Brevet FR2981533A1 — publié le 20130419

CAMERA ET PROCEDE D'ETALONNAGE GEOMETRIQUE D'UNE CAMERA La présente invention concerne une caméra et un procédé d'étalonnage géométrique d'une caméra, sachant qu'il convient d'entendre ci-après par caméra en général un système optique de reproduction. L'étalonnage géométrique de systèmes optiques de reproduction (caméras) est la condition sine qua non pour leur utilisation en tant que systèmes de mesure. Le processus est également désigné comme détermination des paramètres de l'orientation interne. L'objectif est ici de déterminer pour chaque pixel une ligne de visée (line of sight) dans le système de coordonnées de la caméra. Divers procédés sont disponibles pour cette tâche. De nos jours, on effectue l'étalonnage géométrique de caméra à l'aide de l'un des procédés qui suivent : 1. Des points de mesure (points d'appui) sont appliqués dans l'espace objet et sont mesurés par un système de mesure indépendant, par exemple par des théodolites. Les points d'appui peuvent se situer sur des murs, des tableaux de test, etc. On effectue avec le système de caméra à étalonner n prises des points de test. Les paramètres de l'orientation interne et de l'orientation externe peuvent être évalués à partir des reproductions desdits points de mesure, à partir de la connaissance de leur position dans l'espace objet, des informations déterminées à priori sur la caméra (par exemple taille des pixels, distance focale) ainsi que par l'intermédiaire d'un modèle de reproduction. L'inconvénient de ce procédé réside dans le fait que les champs du point d'appui sont immobiles et ne sont pas flexibles. Les paramètres de l'orientation interne et de l'orientation externe sont en règle générale déterminés lors d'une étape et ne peuvent pas être découplés. Ainsi, des erreurs provenant de l'orientation externe peuvent être décalées dans l'orientation interne et vice- versa. Le procédé dépend considérablement du modèle de reproduction utilisé. 2. Les caméras peuvent être étalonnées avec un système de collimateur/manipulateur. En outre, la caméra est fixée sur un manipulateur à deux axes et est posée avant un collimateur qui génère un front d'ondes, qui est reproduit par l'optique de la caméra sur un seul point sur le plan focal. Il en ressort ainsi une attribution des coordonnées d'image du pixel éclairé aux deux angles (angle d'azimut, angle d'élévation) du manipulateur. Le procédé est répété pour n pixels afin de couvrir suffisamment la totalité du champ de l'image. Ainsi sont disponibles, après le processus de mesure, n 4-tuples (coordonnées des pixels sur le détecteur x et y, angle du manipulateur azimut et élévation), lesquels permettent d'étalonner géométriquement tous les pixels. L'inconvénient réside toutefois ici dans le fait que des coûts considérables (investissements) et un investissement important en termes de temps sont liés à cette approche, dans la mesure où les mesures sont effectuées de manière séquentielle. Il s'agit toutefois d'un procédé de mesure direct d'une extrême précision. Le procédé ne peut être réalisé que dans des laboratoires spécifiques. La prise de mesure d'un détecteur (même automatisée) peut nécessiter plusieurs jours. 3. Le recours à des éléments optiques diffractifs (EOD) permet également un étalonnage géométrique de la caméra. Dans ce cadre, une onde plane générée par un collimateur est dirigée sur un EOD. L'EOD agit comme un séparateur de faisceau et génère n ondes planes présentant diverses directions. Ces n ondes planes sont reproduites par l'optique de la caméra sur respectivement un point sur le plan focal. Lors d'une étape, n points sont reproduits sur le détecteur dont la position de consigne est connue avec une extrême précision. Les paramètres de l'orientation interne de la caméra sont déterminés en ayant connaissance des angles de diffraction générés par l'EOD, de certaines informations relatives à la caméra (par exemple taille des pixels, distance focale) ainsi que d'un modèle de reproduction. L'étalonnage de l'EOD combine les propriétés positives des deux autres procédés - il est plus rapide, d'une extrême précision et peut être reproduit. L'inconvénient de ce procédé réside dans le fait qu'un montage de mesure supplémentaire est nécessaire pour l'étalonnage, ce qui limite l'utilisation dans le champ. Les étalonnages lors du fonctionnement opérationnel de la caméra ne sont pas possibles. L'invention a pour objectif de mettre à disposition une caméra ainsi qu'un procédé servant à étalonner géométriquement une caméra, au moyen desquels il est possible d'effectuer un étalonnage géométrique en toute simplicité également lors 20 du fonctionnement opérationnel de la caméra. La solution apportée à ce problème technique ressort des objets des caractéristiques des revendications qui suivent à l'exception de la dernière. D'autres configurations avantageuses de l'invention ressortent des sous-25 revendications. A cet effet, la caméra comporte au moins une optique, au moins un détecteur optique à résolution spatiale, lequel est disposé dans un plan focal, une unité d'évaluation, au moins une source lumineuse et un élément optique diffractif, sachant que l'élément optique diffractif peut être éclairé au moyen de la source lumineuse de telle sorte que ce dernier génère diverses ondes planes, qui sont reproduites par l'optique respectivement sous la forme de points sur le détecteur optique et qui sont évaluées par l'unité d'évaluation au moins aux fins de l'étalonnage géométrique. Le dispositif d'étalonnage est clairement intégré à la caméra. Ainsi, il est possible d'étalonner en toute simplicité la caméra lors du fonctionnement opérationnel ou de surveiller son étalonnage. La source lumineuse est dans ce cadre une source lumineuse à bande très étroite ou une source lumineuse quasi monochromatique telle qu'un laser afin qu'apparaissent des structures de diffraction (points) nettement définies. Afin que des ondes planes parviennent au niveau de l'élément optique diffractif, le rayonnement de la source lumineuse doit présenter une forme approximativement sphérique. Ces ondes sphériques sont alors converties par l'optique de la caméra en ondes planes, sont réfléchies au niveau de l'élément optique diffractif et sont reproduites sur le détecteur optique par l'optique sous la forme de points. Les éléments optiques diffractifs sont connus dans différents modes de réalisation, sachant qu'on connaît des éléments optiques diffractifs passifs et des éléments optiques diffractifs actifs, ces derniers étant également désignés par SLM (spatial light modulator ou modulateur de lumière dans l'espace). Les SLM peuvent par exemple être réalisés comme des réseaux de micromiroirs (SLM du type réflectif) ou comme un affichage à cristaux liquides du type transmissif ou réflectif (ACL ou LCD, Liquid Cristal, LC-Display). Ces derniers peuvent être commandés de manière active de telle sorte qu'il est possible de faire varier dans le temps leurs structures de diffraction. Les éléments optiques diffractifs passifs en revanche présentent un modèle de diffraction fixe. Ces derniers peuvent être de type réflectif ou de type transmissif. En règle générale, les éléments optiques diffractifs passifs sont des substrats planaires par exemple en verre ou en matière plastique, sur lesquels par exemple des structures sont appliquées par des étapes de gravure photolithographiques. De même, les éléments actifs peuvent être de type transmissif ou réflectif. En principe, chacun des éléments optiques diffractifs précités peut être utilisé. Dans un mode de réalisation, au moins un détecteur optique est réalisé comme un capteur matriciel. Les capteurs matriciels présentent dans ce cadre par rapport aux capteurs à lignes l'avantage que la projection des ondes lumineuses diffractées est plus simple sur le détecteur optique, alors que l'orientation de l'élément optique diffractif par rapport au capteur à lignes est extrêmement compliquée et complexe. Le détecteur optique soumis au rayonnement de l'onde lumineuse diffractée peut être dans ce cas le détecteur optique ou l'un des détecteurs optiques de la caméra pour le fonctionnement opérationnel. Il est toutefois également possible de prévoir un détecteur optique séparé utilisé uniquement pour l'étalonnage. En particulier dans le cas des caméras à lignes, le cas se pose du fait de la problématique illustrée. Dans ce cas, on dispose sur le plan focal outre les capteurs à lignes, qui permettent la reproduction réelle de l'espace objet, un capteur matriciel séparé, qui n'est utilisé qu'à des fins d'étalonnage. Dans un autre mode de réalisation, l'élément optique diffractif est intégré à l'optique. A cet effet, des zones de bord de l'optique sont structurées sur le côté de l'objet, lesquelles ne sont pas utilisées pour la reproduction. L'avantage est ici que l'optique et l'élément optique diffractif ont une position définie et qu'une orientation de l'un par rapport à l'autre n'est plus nécessaire. Toutefois, cela exige un traitement de l'optique sensible. Dans un mode de réalisation alternatif, l'élément optique diffractif est disposé sur l'optique. Par exemple, dans ce cadre, un film à EOD est collé sur l'optique. Si l'élément optique diffractif est dans le cas présent un élément optique diffractif passif, il est alors disposé sur la zone de bord de l'optique pour ne par perturber la reproduction opérationnelle. Dans ce cas, l'élément optique diffractif est par exemple réalisé comme un miroir microstructure. H est en principe également possible de le disposer dans la zone éclairée de l'optique ; les structures de diffraction sont dans ce cas reproduites sur le plan focal de manière non nette par la focalisation de la caméra sur des objets à un espacement minimal et ne sont pas donc visibles dans le fonctionnement opérationnel. Toutefois, une structure de diffraction appliquée dans la zone éclairée de l'optique veille à une réduction de la qualité de l'image grâce à une lumière diffuse apparaissant. Lors de l'utilisation d'éléments optiques diffractifs actifs, il est également possible de disposer par exemple un affichage à cristaux liquides dans la zone éclairée de l'optique. Lors du fonctionnement opérationnel de la caméra, l'élément optique diffractif actif est alors commuté en mode transparent de sorte qu'il ne perturbe pas la reproduction. Dans le mode d'étalonnage, l'élément optique diffractif est alors commuté en mode réflectif. L'avantage est ici que la reproduction de la structure de diffraction est effectuée avec une partie de l'optique, qui entreprend également la reproduction opérationnelle. Ces zones médianes de l'optique (zone paraxiale) sont plus sensibles pour les variations de positions de l'optique par rapport au plan focal. Dans le cas de l'utilisation d'éléments optiques diffractifs passifs, la sensibilité peut être améliorée grâce à l'utilisation de plusieurs éléments. Cela s'applique d'ailleurs également aux modes de réalisation, pour lesquels les éléments optiques diffractifs sont intégrés à l'optique. Dans un autre mode de réalisation alternatif, au moins un élément optique diffractif est disposé sur un diaphragme de l'optique, lequel est par exemple réalisé comme un diaphragme métallique annulaire. Ici aussi, on utilise de préférence au moins deux éléments optiques diffractifs. L'avantage dudit mode de réalisation est que l'optique ne doit pas être traitée. En variante, l'élément optique diffractif peut également être disposé en un emplacement approprié au niveau d'un dispositif de maintien mécanique de l'optique. Dans un autre mode de réalisation, la caméra comporte plusieurs sources 5 lumineuses, qui présentent diverses directions de rayonnement. Ces dernières sont de préférence utilisées dans le cadre de modes de réalisation présentant plusieurs éléments optiques diffractifs. Dans un autre mode de réalisation, au moins une source lumineuse est disposée 10 dans le plan focal. Dans un autre mode de réalisation, la source lumineuse comporte une fibre optique dont l'ouverture forme la sortie de lumière de la source lumineuse. La source lumineuse réelle, par exemple une diode laser, peut alors être disposée en 15 un emplacement approprié dans la caméra. Dans ce cadre, une lentille de préférence est associée à la fibre optique pour rayonner la lumière sortante dans la mesure du possible sous une forme sphérique. Selon le procédé, un étalonnage effectué en laboratoire peut être contrôlé en 20 fonctionnement au moyen d'une mesure d'étalonnage, ou il est possible d'entreprendre une modification par rapport à une mesure d'étalonnage antérieure en fonctionnement opérationnel. La mesure d'étalonnage en laboratoire peut dans ce cadre être effectuée au moyen d'un autre procédé et/ ou avec le dispositif intégré à la caméra. La séparation des structures de diffraction des 25 données d'image en fonctionnement peut être effectuée par différenciation ou par séparation spectrale, lorsque le détecteur optique pour les structures de diffraction est identique au détecteur optique pour le fonctionnement opérationnel. La mesure peut alors dans ce cadre être répétée de manière périodique, par exemple une fois chaque heure. La présente invention permet un étalonnage en temps réel des caméras. L'invention est expliquée ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation préféré. L'unique figure est une représentation schématique d'une caméra. La caméra 20 comporte un détecteur optique 10, qui est disposé dans un plan focal FE. En outre, la caméra 20 comporte une source lumineuse 1. La source lumineuse 1 comporte une source lumineuse monochromatique qui découple sa lumière en une fibre optique, sachant que l'extrémité libre de la fibre optique est disposée dans le plan focal FE. L'ouverture de la fibre optique constitue la sortie de lumière de la source lumineuse 1. En outre, la caméra comporte un dispositif de maintien 6 mécanique, qui supporte une optique 3 de la caméra 20 et un diaphragme 11 annulaire. Est disposé sur la zone de bord du diaphragme 11, au niveau du côté tourné vers l'optique 3, un élément optique diffractif 5, qui est réalisé par exemple en tant qu'élément optique diffractif 5 passif de type réflectif. La source lumineuse 1 émet des fronts d'ondes 2 connus dans leur forme, par exemple sphériques. Ces fronts d'ondes 2 sphériques sont convertis par l'optique 3 de la caméra 20 en une onde plane 4 et sont réfléchis au niveau de l'élément optique diffractif 5 de type réflectif. L'élément optique diffractif 5 de type réflectif agit comme un séparateur de faisceau et génère un nombre d'ondes planes 7 présentant diverses directions de propagation. Les diverses ondes planes 7 sont regroupées par l'optique 3 de la caméra 20 pour former des faisceaux de rayonnement 8a, 8b et sont reproduites sous la forme de points 9a, 9b sur le détecteur 10 de la caméra 20. Les points 9a, 9b peuvent en fonctionnement opérationnel être extraits par exemple par une technique d'image différentielle (différence entre l'image 1 [sans structures de diffraction visibles] et l'image 2 [avec des structures de diffraction visibles]), sachant que les différences temporelles entre les deux images doivent être très courtes, par exemple 10 ms, ou sont extraites par séparation spectrale. Le contrôle réel ou la correction de l'étalonnage géométrique est effectué(e) de préférence comme suit. Au préalable, la caméra 20 à étalonner est étalonnée lors d'une étape initiale dans le laboratoire à l'aide d'un procédé standard (voir également 1 à 3 dans l'évaluation de l'état de la technique). Lors de cet étalonnage en laboratoire, des points de diffraction sont générés comme cela est décrit précédemment à l'aide de la caméra 20 et sont reproduits sur le détecteur optique 10 dans le plan focal FE. Les coordonnées desdits points 9a, 9b sont mémorisées dans la caméra 20, dans une mémoire 12 ou selon un protocole de mesure. Si cet étalonnage doit maintenant être vérifié lors du fonctionnement de la caméra 20, la source lumineuse 1 est alors brièvement mise en service et les coordonnées des points 9a, 9b détectés sont détectées. Une unité d'évaluation 13 compare alors les coordonnées actuelles des points 9a, 9b aux coordonnées des points 9a, 9b issus de l'étalonnage en laboratoire, lesquelles sont mémorisées dans la mémoire 12. Est déduite des éventuelles modifications de la position des points 9a, 9b mesurées, la variation des paramètres de l'orientation interne de la caméra 20. Il convient de noter en complément que lorsque le détecteur optique 10 n'est pas le détecteur optique pour le fonctionnement opérationnel de la caméra 20, tous les détecteurs optiques sont en règle générale disposés sur une plaque plan focal et se comportent en conséquence de la même manière par rapport à l'optique 3. En conséquence, il est possible de déduire du détecteur optique 10 séparé les détecteurs optiques pour le fonctionnement opérationnel. REVENDICATIONS1. Caméra (20), comportant au moins une optique (3), au moins un détecteur optique (10) disposé dans un plan focal (FE) de l'optique (3) et une unité d'évaluation (13), caractérisée en ce que la caméra (20) comporte au moins une source lumineuse (1) et au moins un élément optique diffractif (5), sachant que l'élément optique diffractif (5) peut être éclairé au moyen de la source lumineuse (1) de telle sorte que ce dernier génère diverses ondes (7) planes, lesquelles sont reproduites par l'optique (3) respectivement sous la forme de points sur le détecteur optique (10) et sont évaluées par l'unité d'évaluation (13) au moins aux fins de l'étalonnage géométrique. 2 .Caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce que le détecteur optique (10) au moins au nombre d'un est réalisé comme un capteur matriciel. 3. Caméra selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément optique diffractif (5) au moins au nombre d'un est intégré à l'optique (3). 4. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément optique diffractif (5) est disposé sur l'optique (3). 5. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément optique diffractif (5) est disposé sur un diaphragme (11) de l'optique (3). 6. Caméra selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la caméra (20) comporte plusieurs sources lumineuses (1), qui présentent diverses directions de rayonnement. 7. Caméra selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source lumineuse (1) est disposée dans le plan focal (FE). 8. Caméra selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source lumineuse (1) comporte une fibre optique, dont l'ouverture forme la sortie de lumière de la source lumineuse. 9. Procédé servant à l'étalonnage géométrique d'une caméra (20), sachant que la caméra (20) comporte au moins une optique (3), au moins un détecteur optique (10) disposé dans un plan focal (FE) de l'optique (3) et une unité d'évaluation (13), caractérisé en ce que la caméra (20) comporte en plus au moins une source lumineuse (1) et un élément optique diffractif (5), sachant que l'élément optique diffractif (5) est éclairé au moyen de la source lumineuse (1) de telle sorte que ce dernier génère des ondes (7) planes, lesquelles sont reproduites par l'optique (3) sous la forme de points sur le détecteur optique (10) et sont évaluées par l'unité d'évaluation (13) au moins aux fins de l'étalonnage géométrique. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les reproductions (9a, 9b) des ondes diffractées sont déterminées grâce à une technique d'image différentielle ou par une séparation spectrale.