Brevet FR2807830A1 — publié le 20011019

Dispositif d'acquisition d'une forme tridimensionnelle par voie optoélectronique L'invention concerne un dispositif d'acquisition d'une forme tridimensionnelle par voie optoélectronique, du type décrit dans la demande antérieure W0-99/64816. On connaît, par ce document, un dispositif d'acquisition de formes qui comprend des moyens d'éclairage comportant une source lumineuse polychromatique et une lentille chromatique associee éventuellement à un système optique de grandissement, des moyens de reprise de la lumière réfléchie rétro-diffusée par un objet éclairé, et des moyens d'analyse spectrale de la lumière reprise, associés a des moyens de traitement de l'information. Les moyens d'analyse spectrale sont sur l'axe optique des moyens de reprise de la lumière, tandis que les moyens d'éclairage sont décalés angulairement et éclairent l'objet au moyen d'une lame semi-transparente placée sur l' optique des moyens de reprise de la lumière Ce dispositif connu fonctionne de façon satisfaisante, avec une profondeur de mesure relativement importante et notablement supérieure à celle dispositifs concurrents de la technique antérieure. présente invention a notamment pour but de perfectionner ce dispositif et d'améliorer ses performances. Elle propose, à cet effet, un dispositif pour l'acquisition de la forme tridimensionnelle d'un objet par voie optoélectronique, comprenant une source lumineuse à spectre continu, une fente d'éclairage placée sur l'axe optique en aval de la source, un système optique de formation d'image sur l'objet, un système optique de reprise de lumière réfléchie par l'objet, des moyens d'analyse spectrale de cette lumière et des moyens de traitement de 'information associés aux moyens 'analyse spectrale, caractérisé en ce que lesdits systèmes optiques de formation d'image et de reprise de la lumière sont confondus et formés par un même système optique chromatique et en ce que la lumière réfléchie l'objet et sortant dudit système optique est interceptée par un miroir placé sur l'axe optique entre la fente d'éclairage et ledit système optique est déviée par exemple perpendiculairement à l'axe optique vers une fente d'analyse placée sur l'axe des moyens d'analyse spectrale. Le dispositif selon l'invention présente un certain nombre d'avantages par rapport à la technique connue - la profondeur de champ et la profondeur de mesure sont augmentées ; - le dispositif est moins sensible aux longueurs d'ondes parasites et les mesures sont plus précises. Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir précité constitue un masque interceptant les rayons lumineux émis par la fente d'éclairage sur 'axe optique en direction de l'objet. Ce masque qui intercepte les rayons lumineux centraux, évite d'éclairer un point de la surface de 'objet par un ensemble de rayons lumineux de longueurs d'ondes différentes et facilite la détermination de la position de ce point le long de l'axe optique en l'éclairant avec une seule longueur d'onde. De préférence, le système optique chromatique précité est afocal et un système optique de grandissement, de préférence afocal, est monté sur l'axe optique entre le système optique chromatique et l'objet éclairé. Pour disposer d'une voie d'analyse télécentrique et réduire les zones d'ombre sur l'objet éclairé l'invention prévoit de disposer un masque comprenant un trou circulaire sur l'axe optique pour le passage la lumière réfléchie par l'objet, ce masque étant placé au centre du système optique chromatique précité et comprenant au moins deux orifices latéraux passage de la lumière d'éclairage de l'objet. Pour augmenter le rapport signal sur bruit donc augmenter la précision de la mesure, ou le gain le signal lorsqu'il est faible, l'invention prévoit également de relier les sorties d'un ensemble matriciel de capteurs du type CCD ou analogues faisant partie des moyens d'analyse spectrale, â des moyens de conversion analogique-numérique par filtre passe-bas éliminant les bruits de fréquence elevée sur les signaux analogiques de sortie capteurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, dispositif comprend également des moyens optiques de rotation d'image, placés sur l'axe optique dans une zone traversée par la lumière d'éclairage de l'objet et par la lumière réfléchie par l'objet, ces moyens de rotation d'image étant par exemple prisme de DOVE, qui peut être placé dans le système optique chromatique précité. Par rotation de ce prisme autour de l' optique, on fait tourner autour de l'axe optique le profil de mesure sur l'objet éclairé. Cela permet un balayage en rotation de la surface éclairée de l'objet sans déplacement relatif entre le dispositif d'acquisition et l'objet éclairé, pour l'acquisition d'une forme tridimensionnelle dans un volume de mesure de forme cylindrique qui est défini par la rotation du profil de mesure autour de l'axe optique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique globale d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle simplifiée illustrant le fonctionnement de ce dispositif ; - la figure 3 est une vue de face d'un masque utilisable pour l'obtention d'une voie d'analyse télécentrique ; - la figure 4 est une vue de face d'une variante de réalisation de ce masque ; - la figure 5 représente schématiquement la disposition d'un moyen optique de rotation d'image dans le dispositif selon l'invention. En figure 1, la référence 10 désigne un 'et dont on veut acquérir la forme tridimensionnelle, cet obj étant placé sur l'axe optique 12 d'un dispositif selon l'invention, comprenant une source d'éclairage 14 à spectre continu, reliée par exemple par fibres optiques au foyer d'un système optique 15 formant condenseur focalisant la lumière émise par la source 14 sur une fente d'éclairage 16 placée sur l' optique 12. Cette fente 16 est suivie d'un système optique chromatique 18 qui est ici un système afocal, formé de deux lentilles chromatiques 20 identiques, fente 16 se trouvant au foyer de la première lentille 20. Ce système optique chromatique est suivi d' système optique 22 de grandissement, avantageusement du type afocal. L'objet éclairé 10 se trouve approximativement au foyer de la dernière lentille 24 du système optique de grandissement. Le système optique chromatique 18 forme système de reprise de la lumière réfléchie ou rétro diffusée par la surface de l'objet 10 et un miroir de renvoi est placé sur l'axe optique, entre la fente d'éclairage 16 et la première lentille 20 du système chromatique 18, pour dévier de préférence perpendiculairement à l'axe optique 12 la lumière reprise en direction d'une fente d'analyse 28 placée sur l'axe optique de moyens 30 d'analyse spectrale qui sont associés à des moyens 32 de traitement de l'information. moyens 30 d'analyse spectrale sont par exemple du type décrit dans la demande antérieure W0 99/64816 précitée. Le dispositif qui vient d'être décrit présente l'avantage, par rapport à celui faisant l'objet de la demande antérieure précitée, de ne pas utiliser lames semi-transparentes placées sur l'axe optique pour l'éclairage de l'objet et la reprise du flux lumineux réfléchi ou rétro-diffusé par l'obj l'utilisation d'une lame semi-transparente traduisant nécessairement par la perte d'une majeure partie du flux lumineux réfléchi ou rétro-diffusé l'objet éclairé. Dans le dispositif selon l'invention représenté en figure 1, le gain sur le flux lumineux réfléchi ou rétro-diffusé par l'objet 10 est compris entre deux et quatre environ, par rapport à la réalisation décrite dans la demande antérieure précitée. Un autre avantage du dispositif selon l'invention va maintenant être décrit en référence à la figure 2. Dans cette figure, pour simplifier le dessin, on a représenté le système optique chromatique sous forme d'une seule lentille et on a schématisé le miroir 26 sous forme d'un masque qui est placé sur l' optique 12 et qui intercepte les rayons lumineux centraux polychromatiques issus de la fente d'éclairage 16. Comme le système optique 18 est un système chromatique dont la distance focale varie continuement avec la longueur d'onde, les différentes longueurs d'ondes issues de la fente d'éclairage 16 sont focalisées en des points différents sur l'axe optique 12. Par exemple, un rayon lumineux Ri de longueur d'onde I1 est focalisé au point P1, et un rayon lumineux R2 de longueur d'onde 12 supérieure à X1 est focalisé sur l'axe 12 en un point P2 plus éloigné du système chromatique 18 que le point Pi. Si les longueurs d'onde des rayons R1 et R2 correspondent aux extrêmes de la bande de longueur d'onde d'éclairage, la distance P1-P2 sur l'axe optique 12 représente la profondeur de mesure. Les rayons lumineux centraux issus de la fente d'éclairage 16 étant interceptés par le masque 26, on peut dire que le point P1 sur l'axe 12 sera éclairé uniquement ou presque uniquement par une lumière de longueur d'onde X1, que le point P2 sera éclairé par une lumière de longueur d'onde X2 et qu'un point Pi intermédiaire entre P1 et P2 sera éclairé par une lumière de longueur d'onde Xi comprise entre et X2. Comme le système optique chromatique 18 forme le système optique de reprise de la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par l'objet, les rayons lumineux de longueur d'onde X1 réfléchis ou rétro-diffusés par le point P1 sont focalisés sur l'axe optique 12 au niveau de la fente d'éclairage 16, les rayons lumineux de longueur d'onde X2 réfléchis ou retro- diffusés par le point P2 sont également focalisés sur la fente d'éclairage 16 et, de même, les rayons lumineux de longueur d'onde Xi réfléchis par le point intermédiaire Pi sont focalisés sur la fente d'éclairage 16. Cela signifie qu'une image nette de tout point situé sur l'axe entre P1 et P2 peut être formée par le système chromatique 18 sur les moyens d'analyse spectrale, sans réglage du dispositif. Cela signifie également que, si une lumière parasite ayant une longueur d'onde différente Xl est réfléchie par le point P1, cette lumière parasite ne sera pas focalisée sur la fente d'éclairage 16 et une image nette du point Pl à la longueur d'onde ou aux longueurs d'onde de la lumière parasite ne sera pas formée sur les moyens d'analyse spectrale. Le système optique chromatique 18 permet donc d'assurer un filtrage spectral de la lumière reprise tout en assurant la netteté de l'image formée sur les moyens d'analyse spectrale sur toute la profondeur de mesure utile, le long de l'axe optique 12, et les mesures réalisées sont plus précises. La fente d'analyse assure à la fois un filtrage spectral et un filtrage spatial de la lumière reprise. Pour améliorer les performances du dispositif, en disposant d'une voie d'analyse télécentrique qui évite ou réduit les zones d'ombre sur l'objet éclairé 10, un masque 34 représenté en figure est placé au centre du système optique chromatique 18, ce masque 34 comprenant une zone centrale 36 d'interception des rayons lumineux, formée avec un trou axial circulaire 38 laissant passer la lumière reprise c'est-à-dire la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par l'objet 10. lumière d'éclairage issue de la fente 16 passe de chaque côté de la bande centrale 36, comme indiqué en 40. variante, et comme représenté schématiquement en figure 4, ces zones 40 de passage de la lumière d'éclairage pourraient être réduites à des orifices circulaires formés dans un disque 34 comportant le trou central 38 de passage de la lumière reprise. Avec le masque 34 de la figure 4, on dispose d'une voie d'éclairage verticalement télécentrique. Comme déjà indiqué dans la demande antérieure WO-9 64816 précitée, dont le contenu est incorporé ici référence, une image d'un profil de la surface éclairée de l'objet 10 peut être formée sur des moyens 30 d'analyse spectrale, qui comprennent une camera matricielle de capteurs du type CCD ou analogues. Un balayage en rotation de la surface éclairée de l'objet 10 peut être réalisé au moyen d'un système optique de rotation d'image, tel qu'un prisme de DOUE placé dans le dispositif selon l'invention sur l'axe optique 12, dans une zone traversée à la fois par la lumière d'éclairage et par la lumière reprise. Par exemple et comme représenté en figure 5, le prisme de DOVE 42 peut être placé entre les deux lentilles 20 du système chromatique 18. La rotation du prisme de DOVE 42 autour de l'axe optique 12 a pour conséquence de faire tourner autour de cet axe le profil de mesure sur la surface éclairée de l'objet 12, la rotation du profil étant deux fois supérieure à celle du prisme. On peut ainsi obtenir, sans autre déplacement du dispositif selon l'invention ou de l'objet 10, une forme tridimensionnelle qui est celle de la surface de l'objet 10 éclairée par un cylindre lumineux d'axe 12 et dont le diamètre est égal à la longueur du profil de mesure. Pour augmenter le rapport signal sur bruit des signaux de sortie des capteurs CCD de la caméra matricielle précitée, un filtre passe-bas est utilisé pour relier les sorties des capteurs à moyens de conversion analogiques -numériques reliant les moyens 30 d'analyse spectrale aux moyens 32 de traitement de l'information. Typiquement, la fréquence coupure de filtre passe-bas est d'environ 1 MHz. Dans un exemple de réalisation du dispositif représenté en figure 1, les lentilles 20 système chromatique 18 ont une longueur focale 60 mm, la lentille 24 du système optique 22 de grandissement a une longueur focale de 150 mm, le rapport de grandissement transversal du système 22 de 3, et la profondeur de mesure sur l'axe optique 12 est d'environ 40 mm. L'image formée sur les moyens d'analyse est nette sans réglage sur toute la profondeur de mesure (dans la technique antérieure, la plage de netteté de l'image est d'environ 4 mm de part et d'autre d'une position centrale correspondant à réglage). De plus, la largeur spectrale du signal est environ deux fois plus petite dans le dispositif selon l'invention que dans la technique antérieure, et la précision est uniforme sur toute la profondeur de mesure (0,01%) au lieu d'avoir une variation en forme de cloche avec une dégradation progressive quand on s'éloigne de la position centrale. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour l'acquisition de la forme tridimensionnelle d'un objet par voie optoélectronique, comprenant une source lumineuse (14) à spectre continu, une fente d'éclairage (16) placée sur l'axe optique (12) en aval de la source (14), un système optique (18) de formation d'image sur l'objet (10), un système optique de reprise de la lumière réfléchie par l'objet (10), des moyens (30) d'analyse spectrale de cette lumière et des moyens (32 de traitement de l'information associés aux moyens (30) d'analyse spectrale, caractérisé en que lesdits systèmes optiques de formation d'image et de reprise de la lumière sont confondus et formés par un même système optique chromatique (18) et ce que la lumière réfléchie par l'objet (10) et sortant dudit système optique (18) est interceptée un miroir (26) place sur l'axe optique (12) entre la fente d'éclairage (16) et le système optique (18) et est déviée par exemple perpendiculairement à l'axe optique ( ) vers une fente d'analyse (28) placée sur l'axe optique des moyens (30) d'analyse spectrale. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir (26) constitue un masque interceptant les rayons lumineux issus de la fente d'éclairage (16) sur l'axe optique (12) en direction de l'objet (10). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système optique chromatique ( 18) est afocal. 4 - Dispositif selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le système optique chromatique (18) est formé de deux lentilles chromatiques identiques (20). 5 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un système optique grandisseur (22) est monté sur l'axe optique entre le système optique chromatique (18) et l'obj (10). 6 - Dispositif selon la revendication , caractérisé en ce que le système optique grandisseur (22) est afocal. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un masque (34) comprenant un trou circulaire axial (38) pour le passage de la lumière réfléchie par l'objet (10) et deux orifices (40) de passage de la lumière d'éclairage de l'objet (10), est placé au centre du système optique chromatique (18). - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (30) d'analyse spectrale comprennent un ensemble matriciel de capteurs du type CCD ou analogue, dont les sorties sont reliées à des moyens de conversion analogique numérique par un filtre passe-bas. 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques (42) de rotation d'image, placés sur l'axe optique (12) dans une zone traversée par la lumière d'éclairage l'objet et par la lumière réfléchie par l'objet 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens optiques de rotation d'image sont un prisme de DOVE (42), placé par exemple dans le système optique chromatique, (18) précité.