Brevet FR2685764A1 — publié le 19930702

Capteur optique compact et à haute résolution pour l'analyse de formes tridimensionnelles L'invention concerne l'acquisition et la numérisation en trois dimensions de la forme de pièces gauches quelconques au moyen de systèmes comportant un capteur optique avec une source de rayon- nement laser et une ou plusieurs caméras analysant la trace formée par le faisceau laser sur l'objet à étudier. Une telle technique est décrite en détail, notamment dans les FR-A-2 627 047, FR-A-2 642 833 et FR-A-2 629 198, qui appartien- nent à la Demanderesse. Plus précisément, cette technique prévoit d'engendrer un " plan laser ", c'est-à-dire un faisceau lamellaire sectoral de très faible épaisseur, mais dont la largeur lui permet de couvrir la totalité de l'objet à analyser, avec une ou deux caméras regardant ce plan sous deux incidences différentes L'ensemble est placé à l'extrémité d'un bras manipulateur mobile, par exemple celui d'une machine-outil à commande numérique, afin de réaliser un balayage de la pièce par le plan laser et permettre ainsi l'acquisition progressive, dans les trois dimensions, de la surface de la pièce Le balayage peut être réalisé aussi bien par pivotement que par translation du capteur par rap- port à la pièce; par ailleurs, le mouvement de balayage peut être obtenu également en maintenant le capteur fixe et en déplaçant la pièce par rapport à ce dernier, la pièce étant dans ce cas par exem- ple montée sur une table à mouvements croisés télécommandée. Jusqu'à présent, les capteurs utilisés pour mettre en oeuvre cette technique étaient relativement encombrants, fragiles et complexes. L'un des buts de l'invention est de proposer une structure de cap- teur qui permette de miniaturiser celui-ci dans des proportions importantes, tout en conservant et même en accroissant sa précision et sa résolution (la " résolution " étant la taille du pixel propre au système et la " précision " étant celle que l'on obtient en tenant com- pte des étapes de numérisation et de reconstitution; la précision de position, peut être, comme on le verra, meilleure que le pixel compte tenu des divers traitements effectués lors de l'étape d'analyse de la trace laser). L'intérêt d'un capteur miniaturisé, outre la commodité qu'il pro- cure, est de permettre son utilisation même dans un espace très ré- duit, pour des pièces de petites dimensions, des surfaces peu acces- sibles, etc, c'est-à-dire chaque fois que l'on veut une grande préci- sion dans un champ réduit. Mais dans ce cas le capteur va se trouver beaucoup plus près de la pièce à analyser, et il va alors se poser un certain nombre de pro- blèmes nouveaux, tout particulièrement celui de la profondeur de champ, qui va se dégrader d'autant plus que le capteur est rappro- ché de l'objet. Actuellement, les capteurs à laser He-Ne sont réglés avec une fo- calisation à environ 1 mn de la source, donc avec un recul important (qui, de toute façon, est indispensable compte tenu de l'encombre- ment relativement important du laser hélium-néon et des différents organes qui lui sont associés). Ce recul important permet, grâce à une focalisation à longue dis- tance de former une trace extrêmement fine avec une profondeur de champ importante, avec, typiquement, un faisceau lamellaire d'é- paisseur inférieure à 0,2 mm sur une profondeur de champ de mm. En outre, le faisceau lamellaire étant obtenu par des moyens sta- tiques (généralement une lentille cylindrique), l'étalement du fais- ceau, combiné au recul important, fait que la densité locale d'énergie est relativement faible (de l'ordre de 1 g W/mm 2), ce qui rend le fais- ceau sans danger pour l'opérateur. En revanche, si l'on peut miniaturiser le capteur (grâce notam- ment à l'intégration d'une diode laser en remplacement du laser He- Ne), et si l'on ne peut pas ou l'on ne veut pas reculer celui-ci par rap- port à l'objet, va se poser le problème de la profondeur de champ en raison de la focalisation à une distance beaucoup plus courte (typi- quement 10 cm au lieu de 1 m), avec une incidence corrélative sur la finesse de la trace, donc sur la résolution et sur la précision finale. En outre, la densité énergétique, qui varie comme l'inverse de la distance, va augmenter dans des proportions très importantes, ren- dant dangereux le faisceau en cas de rencontre avec l'oeil d'un opé- rateur au voisinage de l'objet. Le but de l'invention est de conserver les avantages des capteurs actuels malgré la miniaturisation et le recul physique beaucoup plus faible par rapport à l'objet. Essentiellement, l'invention consiste à créer un recul virtuel de la source à l'intérieur du capteur afin de se placer sensiblement dans les mêmes conditions que celles d'un faisceau à focalisation longue, compensant ainsi le faible recul physique imposé par la con- figuration de l'ensemble capteur-objet. A cet effet, le capteur de l'invention, qui comporte, de manière en elle-même connue et décrite par exemple dans les trois brevets pré- cités, une source laser produisant un faisceau plan lamellaire illumi- nant la surface d'un objet de manière à produire sur ce dernier une trace lumineuse incidente curviligne analysée par au moins une ca- méra vidéo produisant une information convertie en données numé- riques représentatives de coordonnées de pixels, est caractérisé par une boîte à lumière comprenant, dans un même boîtier placé au-des- sus de l'objet à analyser et à faible distance de celui-ci: ladite source laser, produisant un faisceau rectiligne collimaté; des moyens opti- ques pour transformer ce faisceau rectiligne en un faisceau plan la- mellaire; et des moyens d'allongement du trajet optique du faisceau, comprenant deux miroirs plans fixes, disposés en vis-à-vis de mani- ère à produire une pluralité de réflexions entre un point d'entrée et un point de sortie du faisceau De cette manière, on compense le faible recul matériel entre le boîtier et l'objet par un recul optique virtuel et on accroît ainsi corrélativement la profondeur de champ de la région utile du faisceau plan lamellaire en sortie du boîtier. Avantageusement, les points d'entrée et de sortie comprennent des moyens optiques de réglage d'incidence de faisceau, de manière à ajuster le nombre de réflexions entre les deux miroirs en vis-à-vis, et les moyens optiques pour transformer le faisceau rectiligne en un faisceau plan lamellaire sont des moyens statiques. Ce capteur peut en particulier comprendre, en outre, au moins un bloc détecteur attenant à la boîte à lumière et pourvu d'un or- gane photoélectrique analyseur d'image et de moyens formant objec- tif, placés devant cet organe analyseur d'image. Dans ce cas, selon un aspect avantageux de l'invention, il est en outre prévu des moyens de bascule relative de l'organe analyseur d'i- mage par rapport aux moyens formant objectif. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, il est en outre prévu un circuit électronique d'extraction de l'information représen- tative de la position de la trace du faisceau laser sur chaque ligne dimage délivrée par l'organe analyseur d'image, ce circuit compre- nant: un étage intégrateur, recevant en entrée un signal électrique représentatif de l'intensité lumineuse reçue, variant en fonction de la position considérée sur la ligne analysée, et délivrant en sortie un signal, croissant, représentatif de l'énergie lumineuse cumulée re- çue; un étage diviseur, recevant en entrée le signal d'énergie délivré par l'étage intégrateur; un étage à retard, recevant en entrée le si- gnal d'énergie délivré par l'étage intégrateur; et un étage compara- teur, recevant sur chacune de ses entrées les signaux de sortie res- pectifs de l'étage diviseur et de l'étage à retard, le basculement de cet étage comparateur définissant, au cours du balayage de la ligne d'image, la position du milieu de la trace du faisceau laser. On va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'inven- tion, en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue frontale, en élévation, d'un capteur selon l'invention avec une boîte à lumière et deux détecteurs attenants, l'ensemble étant monté à l'extrémité d'un bras manipulateur mobile. La figure 2 est une vue latérale, selon I-Il de la figure 1, de ce même ensemble. La figure 3 est une vue en coupe schématique de la boîte à lumière du capteur selon l'invention. La figure 4 est une vue en perspective montrant les divers or- ganes optiques de cette boîte à lumière. La figure 5 est une vue en coupe schématique de l'un des détec- teurs des capteurs de l'invention. La figure 6 est une coupe schématique de l'ensemble objectif-dis- positif analyseur du détecteur de la figure 5. La figure 7 est un schéma montrant la manière dont les défauts de netteté et de profondeur de champ sont compensés par un sys- tème de bascule de l'organe photoélectrique du détecteur. La figure 8 illustre la forme générale du signal vidéo d'une ligne de balayage en sortie de l'organe photoélectrique. La figure 9 est le schéma électronique d'un circuit d'analyse de ce signal permettant l'extraction de l'information représentative de la position de la trace du faisceau laser. La figure 10 est un chronogramme montrant divers signaux pro- duits au sein du circuit de la figure 9. O Sur la figure 1, on a représenté le capteur de l'invention, désigné de façon générale par la référence 1. Ce capteur est situé à proximité d'une pièce à analyser 2 dont on cherche à acquérir et numériser la forme, gauche, de la surface Le capteur 1 est monté à l'extrémité d'un bras manipulateur 3, par exemple celui d'une machine-outil à commande numérique, et il comporte un élément central 100, qui est une boîte à lumière émet- tant un faisceau laser 4 qui est un faisceau plan lamellaire, c'est-à- dire de faible épaisseur (cf figure 1) mais de largeur importante (cf. figure 2) L'impact du faisceau avec la surface de la pièce produit une trace lumineuse curviligne 5, qui est analysée par un ou (de pré- férence) deux détecteurs 200 comportant chacun une caméra et des circuits électroniques de numérisation et d'analyse de l'image de la caméra Ces deux détecteurs 200 sont avantageusement réalisés sous forme d'éléments attenants à la boîte à lumière 100 et disposés de part et d'autre de celle-ci, de manière à constituer un ensemble unique (le capteur 1) porté par le bras manipulateur 3 L'utilisation de deux caméras permet de réduire de façon importante le temps d'acquisition de la forme tridimensionnelle, mais n'est pas une caractéristique nécessaire de l'invention, le capteur pouvant ne com- porter qu'une caméra. Le capteur effectue un balayage de manière à acquérir la totalité de la forme de la pièce Dans l'exemple illustré, ce balayage est un balayage en translation réalisé par déplacement du bras manipula- teur 3 dans une direction (illustrée par la flèche 6) perpendiculaire au plan du faisceau lamellaire, typiquement avec une avance de 2 à 3 pas par seconde, chaque pas ayant une valeur de l'ordre de 0,1 à 0,5 mm selon la précision d'acquisition recherchée La taille du pixel a une valeur brute typique de 50 jnm x 50 gm, valeur pouvant être réduite par un traitement électronique de lissage à 20 gm x 20 gm. On notera que, en variante, il est possible de réaliser le déplace- ment relatif capteur/pièce en déplaçant la pièce et en maintenant le capteur fixe, ou de prévoir un balayage par toute composition de translations et de rotations. L'invention s'attache particulièrement à résoudre les problèmes optiques, notamment celui de la profondeur de champ, qui apparais- sent lorsque le capteur est très proche de la pièce, c'est-à-dire lors- que le rapport d/x est élevé, d étant (figure 2) la profondeur du champ utile 7 et x étant la distance minimale entre le capteur et l'objet On verra en particulier que ce rapport d/x peut atteindre des valeurs largement supérieures à 1, contre des valeurs de l'ordre de 0,1 à 0,2 dans les techniques connues employées jusqu'à présent. Les figures 3 et 4 montrent la structure de la boîte à lumière 100 (sur la figure 4, on a isolé les seuls éléments optiques contribuant à la formation du faisceau). Cette boîte à lumière comporte essentiellement une source laser , par exemple une diode laser émettant dans le visible un fais- ceau fin collimaté, cylindrique, avec une puissance de l'ordre de 3 m W Ce faisceau frappe une lentille cylindrique 120 transformant le faisceau cylindrique mince en un faisceau plat (voir figure 4) Il est prévu des moyens 111 pour ajuster en abscisse et en ordonnée la position exacte de la source laser 110 de manière à centrer parfaite- ment le spot lumineux au milieu de la lentille cylindrique 120 Cette dernière comporte, quant à elle, des moyens de réglage fin en rota- tion (de l'ordre de 5 ou 10) autour de son axe optique, afin de régler l'inclinaison du faisceau élargi (faisceau lamellaire) sur son axe. Ce faisceau est envoyé, par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi 130, vers un ensemble optique 140, caractéristique de l'invention, permettant d'allonger le trajet optique du faisceau, et que l'on va maintenant décrire en détail. Cet ensemble 140 comporte tout d'abord un miroir ajustable 141 dirigeant le faisceau lamellaire produit par les éléments décrits pré- cédemment vers un premier miroir 142 d'un ensemble de deux mi- roirs plans parallèles 142, 143 Par le phénomène bien connu des " glaces parallèles ", il va se produire une pluralité de réflexions du faisceau, ce qui va allonger le trajet de celui-ci et, simultanément, accroître progressivement sa largeur, comme on peut le voir figure 4 (sur cette figure, le trait interrompu illustre le centre du faisceau lamellaire qui, pour des raisons de clarté de la figure, n'a été illustré qu'au début et à la fin de ses réflexions successives). Après la dernière réflexion, le faisceau est capté par un miroir 144 qui le renvoie en direction d'une fenêtre 150 au sortir de laquel- le il viendra frapper la pièce à analyser. Le miroir ajustable 141 permet de régler le nombre de réflexions successives, en faisant varier l'angle de la première incidence du faisceau sur le miroir 142 Typiquement, on ajuste l'ensemble de manière à obtenir au moins quatre réflexions successives, ce nombre n'étant cependant en aucune façon limitatif. Le miroir 144, quant à lui, permet d'ajuster la perpendicularité du faisceau en sortie de la boîte à lumière. On notera incidemment que le faisceau lamellaire est généré de façon purement statique, sans aucun organe tel qu'un miroir mobile ou élément analogue, ce qui présente un grand nombre d'avantages: élimination du danger pour l'opérateur (l'énergie lumineuse étant étalée sur la largeur du faisceau au lieu d'être concentrée sur un spot mobile intense), absence d'organe mécanique fragile, pas de synchronisation à prévoir, grande précision (absence de vibrations, de déréglages, etc). Bien entendu, tous les miroirs utilisés dans cette boîte à lumière sont des miroirs rectifiés de qualité optique, et la boîte à lumière est hermétiquement close, de façon à empêcher toute passage de pous- sières ou de fumées dans le trajet du faisceau. Dans un exemple de réalisation effectivement mise en oeuvre, la boîte à lumière a des dimensions 1 x h x L de 70 x 85 x 140 et pro- duit, à une distance x = 100 mmn de la pièce, un champ laser s'éten- dant sur d = 150 mm (avec les conventions de la figure 2) Le champ trapézoïdal 7 de la figure 2 a alors un petit côté de 65 mm et un grand côté de 95 mmm L'allongement du trajet optique permet d'a- voir un recul virtuel de l'ordre de 1 m, distance à laquelle on règle la focalisation du faisceau laser Le point exact de focalisation est situé environ au tiers inférieur du champ trapézoïdal, de façon à avoir approximativement la même épaisseur de faisceau en début et en fin de champ On obtient ainsi, en début et en fin de champ, une épais- seur de faisceau de l'ordre de 0,3 mm, cette épaisseur descendant à 0,2 mm au point de focalisation: la profondeur de champ est donc excellente malgré le très faible recul physique du capteur et la très grande étendue du champ laser. On va maintenant décrire la partie détecteur du capteur. La figure 5 montre, de façon schématique, la structure interne de chacun des deux détecteurs 200, qui comportent une glace d'entrée 210 située en vision directe de la trace laser formée par la rencontre du faisceau avec la pièce L'image de cette trace est renvoyée, par un jeu de miroirs 221, 222 vers un bloc analyseur 230 transformant l'image en un signal électronique numérisé et traité par un ensem- ble de circuits désignés par la référence générale 240 avant d'être envoyé, via une liaison 250 vers un système informatique de traite- ment et de reconstitution de l'image Chacun des détecteurs a par exemple des dimensions h x L x 1 de 100 x 100 x 70. Le bloc 230, représenté plus en détail figure 6, comporte essen- tiellement un objectif 231 avec une lentille, un diaphragme et un filtre appropriés, placé devant un organe photoélectrique analyseur dimage 232 tel qu'un DTC (Dispositif à Transfert de Charges) Le réglage de la mise au point se fait par déplacement en translation de l'objectif 231 à l'intérieur de son tube 233 (flèche 234). Selon un aspect particulier de la présente invention, le DTC (ou autre analyseur d'image) est monté basculant autour d'un axe 235 perpendiculaire à l'axe optique A; le mouvement de bascule est illustré par la flèche 236. Ce dispositif de bascule permet, comme illustré figure 7, de com- penser les défauts de focalisation dus à la proximité du capteur et de l'objet En effet, deux points A et B d'un objet situés au même niveau par rapport à l'horizontale vont produire des images en A' et B', res- pectivement, le point le plus éloigné A produisant une image en avant du plan focal normal P du capteur (c'est-à-dire le plan focal perpendiculaire à l'axe optique A), le point le plus proche la produi- sant en arrière de ce même plan focal. Le dispositif de bascule est destiné, précisément, à compenser cette anomalie en ramenant le DTC dans un plan P' contenant les points A' et B' Cette compensation a pour effet d'accroître la profon- deur de champ globale du système optique, puisque l'on compense le défaut de focalisation correspondant. Pour une inclinaison cx (figures 1 et 7) de l'axe optique de 450 par rapport à la verticale, la bascule optimale f 3 est de l'ordre de 70, cette valeur dépendant en fait de la lentille, de la taille du DTC et de la dimension du champ et de divers autres paramètres. Sur les figures 8 à 10, on a illustré un autre aspect de l'invention, relatif à l'analyse du signal délivré par le DTC 232. La figure 8 montre, de façon schématique, le signal (analogique) vidéo V(t) délivré pour chaque ligne de balayage du DTC avec, entre deux impulsions de synchronisation, un signal dont l'amplitude varie en fonction de l'énergie lumineuse reçue; ce signal représente, en fait, la trace du faisceau laser. Le but du circuit est de déterminer, par rapport au début de la ligne, la position de la trace laser, c'est-à-dire celle du pic d'énergie correspondant à la trace (ou, en d'autres termes, la valeur a repré- sentant le temps écoulé depuis l'impulsion de synchronisation de ligne du signal vidéo) La difficulté vient de ce que, en pratique, la trace ne se présente pas sous la forme d'un pic abrupt, mais pré- sente un certain étalement dû à l'obliquité de l'incidence du faisceau par rapport à la pièce, aux phénomènes de diffraction, à des pertur- bations diverses, etc. Plusieurs techniques ont été proposées pour déterminer de façon univoque la position correspondante de la trace. On peut par exemple fixer un seuil T et décider que la position de la trace correspondra à l'instant situé à mi-chemin entre les deux instants de franchissements, respectivement dans un sens et dans l'autre, de ce seuil Cette technique suppose cependant que l'étale- ment du signal est à peu près symétrique, et, d'autre part, est diffi- cile à mettre en oeuvre en raison du caractère très variable du seuil à prévoir. Une autre technique consiste à différencier le signal vidéo et à décider que la position de la trace correspond à l'inversion de signe du signal dérivé Cette technique, comme dans le cas précédent, a pour inconvénient de présupposer que l'étalement du signal est sen- siblement symétrique, et présente en outre l'inconvénient supplé- mentaire, propre à tout traitement de signal impliquant une diffé- renciation, de venir amplifier les effets du bruit et des perturbations diverses. L'invention propose de procéder par une autre technique, consis- tant essentiellement à intégrer le signal vidéo et à décider que la po- sition de la trace correspond au milieu d'énergie du signal vidéo, c'està-dire à l'endroit pour lequel (cf figure 10 a) les aires 51 et 52 sont égales. Cette technique a comme premier avantage de présenter une excellente immunité au bruit, du fait de l'intégration. En outre, elle peut être mise en oeuvre par un circuit électroni- que extrêmement simple, que l'on a illustré figure 9. Ce circuit comprend essentiellement un étage intégrateur 241 recevant en entrée le signal vidéo V(t) (ligne (a) du chronogramme de la figure 10) et délivrant en sortie un signal intégré S(t) = | V(t) (l'intégrateur est remis à zéro par l'impulsion de synchronisation de ligne du signal vidéo). Ce signal S(t) est appliqué à deux branches distinctes 242 et 243. La branche 242 comporte un simple diviseur de tension délivrant en sortie un signal S(t)/2 d'amplitude moitié du signal S(t) La branche 243 comporte une ligne à retard, de préférence une ligne à retard programmable, retardant d'une durée t le signal S(t), qui devient alors en sortie S(t-t) Les deux signaux ainsi obtenus, qui sont illus- trés respectivement sur les lignes (b) et (c) du chronogramme de la figure 10, sont alors appliqués aux deux entrées respectives d'un comparateur 244 qui va alors basculer à l'instant auquel (à t près) S(t)/2 = S(t-T), c'est-à-dire pour lequel les aires 51 et 52 sont égales. La ligne (d) du chronogramme de la figure 10 montre le signal Z (t) en sortie du comparateur 244. Le retard X de la ligne à retard 243 est choisi de manière à être au moins égal au plus large signal vidéo représentatif de la trace laser que l'on soit susceptible de rencontrer, c'est-à-dire qu'il doit être choisi en fonction de l'étalement maximal prévisible de la trace. En général, une valeur de 50 à 100 ns est satisfaisante à cet égard. REVENDICATIONS 1 Un capteur optique de formes tridimensionnelles, comportant une source laser produisant un faisceau plan lamellaire ( 4) illumi- nant la surface d'un objet ( 2) de manière à produire sur ce dernier une trace lumineuse incidente ( 5) curviligne analysée par au moins une caméra vidéo produisant une information convertie en données numériques représentatives de coordonnées de pixels, caractérisé par une boîte à lumière ( 100) comprenant, dans un même boîtier placé au-dessus de l'objet à analyser et à faible dis- tance de celui-ci: ladite source laser ( 110), produisant un faisceau rectiligne col- limaté, des moyens optiques ( 120) pour transformer ce faisceau recti- ligne en un faisceau plan lamellaire, et des moyens d'allongement du trajet optique du faisceau ( 140), comprenant deux miroirs plans fixes ( 142, 143), disposés en vis-à-vis de manière à produire une pluralité de réflexions entre un point d'entrée ( 141) et un point de sortie ( 144) du faisceau, de manière à compenser le faible recul matériel entre le boîtier et l'objet par un recul optique virtuel et accroître ainsi corrélativement la profondeur de champ de la région utile ( 7) du faisceau plan lamel- laire en sortie du boîtier. 2 Le capteur de la revendication 1, dans lequel les points d'entrée et de sortie ( 141, 144) comprennent des moyens optiques de réglage d'incidence de faisceau, de manière à ajuster le nombre de réflexions entre les deux miroirs en vis-à-vis. 3 Le capteur de la revendication 1, dans lequel les moyens opti- ques ( 120) pour transformer le faisceau rectiligne en un faisceau plan lamellaire sont des moyens statiques. 4 Le capteur de la revendication 1, comprenant en outre au moins un bloc détecteur ( 200) attenant à la boîte à lumière et pourvu d'un organe photoélectrique analyseur d'image ( 232) et de moyens formant objectif ( 231), placés devant cet organe analyseur d'image. Le capteur de la revendication 4, comprenant en outre des moyens de bascule relative de l'organe analyseur d'image par rap- port aux moyens formant objectif. 6 Le capteur de la revendication 4, comportant en outre un cir- cuit électronique d'extraction de l'information représentative de la position de la trace du faisceau laser sur chaque ligne d'image déli- vrée par l'organe analyseur d'image, ce circuit comprenant: un étage intégrateur ( 241), recevant en entrée un signal élec- trique représentatif de l'intensité lumineuse reçue, variant en fonction de la position considérée sur la ligne analysée, et déli- vrant en sortie un signal, croissant, représentatif de l'énergie lumineuse cumulée reçue, un étage diviseur ( 242), recevant en entrée le signal d'énergie délivré par l'étage intégrateur, un étage à retard ( 243), recevant en entrée le signal d'énergie délivré par l'étage intégrateur, et un étage comparateur ( 244), recevant sur chacune de ses en- trées les signaux de sortie respectifs de l'étage diviseur et de l'étage à retard, le basculement de cet étage comparateur défi- nissant, au cours du balayage de la ligne d'image, la position du milieu de la trace du faisceau laser.