Brevet FR3083857A1 — publié le 20200117

MESURE DU PROFIL 3D D'UN OBJET DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se situe dans le domaine de la mesure du profil 3D d'un objet et concerne plus spécifiquement un procédé et un dispositif pour déterminer, sans contact, la forme tridimensionnelle (3D) d'une pièce mécanique par projection sur ledit objet d'une lumière structurée dynamique et compacte. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La mesure de la forme tridimensionnelle (3D) sans contact revêt une grande importance dans plusieurs domaines tels que par exemple le contrôle et l'inspection industrielle de pièce de précision au cours de leur fabrication, la détection de mouvement de personnes dans une pièce, ou encore la vision 3D et stéréovision. Les méthodes optiques de mesure de l'art antérieur fondées sur l'acquisition d'une paire d'images stéréoscopiques sont les plus utilisées dans ce domaine. Dans ces méthodes, la reconstruction 3D s'appuie sur le principe de triangulation à partir de l'appariement des images des différentes vues de l'objet considéré. Cette étape est souvent cruciale quant à la réelle performance du système de mesure et demande beaucoup de ressources de calcul. En pratique, on peut avoir recours à la présence de marqueur physique sur l'objet afin de faciliter la mise en correspondance des images, mais dans ce cas, la versatilité de la méthode de mesure est grandement diminuée. C'est pourquoi ces techniques de stéréovision dites « passives » sont souvent couplées à un système d'éclairage spécifique. On parle alors de méthodes de mesure dites « actives ». Il s'agit de projeter sur l'objet une texture lumineuse connue afin d'améliorer le traitement digital des données: on parle d'éclairage structuré. On peut citer la technique de projection de franges par interférométrie laser ou par projecteur qui, par démodulation de phase (décalage de phase par marche, démodulation par transformée de Fourier), permet la mesure du profil 3D de l'objet. On peut également citer l'utilisation d'optique diffractive permettant de générer un ensemble de motifs avec 2 une répartition spatiale régulière ou pseudo aléatoire. Diverses techniques d'éclairage structuré se sont également développées avec l'utilisation de systèmes d'éclairage SLM (« Spatial Light Modulator tels que les projecteurs DMD (« Digital Micromirror Device ») et les projecteurs LCD (« Liquid Crystal Display ») permettant un contrôle spatial et séquentiel des motifs projetés. Ces systèmes peuvent afficher des images hautes résolution (de 2 à 8 Mpixels) codées en binaire, niveau de gris ou couleur, et à des fréquences allant de 60Hz à plusieurs KHz selon les modèles. Cela ouvre de nombreuses perspectives en termes de traitement de données dans la mesure où, en choisissant une projection séquentielle 10 d'image il est possible de produire un codage temporel permettant une identification pixel par pixel très robuste sur chaque image. Un inconvénient des systèmes actuels provient de leur encombrement (source laser ou LED, optique de projection, et distance de projection élevée) qui bien que de plus en plus miniaturisés, restent de dimension supérieure à la plupart des caméras 15 industrielles monoculaires. Cela empêche !Intégration de l'ensemble « caméras + projecteur » dans des outils de petit gabarit, dans les cas où la zone à mesurer est difficilement accessible et/ou dans le cas de mesure de proximité. En outre, H est nécessaire de prévoir plusieurs systèmes d'éclairage afin d'éviter les effets d'ombrages si l'objet considéré présente une géométrie complexe. 20 Une solution partielle à ce problème réside dans les méthodes fondées sur l'utilisation d'optiques diffractives dans lesquelles une source laser fibrée peut être déportée et l'optique diffractive peut être facilement placée proche du système d'acquisition. L'inconvénient de ce type d'éclairage est qu'il se limite au cas de motifs 25 répétitifs avec répartition régulière ou pseudo aléatoire fixe, et ne permet pas la projection d'une séquence de motifs. De plus la résolution des motifs est souvent faible, de l'ordre de 200x200 spots au maximum. Leur utilisation est limitée à des cas où la reconstruction 3D ne nécessite pas une grande précision. Un but de l'invention est de pallier les problèmes de l'art antérieur 30 décrits ci-dessus. 3 EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but est atteint au moyen d'un procédé de mesure sans contact de la forme tridimensionnelle (3D) d'un objet par projection de lumière structurée sur ledit objet permettant d'afficher des motifs avec une répartition aléatoire haute résolution avec un contrôle spatial et temporel. Le principe de l'invention repose sur l'utilisation du phénomène physique de conjugaison de phase qui permet la mise en forme du front d'onde d'un faisceau lumineux issue d'une fibre optique multimode. Ce procédé comporte les étapes suivantes: 10 - injecter un faisceau laser dans au moins une fibre optique, - coupler le faisceau laser dans la fibre optique de manière à maximiser le nombre de modes et l'intensité lumineuse se propageant dans ladite fibre optique pour générer une figure d'interférence comportant des tavelures réparties de manières aléatoires, 15 - projeter la figure d'interférence générée sur l'objet, - moduler le déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique de manière à contrôler localement 'intensité de la figure d'interférence projetée sur l'objet, - capter l'image d'interférence projetée, 20 - obtenir une représentation 3D de l'objet par traitement de l'image captée. Le procédé selon i invention, permet d'utiliser les atouts de compacité et de positionnement de l'éclairage par fibre optique, avec les capacités de projection de lumière structurée dynamique 25 La source lumineuse, ainsi que le module de mise en forme de la lumière peuvent être déportés de la longueur de la fibre optique. Selon l'invention, le déphasage et/ou l'amplitude de l'onde à appliquer à chaque pixel de l'image d'interférence sont préenregistrés. 4 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la modulation du déphasage et/ou de l'amplitude de l'onde à appliquer à chaque pixel de l'image d'interférence est effectuée en temps réel. Le procédé selon l'invention comporte en outre une étape préalable 5 consistant à déterminer la matrice de transmission de la fibre optique. Dans une première variante, cette détermination de la matrice de transmission de la fibre optique est réalisée par décomposition des modes incidents dans la fibre optique sur une base orthogonale et par mesure de la répartition en intensité des modes en sortie de la fibre optique. 10 Dans une deuxième variante, la détermination de la matrice de transmission de la fibre optique est réalisée par optimisation convexe après projection de séquences aléatoires sur les modes d'entré dans ladite fibre optique. Le procédé selon l'invention permet de contrôler grain à grain (i.e. « pixel par pixel » une image de « speckle » généré par une fibre optique multimode et 15 peut s'appliquer à tout système de stéréovision et vison 3D, notamment dans les cas où il n'est pas possible d'éclairer l'objet avec un projecteur classique pour cause d'accessibilité et/ou d'encombrement, li est également possible d'utiliser l'éclairage de plusieurs fibres optiques facilement positionnables autour de l'objet et d'éviter ainsi les problèmes d'ombrage. 20 Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre par un dispositif de mesure sans contact du profile 3D d'un objet par projection de lumière structurée sur ledit objet comportant : - une source lumineuse destinée à générer un faisceau laser, - une unité optique de couplage destinée à coupler le faisceau laser 25 dans au moins une fibre optique pour maximiser le nombre de mode et l'intensité lumineuse se propageant dans ladite fibre optique de manière à générer une figure d'interférence comportant des tavelures réparties de manières aléatoires à projeter sur l'objet, - des moyens pour projeter la figure d'interférence générée sur l'objet, 5 - un modulateur spatial de lumière destiné à moduler le déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique de manière à contrôler localement l'intensité de la figure d'interférence projetée sur l'objet, - des moyens pour capter l'image d'interférence projetée, 5 - des moyens pour obtenir une représentation 3D de l'objet par traitement de l'image captée. Plus spécifiquement, le dispositif de mesure sans contact du profile 3D d'un objet dans un système de vision 3D par projection d'une lumière structurée sur ledit objet selon l'invention comporte: 10 - au moins une fibre optique, - au moins une source lumineuse destinée à injecter un faisceau laser dans la fibre optique (2), - au moins une unité optique de grandissement destinée à réaliser l'adaptation de la taille du faisceau laser et le filtrage spatial dudit faisceau laser, 15 - au moins un modulateur spatial de lumière destiné à moduler le déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique, ledit un modulateur spatial de lumière étant relié à une unité de contrôle configurée pour commander le déphasage et/ou l'amplitude à appliquer à chaque pixel dudit modulateur spatial de lumière, 20 - au moins une unité optique de polarisation destinée à adapter la direction de polarisation du faisceau Laser avec celle du modulateur spatial de lumière - des moyens pour projeter la figure d'interférence générée sur l'objet, - au moins une unité optique de couplage destinée à coupler le faisceau laser dans la fibre optique et à maximiser le nombre de modes et l'intensité lumineuse se 25 propageant dans ladite fibre optique de manière à générer une figure d'interférence comportant des tavelures à projeter sur l'objet, - des moyens pour capter l'image d'interférence projetée, - des moyens pour obtenir une représentation 3D de l'objet par traitement de l'image captée. G Le dispositif selon 'invention comporte en outre des moyens pour déterminer la matrice de transmission de la fibre optique BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles : - La figure 1 illustre schématiquement les étapes essentielles d'un procédé selon 10 l'invention. - La figure 2 illustre schématiquement un dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 15 La figure 1 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention comportant une fibre optique 2 reliée à une source Laser 4 via une unité optique de grandissement 6 destinée à réaliser l'adaptation de la taille du faisceau laser et le filtrage spatial dudit faisceau laser, un modulateur spatial de lumière 8 destiné à moduler le déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique 2, une unité 20 optique de polarisation 10 destinée à adapter la direction de polarisation du faisceau Laser avec celle du modulateur spatial de lumière 8, une unité de contrôle 12, reliée au modulateur spatial de lumière 26, configurée pour commander le déphasage et/ou l'amplitude à appliquer à chaque pixel dudit modulateur spatial de lumière 26, une unité optique de couplage 14 destinée à coupler le faisceau laser dans la fibre optique 2 et à 25 maximiser le nombre de modes de propagation et l'intensité lumineuse dans ladite fibre optique 2 de manière à générer la figure d'interférence 5 à projeter sur l'objet. Le dispositif selon l'invention comporte également des moyens pour projeter la figure d'interférence générée sur l'objet, des moyens pour capter l'image d'interférence projetée, des moyens pour obtenir une représentation 3D de l'objet par 30 traitement de l'image captée. 7 Typiquement le modulateur spatial de lumière 8 est un écran à cristaux liquide utilisé en transmission ou en réflexion configuré pour moduler en phase le front d'onde du faisceau laser délivré par la source 4 via une optique conjuguant la surface dudit modulateur spatial de lumière 8 sur la pupille d'entré de l'unité optique de 5 couplage 14. L'unité de contrôle 12 comporte une mémoire dans laquelle est enregistré un programme de commande du déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique 20. L'ouverture numérique de l'unité optique de couplage 14 est adaptée à 10 l'ouverture numérique de la fibre optique 2 de sorte que chaque pixel du modulateur spatial de lumière 8 soit couplé dans un mode de propagation de la fibre optique 2. Le taux de couplage des modes définit le nombre de modes se propageant dans la fibre optique 2 et la taille des grains élémentaires de la figure de speckle S. Préférentiellement, la fibre optique 2 est une fibre optique multiinode 15 adaptée pour produire en sortie une interférence entre les modes de propagation. Dans un mode de réalisation de l'invention, la source lumineuse 4 est une source laser délivrant typiquement un faisceau laser monomode transverse de profil d'intensité gaussien (mode TEM00). La figure 2 illustre schématiquement les étapes du procédé selon 20 l'invention s'appuyant sur le fait que lorsqu'un faisceau de lumière cohérente, typiquement un faisceau laser, se propage à travers un milieu diffusant et désordonné (surface rugueuse, couche de verre dépoli), les interférences constructives et destructives issues des différents chemins aléatoires empruntés par la lumière produisent la figure d'interférence 5 avec des tavelures réparties de manières aléatoires: on parle 25 alors de figure de « speckle ». Il est important de noter que malgré le caractère aléatoire du système d'interférence, le processus est considéré comme déterministe et reproductible si le milieu reste constant. Dans la suite de la description, le terme « speckle » désigne à la fois le phénomène d'interférence aléatoire décrit ci-dessus et les grains lumineux élémentaires brillants ou sombres qui composent la figure d'interférence. 30 C'est cette figure de speckle qui servira de texture projetée sur l'objet à mesurer. 8 Le procédé comporte les étapes suivantes : - injecter (étape 20) un faisceau laser dans la fibre optique 2, - coupler (étape 22) le faisceau laser dans la fibre optique 2 de manière à maximiser le nombre de modes de propagation et l'intensité lumineuse dans ladite fibre optique et générer la figure speckle 5 comportant des tavelures réparties de manières aléatoires, - moduler (étape 24) le déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique 2 de manière à contrôler localement l'intensité de la figure d'interférence projetée sur l'objet ; 10 - projeter sur l'objet (étape 26) la figure d'interférence générée, - capter (étape 28) l'image d'interférence projetée, - obtenir (étape 30) une représentation 3D de l'objet par traitement de l'image captée. Notons que la figure de speckle 5 est produite par interférence aléatoire 15 entre les modes de propagation de la lumière dans ladite fibre optique. La possibilité de pouvoir piloter la phase de chaque mode, permet de contrôler localement l'intensité de la figure d'interférence. Notons également que le processus d'interférence, qui est l'addition en amplitude de chaque mode de propagation, présente un caractère déterministe. 20 Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, on détermine préalablement la matrice de transmission de la fibre optique utilisée au moyen d'une expérience préliminaire. Ceci est obtenu grâce à la mise en forme du front d'onde du faisceau laser. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées à cet effet. Citons par exemple la décomposition des modes incidents dans la fibre optique 2 sur une base orthogonale et la 25 mesure de la répartition en intensité des modes en sortie de ladite fibre optique 2. Il est alors possible de déte.rminer la base propre de l'interaction entre les modes dans la fibre optique 2 et de déterminer la matrice de transmission par inversion La matrice de transmission peut aussi être déterminée par optimisation convexe après projection de séquences aléatoires (phase ou intensité) sur les modes 30 d'entré dans la fibre optique utilisée. 9 Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention; modulateur spatial de lumière 8 est un écran LCD (Liquid Crystal Display) qui permet de contrôler en phase 1920x1080 pixels, à une fréquence de 60Hz. La fibre optique 2 à une ouverture NA = 0.5 et un diamètre de coeur de 1 mm pouvant propager plus d'un millions de mode. 5 La figure de speckle 5 est mesurée à quelque cm de la sortie de la fibre. Son extension spatiale est 20x20 mm avec une taille de grain de 20 pm. Contrairement aux systèmes de l'art antérieur qui utilisent une figure de speckle fixe et/ou décalée séquentiellement, le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de mettre en forme de manière contrôlée la figure de speckle. Typiquement 10 ils permettent d'éteindre et d'allumer les grains de speckle afin d'imprimer un codage (type allumé/éteint, REVENDICATIONS1. Procédé de mesure sans contact de la forme tridimensionnelle (3D) d'un objet dans un système de vision 3D par projection d'une lumière structurée sur ledit objet, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - injecter (20) un faisceau laser dans au moins une fibre optique, - coupler (22) le faisceau laser dans la fibre optique de manière à maximiser le nombre de modes de propagation et l'intensité lumineuse dans ladite fibre optique et générer une figure d'interférence comportant des tavelures réparties de 10 manières aléatoires, - projeter (26) la figure d'interférence générée sur l'objet, - moduler (24) le déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique de manière à contrôler localement l'intensité de la figure d'interférence projetée sur l'objet, 15 - capter (28) l'image d'interférence projetée, - obtenir (30) une représentation 3D de l'objet par traitement de l'image captée. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le déphasage et/ou 20 l'amplitude de l'onde à appliquer à chaque pixel de l'image d'interférence sont préenregistrés. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la modulation du déphasage et/ou de l'amplitude de l'onde à appliquer à chaque pixel de l'image 25 d'interférence est effectuée en temps réel. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 comportant en outre une étape préalable consistant à déterminer la matrice de transmission de la fibre optique. 30 10 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la détermination de la matrice de transmission de la fibre optique est réalisée par décomposition des modes incidents dans la fibre optique sur une base orthogonale et par mesure de la répartition en intensité des modes en sortie de ladite fibre optique. 6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la détermination la matrice de transmission de la fibre optique est réalisée par optimisation convexe après projection de séquences aléatoires sur les modes d'entré dans ladite fibre optique. 10 7. Dispositif de mesure sans contact du profile 3D d'un objet dans un système de vision 3D par projection d'une lumière structurée sur ledit objet caractérisé en ce qu'il comporte: - au moins une fibre optique (2), - au moins une source lumineuse (4) destinée à injecter un faisceau laser 15 dans la fibre optique (2), - au moins une unité optique de grandissement (6) destinée à réaliser l'adaptation de la taille du faisceau laser et le filtrage spatial dudit faisceau laser, - au moins un modulateur spatial de lumière (8) destiné à moduler le déphasage et/ou l'amplitude du faisceau laser injecté dans la fibre optique (2), ledit un 20 modulateur spatial de lumière (8) étant relié à une unité de contrôle (12) configurée pour commander le déphasage et/ou l'amplitude à appliquer à chaque pixel dudit modulateur spatial de lumière (8), - au moins une unité optique de polarisation (10) destinée à adapter la direction de polarisation du faisceau Laser avec celle du modulateur spatial de lumière 8, 25 - des moyens pour projeter la figure d'interférence générée sur l'objet, - au moins une unité optique de couplage (14) destinée à coupler le faisceau laser dans la fibre optique (2) et à maximiser le nombre de modes et l'intensité lumineuse se propageant dans ladite fibre optique (2) de manière à générer une figure d'interférence comportant des tavelures à projeter sur l'objet, 30 - des moyens pour capter l'image d'interférence projetée, 11 - des moyens pour obtenir une représentation 3D de l'objet par traitement de l'image captée, 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'unité de contrôle (12) comporte une mémoire comprenant un programme de commande du déphasage et/ou de l'amplitude de l'onde à appliquer à chaque pixel de l'image d'interférence. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce qu'il 10 comporte en outre des moyens pour déterminer la matrice de transmission de la fibre optique (1).