D,G sont remis en position initiale Jusqu'à la scrutation suivante. On obtient, pour une mesure de déplacement de points d'une structure éloignée de 2 mètres, une précision de l'ordre de 0,3 mm, l'4cartement des sources lumineuses 25D,25G étant de 60 cm environ. Le laser 11, qui doit être relativement puissant et d'un encombrement modéré, est avantageusement un laser à gaz ionisé. Dans le présent exemple, on utilise un laser à argon ionisé de 10 à 15 mW. Un tel laser émet une lumière polychromati- que dont les deux longueurs d'onde principales de plus forte énergie sont 1= 4.880 et #2 = 5.145 . On peut mettre à profit cette nature particulière de la lumière que transportent les pinceaux explorateurs pour éliminer les réponses parasites des récepteurs de lumière à des rayons réfléchis ayant pour origine le pinceau de l'autre partie de l'appareil.A cet effet, on peut placer un filtre passe-baWde sélectionnant l'une de ces longueurs d'onde devant chaque photomultiplicateur, ou plus efficaeement, sur le parcours des pinceaux lumineux droite et gauche en un endroit convenable choisi entre le miroir rotatif 16 et espace objet E. On remarquera qutil est également possible d'éliminer de telles réponses parasites en effectuant une sélection temporelle des signaux fournis par chacun des photomultiplicateurs et en ne prenant en considération que les signaux apparaissant durant l'exploration de l'espace objet par la partie correspondante (droite ou gauche) de l'appareil, les deux parties étant actives alternativement, et jamais en même temps, en raison de l'action distributrice du miroir rotatif 16. On peut évidemment utiliser un appareil selon l'invention ne comportant qutune seule source lumineuse et la vote optique correspondante lorsqu'on ne désire faire que des mesures de posi tions ét de déplacements angulaires, sans détermination complète par stéréoscopie des coordonnées tridimensionnelles des points à observer.-Dans ce cas, on ne conservera par exemple que la partie droite de l'appareil de la figure 4, tous les éléments affectés de la lettre G étant supprimés ou inutilisés. En ce qui concerne la constitution du système optique convergent formé par les objectifs 20D,G, 24D,G et les miroirs 23D,G, il va de soi que l'-objectif 24D,G peut, pour des raisons de commodité, être placé aussi bien entre le miroir 23D,G et l1objectif 20D,G qu'après le miroir 23D,G comme l'indique la figure 4, sans pour autant que soit modifié le principe du système optique ni la marche des rayons 27D,G balayant l'espace objet E à partir des points 25D,G. - REVENDICATIONS 1.- Appareil de mesure optique permettant de localiser et de mesurer sans contact les déplacements d'éléments réfléchissant la lumière, ces éléments pouvant être des points d'un corps marqués par application locale d'un revêtement réfléchissant, caractérisé par le fait qutil comprend au moins un ensemble d'exploration d'un espace objet contenant les éléments réfléchissants, untel ensemble comportant une source lumineuse ponctuelle qui émet un pinceau lumineux légèrement convergent balayant les pace objet et une cellule réceptrice captant la lumière que renvoie chaque élément réfléchissant frappé par le pinceau lumineux et délivrant alors un signal tel qu'un signal électrique appli qué à une unité de traitement qui effectue la corrélation de ces signaux avec le mouvement de balayage du pinceau lumineux et permet de déterminer la position dans l'espace objet des éléments réfléchissants. 2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un ensemble d'exploration comporte un générateur de lumière émettant un pinceau lumineux fixe qui traverse un dispositif déflecteur de lumière commandé, à la sortie duquel il émerge d'un point fixe jouant le rtle de source-lumineuse ponctuelle, dans une direction variable conforme au mode de balayage désiré. 3.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le générateur de lumière est un laser 4.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le mouvement de balayagedu pinceau lumineux s' effectue dans un plan coupant l'espace objet. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le mouvement de balayage dans un plan est réalisé à l'aide d'un miroir plan tournant autour d'un axe contenu dans son plan et recevant le pinceau fixe émis par le générateur de lumière qui rencontre perpendiculairement l'axe de rotation dudit miroir. 6.- Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la position angulaire du plan où s'effectue le balayage est variable, ce plan oscillant autour d'un axe fixe. 7.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que le mouvement angulaire du plan de balayage est réalisé à l'aide dlun miroir plan oscillant autour d'un axe fixe contenu dans son plan et perpendiculaire à l'axe de rotation du miroir tournant, ce miroir oscillant recevant en un point fixe de sa surface situé sur son axe d'oscillation le pinceau lumineux réfléchi par le miroir tournant à travers un dispositif optique convergent, et les mouvements de ces miroirs étant synchronisés entre -eux par asservissement de leurs o-ganes moteurs d'entraînement. 8.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le dispositif optique convergent est constitué par deux objectifs convergents entre lesquels le pinceau lumineux se propage parallèlement à leur axe optique et par un miroir plan de renvoi. 9.- Appareil selon l'une quelconque des-revendièations 7 et 8, caractérisé par le fait que le miroir oscillant tourne autour de son axe selon un mouvement discontinu de pas à pas. 10.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le miroir oscillant est semitransparent et que la cellule réceptrice de lumière est placée derrière ce miroir à travers lequel elle reçoit la lumière renvoyée par les points réfléchissants. 11.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le miroir oscillant est petit et que la cellule réceptrice de lumière est placée au voisinage de ce miroir où elle reçoit la lumière renvoyée par les points réfléchissants. 12.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qutil comprend deux ensembles couplés d'exploration stéréoscopique d'un mtme espace objet disposés symétriquement par rapport à un plan médiateur contenant le pinceau fixe émis par un générateur de lumière commun et l'axe de rotation d'un miroir tournant commun dont les deux faces sont réfléchissantes et qui dirige alternativement un pinceau lumineux vers le dispositif optique convergent de chaque ensemble d'exploration, les deux miroirs oscillants étant coplanaires et pivotant autour d'un axe d'oscillation commun perpendiculaire audit plan médiateur. 13.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le générateur de lumière émet un pinceau polychromatique et que chacune des voies optiques des deux ensembles d'exploration est munie d'un filtre sélectionnant respectivement une radiation de longueur d'onde particulière.