Brevet FR2748322A1 — publié le 19971107

La présente invention concerne un dispositif optoélectronique de triangulation spatiochromatique destiné à la numérisation sans contact et en temps réel de la surface d'objets quelconques. L'essor croissant de la numérisation de maquettes et de modèles en vue d'un traitement ultérieur des mesures en CAO ainsi que de la numérisation d'objets industriels à des fins de contrôles qualité dimensionnels en cours et/ou en fin de fabrication sur des lignes de production de séries imposent de rechercher de nouveaux procédés optoélectroniques de numérisation capables de saisir tout ou partie de la surface d'un objet avec une résolution compatible avec les performances des moyens actuels de fabrication, à savoir meilleure que le centième de millimètre, voire quelques micromètres, et ce quasiment sur tous les types de matériaux. L'analyse de lEtat de l'Art en Métrologie 3D montre la grande diversité des principes optiques proposés dont les principaux sont la stéréophotogramétrie, la mesure du temps de vol, I'autofocus dynamique, les moirés et la triangulation en éclairage structuré. Cette dernière connaît différents modes de mise en oeuvre parmi lesquels on citera la projection d'un point ou d'une ligne, le codage de phase en pas à pas ou glissant et plus récemment la triangulation spatiotemporelle. La présente invention propose un principe optique nouveau de numérisation sans contact par codage spectral de l'espace de mesure appliqué à la triangulation en éclairage structuré. La présente invention a pour objet un dispositif opto-électronique de triangulation spatiochromatique destiné à la numérisation sans contact et en temps réel de la surface d'objets quelconques, caractérisé en ce qu'il comporte: . Une voie d'éclairage permettant d'illuminer l'objet sous examen selon un plan de coupe (x,z), et constituée: - d'une source lumineuse polychromatique, - d'un élément disperseur, prisme ou réseau de diffraction produisant un ensemble de pinceaux lumineux monochromatiques correspondant à l'éclatement spectral du pinceau incident issu de la source polychromatique, - de moyens de focalisation du spectre ainsi généré dans l'espace de mesure, lequel est ainsi codé chromatiquement selon les deux directions x et z, conformément à une représentation cartésienne dans laquelle la direction y est perpendiculaire au plan de coupe (x,z) considéré. . Une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par l'objet, et constituée: - d'une optique afocale télécentrique de grande profondeur de champ et formant l'image de la coupe (x,z) de l'objet sur la fente d'entrée orientée selon l'axe x d'un spectrographe imageur, - dudit spectrographe imageur qui fournit en son plan image une représentation (x,A) de la coupe (x,z) de l'objet sous examen, du fait du codage chromatique (X) produit par la voie d'éclairage, - d'un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel placé dans le plan image du spectrographe imageur pour capter la représentation (x,A) de la coupe (x,z). . Des moyens mécaniques de translation/rotation de l'objet sous examen respectivement selon la direction (y) perpendiculaire au plan de coupe ainsi que autour des axes o et (p, associés à leurs moyens électroniques de pilotage et de synchronisation, permettant d'observer successivement l'ensemble des plans de coupe nécessaires à l'examen et/ou à la restitution 3D de l'objet. Des moyens électroniques et informatiques d'enregistrement, de traitement et de visualisation des résultats. Des modes de réalisation préférés du dispositif optoélectronique de triangulation spatiochromatique objet de l'invention sont décrits ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: . la figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, .la figure 2 représente une reconstitution tridimensionnelle de la surface d'un objet par juxtaposition de plans de coupe successifs parallèles entre eux. Le dispositif représenté figure I fonctionne de la façon décrite ci-après: . La source lumineuse (10) polychromatique et à spectre continu éclaire au moyen d'une optique de focalisation (11) la fente source (12). . Le réseau de diffraction (13) de forme concave produit un continuum d'images monochromatiques (14) de la fente source (12) créant ainsi un codage chromatique de l'espace de mesure (15) selon un plan de coupe (x,z). L'objet à mesurer est situé pour tout ou partie à l'intérieur de l'espace de mesure (15) et est rendu solidaire d'un ensemble de tables motorisées (16) pilotées par le module électronique (17) de contrôle-commande et de synchronisation et permettant dans sa fonction principale et la plus élémentaire le déplacement relatif du plan de coupe (x,z) par rapport à l'objet suivant une direction y perpendiculaire à (x,z). . L'optique afocale télécentrique (18) de grande profondeur de champ projette l'image de la coupe (x,z) de l'objet sur la fente d'entrée (19) d'un spectrographe imageur (20) lequel forme dans son plan image une représentation (x,) de la coupe (x,z) d'objet ainsi observé. . Le détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (21) placé dans le plan image du spectrographe imageur (20) fournit à l'aide de son électronique de pilotage une image instantanée de la coupe observée. . Les moyens électroniques et informatiques (22) permettent l'acquisition et le traitement des signaux ainsi que le calcul pour chaque point xi de l'altitude zi correspondante au moyen de tableaux de conversion des Ai en zi lesquels tableaux sont préétablis au cours de la calibration du dispositif. La figure 2 représente la reconstitution tridimensionnelle de la surface d'un objet par juxtaposition de plans de coupe successifs parallèles entre eux. La source lumineuse polychromatique (10) peut être par exemple choisie parmi les sources suivantes correspondant à différents modes préférés de réalisation de l'invention: - une source à incandescence - une lampe à Arc donnant un spectre continu et relativement uniforme sur une large bande spectrale, telle qu'une lampe à Arc au Xénon, utilisée en mode continu ou en mode flash, - une ou plusieurs sources couplées de type diode électroluminescente ou superradiante. Selon un autre mode de réalisation, le réseau concave de diffraction (13) de la voie d'éclairage peut être avantageusement remplacé par une lentille diffractive. Selon un autre mode de réalisation l'optique afocale télécentrique peut être avantageusement remplacée par un objectif d'imagerie classique avec adjonction d'un transport pupillaire placé devant la fente (19) d'entrée du spectrographe imageur. REVENDICATIONS I - Dispositif optoélectronique de triangulation spatio-chromatique destiné à la numérisation en temps réel et sans contact de la surface d'objets quelconques caractérisé en ce qu'il comporte: - une voie d'éclairage permettant d'illurniner l'objet sous examen selon un plan de coupe (x,z) et constituée . d'un bloc source incluant une source lumineuse polychromatique et à spectre continu (10), éclairant au moyen d'une optique de focalisation (11) une fente source (12) . d'un réseau concave de diffraction (13) produisant un continuum d'images monochromatiques (14) de la fente source, créant ainsi un codage chromatique de l'espace de mesure (15) selon un plan de coupe (x,z) - une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par les points de la surface de l'objet situés dans le plan de coupe (x,z) illuminé par la voie d'éclairage et constituée: . d'une optique afocale télécentrique (18) de grande profondeur de champ permettant de projeter l'image de la coupe (x,z) de l'objet sur la fente d'entrée (19) d'un spectrographe imageur (20) ladite fente étant orientée parallèlement à l'axe x . dudit spectrographe imageur (20) qui fournit en son plan image une représentation (x,) de la coupe (x,z) de la surface de l'objet sous examen et ce du fait du codage chromatique produit par la voie d'éclairage . d'un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (21) placé dans le plan image du spectrographe imageur et délivrant à l'aide de son électronique de pilotage une image instantanee de la coupe observée - des moyens mécaniques (16) de translation et de rotation de l'objet sous examen respectivement selon la direction (y) perpendiculaire au plan de coupe et autour des axes (x) et (y) afin d'observer séquentiellement l'ensemble des plans de coupe nécessaires à l'examen 3D de tout ou partie de la surface de l'objet - des moyens électroniques (17) de pilotage et de synchronisation des moyens mécaniques de translation et de rotation et de l'ensemble du dispositif - des moyens électroniques et informatiques (22) d'acquisition et de traitement des signaux ainsi que de calcul des altitudes z, au moyen des tableaux de conversion des Xj observés en zi réels résultant d'une calibration initiale du dispositif. II - Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que la source lumineuse polychromatique et à spectre continu (10) est réalisée par couplage optique de plusieurs sources élémentaires à spectre étroit. III - Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que le réseau concave de diffraction (13) est remplacé par une lentille diffractive. W -Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que l'optique afocale télécentrique est remplacée par un objectif d'imagerie classique.