Brevet FR2688642A1 — publié le 19930917

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Une autre approche consiste à utiliser une chappe confocale, dans laquelle l'éclairage est également focalisé à la même hauteur de prise de vue de l'image, et de cette façon la majorité des informations qui ne sont pas focalisées est rejetée Pour obtenir l'image de l'objet entier, il faut balayer toute la hauteur, ce qui impose des limites importantes au type d'éclairage utilisable. Un autre procédé implique l'utilisation d'un microscope électronique à balayage (SEM) qui nécessite une préparation complexe de la plupart des objets ainsi qu'un équipement coûteux. Dans le cas des mesures de profils par laser, toutes les informations non-dimensionnelles telles que la texture, la couleur, etc sont perdues. La présente invention supprime dans une large mesure les inconvénients des dispositifs et des procédés d'imagerie existants. Le nouveau système est conçu pour reconstruire l'image d'objets non-plans qui ne subiront pas les limitations ci-dessus. RESUME DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif et un procédé de formation d'une image à haute résolution d'un objet tri-dimensionnel L'objet est balayé de manière à obtenir des images de section définie, couvrant la surface totale de l'objet, au moyen d'un réseau linéaire d'éléments photosensibles, l'évaluation des images consécutives, à des niveaux légèrement différents étant effectuée, en prenant en compte le retard entre ces images pour reconstruire une image de l'objet dans sa totalité. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de formation d'une image à haute résolution d'un objet non-plan qui consiste à former une image de l'objet au moyen d'un système optique, à balayer l'objet par échelons au moyen d'une matrice linéaire de détection afin de couvrir la hauteur totale de l'image, chaque "tranche" d'image étant focalisée pour l'altitude de la prise d'image, l'application des informations focalisées à un sélecteur d'images, qui évalue les images vidéo en tenant compte du retard entre les "tranches" consécutives, en sélectionnant les informations "focalisées" et en additionnant la totalité des informations créées par le balayage, pour créer l'image désirée. L'invention concerne en outre un système de formation d'une image à haute résolution d'un objet non-plan qui comprend des moyens optiques de formation d'une image de la totalité de l'objet à représenter, une matrice de détection constituée de plusieurs lignes de détecteurs CCD, un moyen pour balayer la totalité du volume de l'objet par échelons, chaque échelon couvrant une tranche en définissant une certaine altitude afin que la somme de celles-ci couvre la surface totale de l'objet, un sélecteur d'image pour sélectionner les images contenant un maximum d'informations focalisées en comparant des tranches adjacentes, et un moyen pour créer ainsi l'image tri-dimensionnelle désirée. Les caractéristiques de principe sont décrites ci-dessous. L'invention est illustrée en référence à un système dans lequel un objet relativement petit est utilisé pour obtenir une image agrandie de l'objet On peut égalemnt choisir, uniquement en fonction de la dimension de l'objet, si cet agrandissement est nécessaire ou non On va définir un volume dans lequel les objets (ou les parties des objets) sont inclus Cec sera le "Volume d'observation". On obtient une image de ce volume au moyen d'un dispositif optique et donc on crée un Volume Image (dans lequel est inclue l'image de l'objet). Une matrice de détection est déplacée de manière que chaque rangée de détecteurs linéaires balaie la totalité du Volume Image chacune à un niveau différent Ceci peut être obtenu soit par un mouvement de la matrice, soit par une modification du dispositif optique qui déplacera le Volume Image traversalement par rapport à la matrice de détection. Si la matrice est constituée de N lignes de détecteurs, N images du Volume Image sont formées par ces N lignes. Chaque image est focalisée à une certaine hauteur du Volume Image et, par conséquent, contient des informations vidéo focalisées des objets se trouvant dans la "Tranche d'Altitude" de ce volume (La matrice de détection est construite de façon que les N tranches d'altitude occupent la totalité du Volume Image) Chaque image contient également des informations non focalisées au voisinage des autres "tranches" Au fur et à mesure de leur formation, les informations vidéo sont traitées et une image combinée est créée qui comprend des éléments d'informations vidéo focalisées contenues dans les N images. L'invention va être illustrée en référence à un certain volume défini, dans lequel est confiné l'objet tri-dimensionnel dont on souhaite obtenir l'image Il est prévu une matrice de détecteurs qui balaient une image de l'objet créé par des moyens optiques (lentilles ou système de lentilles) Ceci est obtenu grâce au mouvement relatif de la matrice par rapport à l'image, ou par des variations des paramètres de l'optique, ou par un mouvement de l'objet Si on utilise un réseau linéaire horizontal de capteurs (tels que des éléments photosensibles) pour balayer l'objet afin que chaque balayage donne une image de la section horizontale rectangulaire étroite de la surface de l'objet, à ce niveau donné, et si ces balayages sont répétés pour couvrir successivement la totalité de la surface, il est possible, grâce à des moyens appropriés, tels qu'un sélecteur d'images, et en ne retenant que les parties de chaque image qui sont focalisées, d'obtenir une image à haute résolution Le ou les réseaux sont orientés sous un certain angle par rapport au plan horizontal Il est possible d'utiliser un réseau de ce type, et il est également possible d'utiliser plusieurs réseaux linéaires horizontaux pour effectuer de tels balayages Par la suite, chacun de ces rectangles étroits sera désigné sous le nom de "ligne de balayage" Si la totalité de la matrice comprend N lignes de détecteurs, N images du Volume Image sont formées Chacune des images est focalisée à un certain niveau (hauteur) du Volume Image, et contient ainsi des informations focalisées de la partie de l'objet qui se trouve dans cette "tranche de niveau" du volume Chacune des images contient également des informations non focalisées voisines d'autres "tranches", et également des informations non focalisées au voisinage de n'importe quelle partie de la "tranche" du niveau donné qui n'est pas focalisée Les images des "tranches" consécutives sont comparées, en ajustant le retard des images consécutives, lorsqu'un seul réseau linéaire est utilisé pour des balayages répétés, et ces images sont évaluées et traitées pour obtenir une image combinée de la totalité de l'objet. L'invention est illustrée en se référant aux dessins schématiques annexés qui ne sont pas à l'échelle, et dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un système selon l'invention; la figure 2 est une vue latérale et une vue frontale, respectivement, illustrant les principes de fonctionnement du système de l'invention; la figure 3 est un schéma de principe illustrant le sélecteur de l'invention; la figure 4 est un schéma de principe de l'unité décisionnelle de l'invention; la figure 5 est une vue en perspective illustrant les caractéristiques principales du système de l'invention; la figure 6 est une illustration d'une forme de réalisation de l'invention, indiquant son mode de fonctionnement dans le cas d'un objet défini et d'un système d'imagerie défini; et la figure 7 est un diagramme des signaux en fonction du temps. Comme représenté sur la figure 1, un objet non-plan il est contenu dans un volume d'observation 12 Au-dessus de l'objet 11 se trouve un système d'imagerie optique, dans ce cas particulier un agrandisseur 13, qui forme une image de l'objet, comme indiqué sur la figure 5, au-dessus de l'agrandisseur 13 qui est balayé, ligne à ligne, au moyen du dispositif de balayage (scanner) 14, qui comprend une pluralité de réseaux linéaires de photodétecteurs, en général des CCD, comme représenté en 15 sur la figure 1, et dont les signaux de sortie sont appliqués à un sélecteur d'image 18 qui délivre une sortie vidéo 19. Les détails du processus de balayage sont indiqués sur la figure 5, dans lequel l'objet 21 et le volume 22 dans lequel il est contenu sont balayés par le réseau linéaire 23 comprenant une pluralité d'éléments photosensibles 24, le balayage étant effectué de manière que les niveaux Ll à L 5 soient balayés par les réseaux 23 ( 1) à 23 ( 5). L'objet est placé par rapport à l'élément optique (lentille) 25 de façon à former une image de l'objet 27, laquelle image est balayée plusieurs fois, chaque balayage couvrant un élément rectangulaire étroit, à différents niveaux Ll à L 5, comme représenté sur la figure 2 En réalité, un nombre nettement plus grand d'images partielles est créé Chaque réseau linéaire comprend un grand nombre d'éléments photosensibles 29, de façon à obtenir une image précise des éléments partiels du niveau donné, qui sont focalisés L'image d'une telle "tranche" est comparée par le sélecteur d'image 18, en tenant compte du fait qu'au moment o un réseau sert à balayer la surface totale, il existe un certain retard entre les niveaux adjacents Les éléments 24 sont disposés sous un certain angle de façon à mieux couvrir la surface, la direction de visée étant indiquée par la flèche 26 sur la figure 2 Le balayage est effectué de manière à couvrir toutes les facettes de l'objet 21 On obtient une haute résolution grâce à l'élément optique, qui peut assurer un grossissement souhaité de l'objet, et dont l'ouverture numérique est choisie en fonction des dimensions de l'objet 21, et en fonction de la résolution souhaitée. Cette image, qui se trouve au-dessus du système de lentille, est balayée par le réseau des éléments électro-sensibles Il est avantageux qu'un tel réseau comporte un grand nombre de détecteurs CCD, et que l'on utilise soit un de ces réseaux linaires, en déplaçant l'objet correspondant d'un niveau au suivant, soit qu'un certain nombre de ces réseaux soit utilisé simultanément ou successivement Des informations vidéo sont créées par chaque balayage d'une tranche rectangulaire étroite ("ligne"), et à chaque ligne l'image est décalée dans le temps, ligne après ligne Les images obtenues à partir des différents balayages diffèrent l'une de l'autre du fait que chaque ligne ne contient qu'une partie de l'image (continue ou non, selon la forme de l'objet), qu'elle est focalisée, c'est-à-dire focalisée au niveau donné; si bien qu'au moment o le balayage de la totalité de la surface est terminé, on obtient un certain nombre d'images vidéo, dont chacune est partiellement focalisée, tandis que dans les autres images, les mêmes zones ne sont pas focalisées. Les images ainsi obtenues sont appliquées à un sélecteur d'image 18 qui sert à comparer les lignes image dès qu'elles sont reçues sous forme d'informations vidéo, en provenance de chaque ligne de matrice (compte tenu du retard entre les balayages des lignes adjacentes), et qui sélectionne des parties de l'image qui sont chacune focalisées, en rejetant d'autres parties de l'image vidéo de la même ligne de l'objet correspondant à des fréquences vidéo très élevées, et sélectionne également l'image la plus proche d'un extremum d'intensité, soit du noir, soit du blanc Les informations sont convenablement pondérées, en signalant les parties de chaque ligne matricielle qui est focalisée pour la ligne (niveau) donnée de l'objet. Construction de la matrice La construction de la matrice est déterminée en tenant compte des considérations suivantes: les dimensions prévues de l'objet dans le plan X, Y, les variations des dimensions de l'objet le long de l'axe Z dans la zone observée, ces contraintes délimitent le "Volume d'observation", qui est transformé par l'agrandisseur et le système de balayage en un volume virtuel d'observation dont les dimensions peuvent être agrandies un certain nombre de fois par rapport au Volume Objet original Ce volume virtuel d'observation est balayé par la Matrice de détection. La résolution angulaire souhaitée définit l'Ouverture Numérique de l'agrandisseur (et également la longueur d'onde) Ceci définit, à son tour, la profondeur focale Zd pour la résolution voulue. Zo N = Zd o Zo est la dimension verticale du volume d'observation et Zd est la profondeur focale. La longueur de la ligne de détection est déterminée par la largeur instantanée de la zone à observer et par la vitesse de balayage. L'espacement horizontal entre les lignes doit être aussi faible que possible, et est défini par les dimensions physiques de la ligne du détecteur Cette distance détermine le retard entre le balayage du même point de l'objet par deux lignes adjacentes. Il n'est pas possible de décider parmi ces deux lignes (ou des parties correspondantes de ces lignes) laquelle est la mieux focalisée avant la ligne suivante et donc la vidéo formée par chaque ligne (sauf la dernière) doit être stockée jusqu'à ce que la sortie de la ligne suivante soit examinée et qu'une décision soit prise. Sélecteur Le sélecteur peut être réalisé par un matériel, un logiciel ou une combinaison des deux et sera donc défini uniquement par son algorithme. La -figure 3 représente le schéma de principe du sélecteur. Au fur et à mesure de l'arrivée des données (sous forme numérique ou vidéo) provenant des lignes de détection, chaque partie de ces données est comparée aux données créées par la ligne précédente au moment o elle balayait le même point de l'objet. Les données de la ligne précédente sont retardées d'une valeur "Retard 1 + Retard 2 " qui est égale au retard total entre deux lignes. L'unité décisionnelle compare chaque partie de ces deux lignes et commande le commutateur du sélecteur de manière à sélectionner la sortie de la ligne la mieux focalisée Les flux de données arrivant au commutateur du sélecteur sont retardés d'une valeur correspondant au Retard 1, qui est égale au retard de l'Unité Décisionnelle. La sortie du commutateur du sélecteur est retardée d'une valeur égale au Retard 2 avant d'être envoyée à l'unité décisionnelle et au commutateur du sélecteur suivant La sortie du dernier commutateur du sélecteur (N-1) est la sortie du sélecteur. La figure 4 décrit le fonctionnement de l'unité décisionnelle. Les deux signaux arrivent à l'unité décisionnelle par les lignes d'entrée A et B Chaque ligne est traitée de la manière suivante (pour mesurer sa teneur en haute fréquence et son intensité): Une constante de valeur - Cl est ajoutée et on prend la valeur absolue (ABS) du signal (la constante -Ci élimine la composante en courant continu du signal vidéo). Le signal traverse un filtre passe-haut et on garde la valeur absolue. Ces valeurs sont multipliées respectivement par les constantes C 2 et C 3. Les sorties de ces multiplicateurs sont ajoutées. Les résultats des deux signaux traités sont comparés et on choisit la valeur la plus élevée. Si les deux lignes donnent le même résultat, le commutateur restera dans sa position antérieure Ceci peut se produire pour différentes raisons: La zone de l'objet est uniforme. Les deux lignes ne sont pas focalisées. Dans les deux cas, il importe peu de choisir une ligne ou l'autre. La vitesse de changement de position du commutateur du sélecteur est déterminée par les poids relatifs C 2 et il C 3 et par la largeur de bande du filtre passe-haut. Un algorithme semblable peut être réalisé lorsque la sélection des lignes est basée non seulement sur la qualité de focalisation monodimensionnelle, le long de la ligne telle qu'elle est mesurée par les réseaux de l'unité décisionnelle, mais sur une qualité de focalisation bi-dimensionnelle, les pixels correspondants de chaque ligne, d'après leurs positions précédentes, étant aussi pondérés par des réseaux semblables, et la ligne résultante la plus élevée est alors sélectionnée parmi ces lignes voisines. EXEMPLE En prenant comme Volume d'observation (Xo, Yo, Zo) - 0,5 x 0,5 x 0,5 mm, on va observer des objets qui sont contenus à l'intérieur de ce volume avec une résolution de 4 jim. A Détermination du nombre N de lignes Cette résolution impose une ouverture numérique (N.A) d'au moins 0,2 La profondeur de champ (Zd) dans ces conditions est d'environ 10 pim Ceci signifie que pour couvrir la totalité de la dimension verticale (Zo) du Volume d'Observation, il faudra utliser: Zo 500 N = = 50 Zd 10 N = 50 lignes B Détermination du grossissement Les dimensions typiques d'un unique élément d'image (Pixel) dans les réseaux CCD disponibles sont d'environ 10 x 10 j Jm. Ceci signifie que pour obtenir la résolution voulue, il faut grossir l'objet avec un rapport M. M = 1,5 x = 4 (Un élément de résolution mesure 1,5 pixel). C Construction de la matrice Les dimensions du Volume Image seront: Zo = 42 X 0,5 = 8 mm Xo = 4 x 0,5 = 2 mm Yo = 4 x 0,5 = 2 mm L'espacement vertical entre deux lignes adjacentes sera: 42 x 10 = 160 jm La longueur de chaque ligne est, comme indiqué, égale à 2 mm, et en divisant par les dimensions d'un pixel, on obtient n, c'est-à-dire le nombre de pixels dans chaque ligne: N = 200 On construit une matrice de détection de N = 50 lignes (comprenant chacune 200 pixels) espacées de 320 gm. Cette matrice sera inclinée de 300 (par rapport au plan X, Y) et on obtiendra ainsi un espacement vertical de pm. D Vitesse de balayage Si la vitesse de l'horloge du CCD est de 20 M Hz, il faudra synchroniser la totalité des 200 pixels de chaque ligne en to = 10 js to = x 200 = 10 js (M Hz) Ceci signifie que toutes les 10 jis, on peut déplacer la matrice de détection d'un pixel le long de l'image. L'image totale balayée par la matrice est déterminée par la longueur Xo du Volume Image et par la projection de la matrice de détection dans le plan XY. Dans le cas particulier, on obtient: 2 + ( 320 x 50 x cos 300) = 15,9 mm Le nombre d'échelons est: Vitesse de balayage 15900 à_____________à = 1590 Dimension d'un pixel 10 Et la période de balayage est égale à: 1590 x 100 = 15900 jis (Vitesse de balayage sensiblement égale à 63 Hz). E Traitement La sortie de chaque ligne est un signal vidéo continu dont l'amplitude varie entre O et 1 volt Le spectre de ce signal (défini par la texture spatiale et la forme de l'objet et limité par la résolution du CCD) est limité par la vitesse d'horloge du CCD. On va utiliser dans l'Unité Décisionnelle des Filtres Passe-Haut ayant une fréquence de coupure de M Hz et une perte de 6 d B par octave au-dessous de cette fréquence Le retard des Unités Décisionnelles sera de 0,4 j Ds Les "Retard 1 " et "Retard 2 " seront les suivants: "Retard 1 " = "Retard du sélecteur" = 0,4 jis et "Retard 1 " + "Retard 2 " = "Durée d'une Ligne" = 10 js Donc "Retard 2 " = 9,6 js. On va choisir Cl = C 2 = C 3 = 0,5 F Formation de l'image d'une cible ponctuelle On va considérer une cible qui est un point noir ayant des dimensions minimales (par exemple, une bille noire de 4 jm de diamètre) qui est suspendu au centre du Volume d'Observation devant un fond blanc. La figure 7 représente les différents étapes des signaux provenant des lignes 24 et 25 qui sont traités et sélectionnés par le sélecteur défini sur les figures 3 et 4 (avec les paramètres indiqués dans l'exemple). G Lianes vidéo Les sorties des lignes CCD 24 et 25 sont représentées à l'instant commençant à 7950 après le début du balayage (Etant donné que l'unique point intéressant se trouve au centre du Volume d'Observation, les deux lignes considérées se trouvent sur et immédiatement au-dessus du centre, ce sont les lignes 24 et 25 et le point intéressant se situe au milieu de la durée du balayage) On voit que la ligne 23 "voit" la cible à 7935 jas, mais que la cible est floue et de faible intensité La ligne 25 voit une cible puissante et bien définie à 7965 jis. H Entrées dans l'Unité Décisionnelle Les signaux appliqués à l'Unité Décisionnelle 24/25 sont: Sur l'entrée A le signal de la ligne 25 Sur l'entrée B le signal de la ligne 24 mais retardé de 10 js. I Signaux aux entrées du comparateur Les deux signaux arrivant aux Unités Décisionnelles sont traités de la même manière. l'addition de -Cl, la formation de la valeur absolue et la multiplication de cette valeur par C 2, ajoutent au signal une composante continue d'une valeur de 0,25 V. (L'impact sur l'image à l'instant 7965 est faible). Le filtrage Passe-Haut, en déterminant de la valeur absolue et en la multipliant par C 3 supprime le signal arrivant à l'entrée 3 (en provenance de la ligne 24) et garde un signal puissant provenant de la ligne 25 (non modifiée) Les deux signaux arrivant sur ces entrées sont légèrement retardés. J Sortie de l'Unité Décisionnelle Lorsque les signaux appliqués aux entrées du comparateur sont nettement différents (dans le cas particulier immédiatement après 7965 jis) le comparateur change d'état et sélectionne la ligne 25. K Entrées dans le commutateur du sélecteur Les signaux vidéo arrivant au Commutateur du Sélecteur 24/25 sont les mêmes signaux qui proviennent de l'Unité Décisionnelle 24/25, seulement retardés du Retard 1 lequel est égal au retard de l'Unité Décisionnelle. A l'instant o les signaux du point cible arrivent à ces entrées, le comparateur a déjà changé d'état et le signal venant de la ligne 25 est sélectionné et transmis à l'Unité Décisionnelle suivante. L Unité Décisionnelle suivante La même procédure est répétée entre la ligne 25 et la ligne 26, la ligne 26 passe seulement sous le point cible, et le signal se trouve à nouveau flou et faible et par conséquent le signal sortant du Commutateur du Sélecteur 25/26 est le signal de la ligne 25 (là encore retardé de 10 J Is). REVENDICATIONS 1 Procédé pour la formation d'une image à haute résolution d'un objet non-plan qui comprend la formation d'une image de l'objet par un système optique, le balayage de l'objet par échelons au moyen d'une matrice linéaire de détection de manière à couvrir la hauteur totale de l'image, chaque "tranche" d'image étant focalisée pour l'altitude de la prise d'image, l'application des informations focalisées à un sélecteur d'image qui évalue les images vidéo en tenant compte du retard entre des "tranches" consécutives, la sélection des informations "focalisées" et l'addition de la totalité des informations créées par le balayage, en formant l'image désirée. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le système optique agrandit l'objet original non-plan, en formant une image agrandie de cet objet. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'unité décisionnelle du sélecteur compare les informations de deux lignes adjacentes, et sélectionne la ligne la mieux focalisée. 4 Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel l'unité décisionnelle obtient la sortie de deux lignes, A et B, élimine la composante en courant continu du signal vidéo, qui a traversé un filtre passe-haut, détermine la valeur absolue et traite les sorties en sélectionnant la valeur la plus élevée. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la matrice de détection est déplacée de manière que chaque ligne de détecteurs linéaires balaie la totalité du volume de l'image à des niveaux différents, ou dans lequel le dispositif d'imagerie optique est modifié pour déplacer la totalité du volume image transversalement par rapport à la matrice de détection. 6 Modification du procédé selon la revendication 1, dans laquelle la formation de l'image à haute résolution de l'objet est basée sur une sélection de lignes effectuée d'après la qualité de la focalisation bi-dimensionnelle. 7 Système pour former une image à haute résolution d'un objet non-plan qui comprend des moyens optiques de formation d'une image de la totalité de l'objet à représenter, une matrice de détection comprenant plusieurs lignes de détecteurs CCD, des moyens de balayage de la totalité du volume de l'objet par échelons, chaque échelon couvrant une tranche correspondant à une certaine altitude de manière que la somme de ces tranches couvre la totalité de la surface de l'objet, un sélecteur d'image pour sélectionner les images contenant un maximum d'informations focalisées en comparant des tranches adjacentes, et des moyens pour créer ainsi l'image tri-dimensionnelle souhaitée. 8 Système selon la revendication 7, dans lequel les moyens optiques d'imagerie obtiennent une image agrandie de l'objet. 9 Système selon la revendication 7 ou 8, dans lequel des moyens sont prévus pour décaler l'image de chaque ligne dans le temps, afin de tenir compte de l'instant réel du balayage. Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant une unité décisionnelle recevant en entrée les signaux de deux lignes, des moyens pour traiter chaque ligne (signal) avec des moyens pour ajouter une certaine constante, des moyens pour déterminer la valeur absolue de la somme ci- dessus, des moyens pour multiplier cette somme par une constante (poids C 2), des moyens pour faire passer chaque signal par un filtre passe-haut, des moyens pour déterminer la valeur absolue de la sortie du filtre et multiplier cette valeur par une autre constante, un poids C 3, des moyens pour ajouter les résultats des multiplications, des moyens pour comparer les signaux traités et des moyens pour sélectionner le signal ayant la valeur la plus élevée.