FR 2484633 A1 19811218 FR 8111491 A 19810611 2484633- La présente invention concerne les procédés et les dispositifs de mesure de profil de surface par l'utilisation de la couleur et avec une immunité relative vis-à-vis de la réflectivité et de la rugosité de la surface. On sait depuis de nombreuses années que la trian- gulation optique peut permettre une connaissance précise du profil d'une surface. La figure 1 représente le principe fondamental. Le décalage de la position observée, &, du faisceau étroit incident qui rencontre la surface permet de calculer le décalage de position de la surface par rapport à la surface de référence (z=O). On a ainsi s 8 = A zM sin Q, en désignant par M le grossissement optique, par $ l'angle de parallaxe, par hz le décalage de la position de la surfa- ce et par 8 le décalage dans la position observée du point lumineux. Ce principe a été employé dans une grande variété de capteurs métrologiques, mais a un certain nombre deinoo;n vénients. La mesure ne porte que sur un seul point à la fois et la cadence maximale est de 10 000 points/secondeo Il est nécessaire de maintenir un balayage précis du rayon inoidente On peut parvenir à une cadence de balayage plus élevée soil y a plusieurs rayons incidents mais il existe aloers uns ambigu!té en ce qui concerne l'identité de chaque rayon réfléchi au niveau du réseau de capteurs. Le résultat dépend de la réflectivité de la surface, qui peut varier de plu- sieurs ordres de grandeur dans le cas des surfaces métalli- ques. Dans l'application de la topographie de surface, l'utilisation blaphotographie stéréoscopique (photogrammé- trie) a fait disparaître la première des objections ci-dessus. Dans ce cas, chaque point de l'une des deux vues d'une surface est corrélé avec le voisinage correspondant dans l'autre vue. La position du maximum de corrélation permet de calculer le décalage entre les deux vues, ce qui conduit à son tour au profil de surface, Cette technique présente linconvénient qui consiste en ce que la corréla- tion est coteuse au point de vue du calcul et conduit à une certaine ambiguïté en cas de présence de bruit non corrélé dans les images. Une dernière technique applicable est la technique dite des franges de moirage, On projette un motif de barres sur la surface à mesurer. On observe la surface à travers un masque à barres similaire. Ceci conduit à des franges d'interférencesqui indiquent la variation du profil de sur- face. L'inconvénient consisté en ce que la résolution laté- rale ne peut pas dépasser le pas du motif de barres. En outre, la variation de la réflectivité de la surface pertur- be la formation des franges. Le procédé de parallaxe avec le marquage par lon- gueur d'onde consiste à projeter sur la surface d'un objet réfléchissant un motif coloré qui comporte au moins deux longueurs d'onde ou deux bandes de longueurs d'onde de lumière, dans la région de l'ultraviolets du visible ou de l'infrarouge. Ce motif procure une variation spatiale bien définies ce qui permet de détecter aisément les décalages de la lumière réfléchie qui sont dus aux variations de pro- fil. L'utilisation de longueurs d'onde différentes assure l'immunité visà-vis des variations de réflectivité de la surface, dans la mesure o les décalages correspondent à des écarts de profil. Il est préférable d'avoir un motif de couleur de type complémentaire qui est formé en extrayant d'une source lumineuse des bandes dténergie égales. La posi- tion de chaque point dans le motif projeté est identifiée -sans ambiguïté par les valeurs relatives de la puissance correspondant à chaque longueur d'onde qui arrive sur la surface. Pour avoir une sensibilité en profondeur, la variation de puissance doit tre abrupte; des variations périodiques de transmission de lumière en cosinus ou-en dents de scie satisfont cette exigence. L'utilisation du marquage par longueur d'onde permet d'effectuer l'identification des décalages d'une manière directe. On détecte sous un angle de parallaxe donné la lumière réfléchie et on détecte séparément les différentes longueurs d'onde ou bandes de longueur d'ondes et ces différentes longueurs d'onde changent de position sur le réseau détecteur en fonction de la profondeur entre la surface de l'objet et une référence. On génère des signaux de capteur séparés qui correspondent à l'intensité lumineuse détectée de chaque bande de longueur dtonde. On combine les signaux de capteur dans le circuit de découplage de motif de couleur d'un dispositif de traitement de signal et on extrait un signal normalisé qui est pratiquement indépendant des variations de la réflectivité et de la rugosité de sur- face. On détermine le déphasage du signal normalisé par rapport à une référence et donc des données de profondeur à partir desquelles on peut établir une représentation du profil de surface. Le capteur optique considéré en détail comporte un émetteur équipé d'une lampe multispectrale, des miroirs. dichrolques destinés à extraire des bandes visible et infrarouge:, des lentilles de condenseur et un miroir por- tant un motif de barres qui combine les bandes de longueur d'onde et projette un motif de couleur complémentaire périodique. Le récepteur optique comporte des filtres dichro!ques qui sent destinées à extraire les bandes visi- ble. et infrarouge à partir de la lumière réfléchie et des réseaux linéaires séparés de détecteurs à photodiodes. On calcule le signal normalisé par l'équation (Vta/Va-Vtb/Vb) dans laquelle V'a et Vb sont les dérivées premièbres des a 'b signaux de capteur Va et Vbo Un détecteur de maximum et de zéro et un interpolateur déterminent périodiquement le déphasage et le dispositif produit des données de profondeur qui correspondent au déphasage. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement s Figure 1 t un schéma du principe fondamental de triangulation optique à un seul point correspondant à l'art antérieur; Figure 2: le principe du procédé de triangulation par parallaxe avec marquage-par longueur d'onde; Figure 3 s une relation en rampe linéaire entre PA 1/puissance totale et la position Figure 4 s la rampe linéaire normalisée, avec un écart dû à une marche dans le profil; Figure 5 t une représentation graphique de trans- missions de lumière "en dents de scie" complémentaires pour des longueurs d'onde Xi et ?2; Figure 6 s un schéma simplifié du mode de réalisa- tion préféré du capteur optique destiné à générer et à proje- ter un motif de couleur complémentaire sur une pales et à détecter séparément les bandes de couleur reçues g Figure 7 s un graphique de la distribution d'éner- gie d'une source de lumière au tungstène; Figure 8 i une vue en plan du miroir portant un motif qui est représenté sur la figure 6 g Figure 9 s les deux réseaux linéaires de photodio- des, par rapport aux lentilles de condenseur et au miroir portant un motif; Figure 10: un diagramme montrant la forme de transmissions de lumière complémentaires en cosinus, dans -le visible et dans l'infrarouge; - Figures Il et 12 s les distributions décalées de la lumière reçue dans le visible *t l'infrarouge; Figure 13 s un schéma synoptique général du capteur de profil sans contact (le détecteur de criques ne fait pas partie de l'invention) g Figures l4a et 14b t des schémas synoptiques détaillés du mode de réalisation préféré du circuit de découplage de motif de couleur et du circuit d'établisse- ment de correspondance entre la forme du signal et le pro- fil; Figure 15 s un graphique destiné à l'explication du circuit de découplage de motif de couleur; Figure 16 s une représentation graphique du signal normalisé faisant apparaître le déphasage par rapport au signal attendu qui résulte d'un changement-du profil de surface; Figure 17 s un graphique destiné à l'explication du circuit détecteur de maximum; -et Figure 18 z un diagramme utilisé dans la repré- sentation du profil pour déterminer z, c'est-à-dire la pro- fondeur ou l'information de profil, connaissant x, c'est-à- dire l'information de déphasage. La principale difficulté dans tout procédé de triangulation par parallaxe réside dans la localisation des points correspondants dans le motif lumineux projeté et le motif lumineux détecté. Avec un seul point, le problème est éliminé au prix d'une réduction de vitesse. La technique de marquage par longueur d'onde qu'illustre la figure 2 permet de travailler sur de nombreux points en parallèle sans ambiguïté. Il existe ici deux rayons incidents L et L'. Les rayons sont rendus distincts par l'utilisation de couleurs différentes, par exemple le bleu et le rouges et les rayons réfléchis R et R' sont focalisés par un objectif 20 sur un réseau de détecteurs 21. Dans ces conditions les images ponctuelles sont distinctes si le détecteur est constitué par deux réseaux comportant des filtres de séparation de couleur. On obtient aisément un autre avantage qui consiste dans l'insensibilité aux variations de réflectivité. La couleur est le paramètre auquel on s'intéresse et ee para- mètre peut être déduit des deux signaux de détecteur, ind&- a0 pendamment du niveau absolu du signal. La seule sensibilité parasite qui demeure est la sensibilité aux variations de couleur de la surface sur laquelle porte la mesure. Ceci n'est pas très gênant pour de nombreux objets, tels que les parties de pales qui présentent généralement une bonne uni- formité de la réflectance en fonction de la longueur d'ondes De toute manière, les variations de couleur sont moins fré- quentes et plus prévisibles que les variations de réflecti- vîté. Le principe est valable pour deux couleurs, ou davan- tage, ou pour une variation continue de longueur d'onde. L'étape suivante consiste à considérer une varia- tion spatiale simple de la longueur d'onde. On supposera que la source d'éclairage produise deux longueurs d'onde discrè- tes et et que ces longueurs d'onde soient ensuite com- binées, comme le montre la figure 3. La somme des puissances correspondant aux deux longueurs d'onde est supposée être constante et le rapport PAl/puîssance totale ou PA 2/puis- sance totale peut varier de façon continue et est linéaire. La position de chaque point dans la configuration de lumière est identifiée sans ambiguïté par les valeurs relatives de puissance correspondant à chaque longueur d'onde atteignant la surface. Si on suppose que les réseaux de détecteurs ne sont sensibles qu'à l'une des longueurs d'onde, il est possi- ble de calculer un rapport des signaux lumineux détectés et d'obtenir une position de couleur particulière. Le rapport entre la différence de ces signaux et leur somme est direc- tement lié à la variation spatiale du rapport ci-dessus. La manière la plus simple de montrer oeci est la suivante s P 1=x / P 2 = k(x-x/W) P 1 + P3 = k P -1P 2 = 2x/W-1 P A + PW2 La dernière expression ci-dessus se rapporte à la puissance lumineuse reçue et constitue ce qu'on appelle le signal normalisé. Le signal normalisé# Vns est tracé sur la figure 4 et ce serait une ligne droite si la surface dont on mesure le profil était plane. La présence d'une marche dans la sur- face retards le signal dtune certaine quantité. Ainsi, l'écart et la position sur le capteur d'un rapport particulier de puissances correspondant à des lon- gueurs d'onde conduit directement au décalage de position sur la surface. Du fait que l'téclairage produit une varia- tion continue de rapports de puissance, on peut mesurer le profil à chaque point dans le captelur. Une caractéristique importante consiste en ce qu'on peut montrer par un traite- ment mathématique similaire que le signal normalisé est indépendant de la réflectivité de surface, si bien que les variations de cette réflectivité et de la rugosité de sur- face n'affectent pas la mesure de décalage résultante. Ceci suppose que la réflectivité est indépendante de la longueur d'onde. La réflectivité apparait à la fois dans le terme de différence et dans le terme de somme et elle s'annule lorsqu'on calcule le rapport. La technique de marquage par longueur d'onde uti- lisant une seule variation en rampe linéaire des puissances correspondant aux longueurs d'onde comporte deux contraintes qui ne peuvent pas Otre satisfaites simultanément, On désire une variation linéaire ainsi qu'une sensibilité élevée aux variations de profil, mais ces deux caractéristiques sont incompatibles, Une sensibilité élevée aux variations de profil demande une pente élevée mais alors la largeur maxi- male, W, qui peut être mesurée en une fois devient faible. La configuration de transmission de lumière en dents de scie ou en triangles équilatéraux de la figure 5 présente une bonne sensibilité en profondeur et permet de couvrir un plus grand champ à la fois. Il s'agit d'un motif de cou- leur complémentaire et périodique; à tout point x, la puissance totale émise PoX, + P p2 est constante. Il existe une limite sur la proximité admissible des périodes9 et la période ne peut pas devenir trop courte du fait que le problème de l'ambigu!té se manifeste à nouveau. Dans le motif luamineux reçus, les maximums se décalent sous l'effot des variations de profil et ils commencent à se croiser oi la période est trop courte. D'autre part, la période ne doit pas Otre trop grande du fait qu'on désire avoir une pente raide. Il existe donc un compromis entre leambigulté et la sensibilité on profondeur, et la raideur de la pente du motif lumineux transmis en dents de soie est sélectiomnée en ayant ce compromis à l'esprit. Le motif de couleur com- plémentaire on dents de scie est réalisable mais il nécossiî te des faisceaux lumineux bien collimatés, comme ceux que produisent les sources lumineuses à lasere La figure 6 représente le mode de réalisation pré- féré du capteur optique. Ce capteur a été réalisé pour atteindre un certain nombre d'objectifs de performances spécifiques, conformément aux exigences de l'inspection des surfaces métalliques, et en considérant en particulier les - précisions de mesure de profil qui interviennent pour les pales de moteur d'avion ou les aubes de turbine, La techni- que est applicable à de nombreuses surfaces réfléchissantes et le capteur représente une solution générale au problème de la mesure de profil. Après avoir déterminé le profil de la surface, il est possible de rechercher des écarts locaux dans la surface, tels que des piqûres, des fractures, des creux, des entailles et des décolorations. Conformément aux objectifs de performances, on désire détecter des variations de 25 microns du profil de surface sur un champ d'observation de 295 cm. On doit détecter des défauts de surface dont les dimensions latérales ne dépassent pas 250 microns. La réflectivité des surfaces de pièces peut varier d'une quantité atteignant un ordre de grandeur, à cause des revêtements et de la finition de surface. Le capteur doit pouvoir travailler avec des cadences de données de 106 éléments d'image par seconde, Le capteur optique de l'invention qui met en oeuvre la technique de marquage par longueur d'onde satisfait toutes ces spécifi- cations. Sur la figure 6, le capteur est formé par un -émetteur optique 22 et un récepteur optique 23. L'angle de parallaxe est choisi avec soin et la valeur de 260 est un bon compromis; cet angle donne une sensibilité appropriée aux variations de profil et une sensibilité réduite aux variations locales correspondant à la rugosité de surface. La source lumineuse 24 est une lampe à incandescence au tungstène qui est une source multispectrale donnant un éclairage dans les régions du visibles et de l'infrarouge. La partie infrarouge de l'éclairage (ô> 80O nm) représente environ 50% de la puissance disponible, et on doit utili- ser cette puissance pour parvenir à un rendement d'éclaira- ge maximal. Le réflecteur elliptique 25 est sélectionné de façon à réfléchir toutes les longueurs d'onde émises par la source. La distribution spectrale de la lampe au tungstène peut être commodément divisée en deux bandes de longueur d'onde égales, au moyen de réflecteurs dichrolques cou- rants, et il est souhaitable d'avoir des puissances égales dans les deux bandes de longueur d'onde. En considérant la figure 7, qui montre la distribution de la source au tungstène, on voit qu'il y a de nombreux choix possibles, avec une bande dans la région visible et l'autre dans la région infrarouge, satisfaisant les exigences qui consis- tent en ce que les bandes doivent pouvoir 4tre séparées par les techniques de filtrage optique disponibles et en ce que les puissances doivent être égales. Une autre exigence con- siste en ce que la source et le détecteur de lumière doivent être bien adaptés. La distribution de puissance de la lampe au tungstène est bien adaptée au détecteur à semiconducteur. Un miroir dichro!que 26, représenté sur la figure 6, réfléchit les composantes spectrales infrarouges et transmet les composantes visibles. Un second miroir dichrol- que 27 comporte un revêtement arrière 28 qui absorbe la lumière et ce miroir réfléchit seulement la bande de lon- gueur d'onde infrarouge extraite vers un condenseur asphéri- que 29. La lumière visible est réfléchie par un autre miroir dichrolque 30 comportant un revêtement arrière 31 qui absorbe la lumière, et la bande de longueur d'onde visible extraite traverse un condenseur asphérique 32, Un miroir 33 porte un motif de barres 34 sur une surface qui est ropr sentée de façon plus détaillée sur la figure 8. Los barres 34 cnt dos largeurs égales, elles sont mtueillemont Cqidis- tan-tes et elles peuvent consister en bandes métallisés La bande infrarouge est transmise à travers les espaces sieués entre les barres (voir la fiîgme 6) et la bande vieible est réfléchie par les barres. Les bandes infrarouge ot visi- ble alternent et la lumière est mise en coincidence et projetée dans la même direction Un objectif 35 focalise le motif de couleur complémentaire 36 sur la surface dOune pale 37. Le motif de couleur complémentaire transmis est représenté sur la figure 10 qui'montre que les bandes visi- ble et infrarouge ont une distribution en cosinus, avec une amplitude constante et un déphasage de 1800. On pourrait s'attendre à ce que le motif de barres 34 produise un motif lumineux projeté de forme carrée avec des bandes visible et infrarouge alternées, mais on obtient en fait la distribution en cosinus des deux bandes, à cause de l'effet d'étalement des condenseurs 29 et 32. L'optique de projection produit un motif d'éclairage circulaire, mais la partie utilisable du motif consiste en un rectangle cen- tral de 2,5 cm de longueur sur 3,18 mm de largeur* Dans le motif de couleur projeté (voir la figure 10) la puissance correspondant à chaque longueur d'onde varie de façon conti- nue et la puissance totale des longueurs d'onde est approxi- mativement constante en chaque point. Comme c'était le cas pour l'éclairage en dents de scie, la position de chaque point dans le motif projeté est identifiéesans ambigu!té par les valeurs relatives de la puissance correspondant à chaque longueur d'onde qui tombe sur la surface. Le motif de couleur complémentaire fait plus que de produire un éclairage, du fait que l'optique de projection transmet en outre un signal. Le récepteur optique 23 comporte un objectif 38 et un miroir dichroïque 399 réfléchissant l'infrarouge, qui transmet les bandes de longueur d'onde visibles du motif lumineux réfléchi. Ces bandes sont transmises par un filtre -40 qui laisse passer les longueurs d'onde visibles et elles sont détectées par un réseau linéaire de photodiodes 41 dont les éléments individuels génèrent des signaux de capteur correspondant à l'intensité lumineuse détectée. Les bandes de longueur d'onde înfrarougessont réfléchies vers un filtre 42 laissant passer l'infrarouge, et elles sont détectées par un second réseau linéaire de photodiodes, 43, qui est orthogonal au premier réseau 41 et aligné avec celui-ci. La figure 9 montre les réseaux détecteurs séparés 41 et 43 ainsi que leur relation (voir la figure 8) avec le miroir-33, portant un motifs et les condenseurs 29 et 32. Les deux réseaux détecteurs ont 512 diodes pour donner le champ dtobservation exigé et ce sont des composants du commerce, comme par exemple le réseau linéaire de diodes à balayage de la firme Reticon Corp. s qui fait l'objet d'un balayage électrique avec une cadence d'horloge de t MHz. Les éléments du réseau sont échantillonnés séquentiellement avec un balayage en ligne et les photodiodes individuelles génèrent un signal analogique proportionnel à la lumière tombant sur l'élément considéré. Les signaux générés com- prennent des signaux de capteur vidéo séparés pour le visi- ble et l'infrarouge. i1 Pendant que le balayage est effectué, la pale 37 et le capteur optique 22, 23 se déplacent mutuellement pour balayer toutes les surfaces de la pièce. On bloque mécani- quement une extrémité de la pièce, puis l'autre, afin de pouvoir relever les données de profil sur la totalité de la pièce. Le motif d'éclairage en couleur est projeté en per- manence sous une incidence approximativement normale à la surface, et l'émetteur et le récepteur optiques 22 et 23 sont mutuellement fixes, l'angle de parallaxe étant inchan- gé. Les variations de profondeur de la surface produisent une variation de phase correspondante entre les motifs lumineux émis et reçus. Dans le récepteur optiques les bandes de longueur d'onde visible et infrarouge se déca- lent sur les réseaux détecteurs 41 et 43 en fonction de la profondeur depuis la surface de la pièce jusqu'à une surfa- ce de référence, cette surface de référence se trouvant dans le capteur optique. Les figures 11 et 12 illustrent les décalages des maximums de la lumière détectée visible et infrarouge ou des distributions de la puissance reçue, sous l'effet des variations de profil. Le décalage est le même dans les deux distributions, à toute position donnée* Les flèches doubles indiquent que les décalages des mazimums à d'autres positions x dépendent de la variation de profil en ces points. Avant de poursuivre, on mentionnera deautres techniques permettant d'obtenir le motif de couleur complé- mentaire. Des sources lumineuses à laser et à arc convien- nent également. Les lasers produisent un éclairage ne com- portant presque qu'une seule longueur d'onde et deux lasers différents sont nécessaires. Les lasers ioniques à l'argon et les lasers YAG au néodyme ont le niveau de puissance exigé mais ils nécessitent une excitation par tube à arc avec les alimentations complexes associées à cette excita- tion. On peut résoudre le problème de la granularité mais les sources sont trop encombrantes physiquement pour pouvoir 4tre montées directement dans la structure de t8te de capteur. La source à arc la plus aisément utilisable pour l'application considérée correspond au système indium-argon. Cette lampe a une distribution de longueur d'onde appropriée et une puissance d'éclairage plus que suffisante, mais elle a une durée de vie qui n'est pas satisfaisante et elle nécessite un refroidissement. On peut employer des motifs spatiaux sur film, à la place du miroir 33 portant un motif. On prépare deux motifs de ce type et les transmissions des motifs sur film sont complémentaires. Un diviseur de faisceau de sortie recombine les bandes de longueur d'onde et on est en présence de l'inconvénient consistant dans la nécessité d'aligner les deux motifs sur film et le diviseur de faisceau, Un autre inconvénient réside dans le film lui- m6me; la variation d'amplitude appropriée dépend des condi- tions d'exposition et de développement du film et il est difficile de ma triser ces conditions. On prépare des motifs sur miroir en déposant sous vide une pellicule d'aluminium sur un substrat de verre, puis en attaquant sélectivement la pellicule à l'aide des techniques de photogravure. Si un motif de lignes discrètes est formé à une échelle inférieure à la résolution de l'optique source-récepteur, la fonction sera liée à la moyenne spatiale de l'écartement et de la largeur des lignes. On peut aisément faire varier ces paramètres d'une manière continue pour obtenir une configuration de transmis- sion en dents de scie. Un miroir à motif à losange est basé sur l'utilisation d'éléments de lentille cylindriques. Le principe fondamental consiste à transmettre et à réfléchir des faisceaux bien collimatés à partir du motif du miroir. Le mélange spectral qui émerge est focalisé sur la surface de la pièce par une lentille cylindrique. Le motif en losan- ge procure une variation linéaire en dents de scie lorsque tous les rayons situés sur une ligne orthogonale à l'axe du cylindre sont groupés ensemble. La technique nécessite que les rayons qui tombent sur le motif du miroir soient bien collimatés et ceci suggère que le motif en losange est plus particulièrement applicable à la source laser. La figure 13 est un schéma synoptique simplifié du capteur de profil sans contact* Des signaux de capteur Va et Vb correspondant à la bande visible et à la bande infrarouge sont appliqueés à un dispositif de traitement de signal qui génère des données de profondeur ou de profil en temps réel et à une cadence de 106 points/seconde. Un cir- cuit de découplage de motif de couleur, 459 combine les deux signaux de oapteur Va et Vb découple les données de motif de couleur par rapport aux données de fonction de surface, et extrait un seul signal normalisé qui est prati- quement indépendant des variations de la réflectivité et de la rugosité de la surface. Le signal normalisé est appliqué à un circuit d'etablissement de correspondance entre la forme du signal et le profil, 46; le dispositif détersmine le déphasage des maximums et des zéros du signal normalisé par rapport à une référence et il convertit leinformation de déphasage en données de profil ou de profondeur à partir desquelles on peut représenter le profil de surface. Le détecteur de criques 479 qui ne fait pas partie de lsinvoGa tion, reconnaît et identifie des écarts locaux du profil do surfaces tels que des piqzres, des fraoturesv des cezo3 etc, sur lesquels est basée la décision de rejeter la pièce, On va présenter la théorie qui esot à la base du découplage de motif de couleur avant d óenvisager 1e mode de réalisation préféré du matériel, représenté sr la figu- re 14a. On peut écrire: V = AC a Vb =B en désignant par A et B des modèles de la diffusion de la lumière à partir de la surface, et par o et P des modèles de la technique de marquage. On peut exprimer ces termes de façon locale sous la forme de polynSmes: A =A0 + Alx 2 0( =0(o + o'1x + (2x B =B0 + Blx = o + P1x + 32XEn multipliant les polyn8mes, on obtient: Va =A0% + (A1i(0 + AO0)x + (A10(1 +A0O(2)x2 + (A1cX2)x3 vb a"o o + (B1% + Bo 1) + ( + o) + ( 2 2) V b = Bo e + (B 1 j0 + BoPl) x + (B 1 Pl + Bo 32) X + ( Les expressions cidessus sont des séries de Taylor et on peut montrer qu'on a s VIa A1 + A0o À1 01 V - A= d VIb IB lO + BO, B1 e1 vb Boo B+ en désignant par V' et Ytb les dérivées premières autour a 'b du point relatif x=O. Par conséquent s Vta Vb BI A) V - V =\ - B. +V J Le premier terme entre paranthèses s'annule du fait que la surface est la même et que les fonctions de surface sont identiques. Il reste les données de marquage de couleur extraites t YVa V'b C1 el - - = - - Va - b do o Cette technique est plus générale que celle indiquée précé- demment, consistant à calculer le rapport entre la diffé- rence des signaux des capteurs et la somme de ces signaux, du fait que celle-ci suppose des puissances égales dans les bandes de longueur d'onde. La technique envisagée ici est valable pour des puissances égales ou inégales dans les bandes de longueur d'onde. En considérant la figure 14a, on voit que les signaux vidéo Va et Vb des détecteurs de bande visible et infrarouge sont appliqués,sous forme numérique, à un cir- cuit de suppression de bruit du réseau détecteur, 48, puis ensuite à un bus de mémoire 49. Les deux réseaux détecteurs 41 et 43 sont balayés électriquement à une cadence élevée et les données converties sous forme série qui sont présen- tes sur les deux lignes sont appliquées continuellement au circuit de découplage de motif de couleur 49. Les données relatives à cinq points ou éléments d'image sont lues en parallèle pour être appliquées à quatre circuits opérateurs -53. Les quatre circuits opérateurs sont identiques et sont réalisés avec une puce du type multiplicateur-accumula- teur, en circuit intégré complexe (comme par exemple le cir- cuit TRW type TDC1009J) et avec une mémoire destinée à enre- gistrer un ensemble de coefficients pour chacun des cinq points. N'importe quelle partie donnée de leonde en cosinus peut être représentée approximativement par un polynOme du second ordre. Les circuits opérateurs calculent le polynôme qui donne la meilleure approximation, au sens des moindres carrés,avec un certain nombre de points autour dqun élément d'image donné. Les points 1-5 sur la figure 15 sont carac- téristiques des données qui sont détectées, Le problème est de déterminer l'onde en cosinus 54 qui correspond à la meilleure approximation au sens des moindres carrés, ceest- à-dire pour laquelle la somme des carrés des différences entre la courbe et chaque point de données soit mînimale,. Dans chaque circuit opérateur 50-53v les coefficients enre- gistrés sont multipliés séqusntiellement par les données d'élément d'image détect' et la somme pour lensemble des cinq points est calculée* En considérant l'équation do nord malisation (V' a/Va - V'b/Vb) Ls circuits Opératers x et I oalculent les dérivées du polynmcoà tout peint a -X donné et les circuits opérateurs IB et IB calculent les a valeurs du polyn8me à tout point donné. Les circuits 55 et 56 effectuent les divisions indiquées et le circuit sous tracteur 57 génère le signal normalisé Vnu Ces circuits opérateurs traitent successivement chaque position dvélément d'image, selon un mode de balayage par ligne, en sérieo Les valeurs résultantes do 1B * IB 9 Ix, et I constituent la fonction-désirée (valeur et déivéea) du po yn8me (dvordre choisi à l'avance) qui correspond à la meilleure approxima- tion au sens des moindres carrés autour de ltélément d'ima- ge qui est évalué. En supposant que la surface mesurée soit plane, le signal normalisé attendu qui est représenté en pointillés sur la figure 16 est une onde périodique en cosinus et les périodes sont égales les unes aux autres. Un changement dans le profil, àz, conduit à un déphasage de l'onde en cosinus détectée, qui est représentée en trait continu. Le déphasage au maximum de l'onde en cosinus, ainsi qu'au zéro, est proportionnel à la profondeur ou au changement de profile hz. Les symboles P+ et P-, désignant respectivement les maxi- mums positifs et négatifs de l'onde, et Z et Z-, désignant respectivement les zéros avec une pente positive et avec une pente négative de l'onde en cosinus, sont portés sur la figure 16. On souligne à nouveau que le signal normalisé est indépendant des variations de la réflectivité et de la rugo- sité de la surface. On se référera à la figure 17 pour expliquer le fondement mathématique de la détection des maximums. Deux arcs de courbe S1 et S2 ayant des pentes opposées se ren- contrent au point x0 correspondant à un maximum. Les trois fonctions suivantes tendent vers zéro au point correspondant au maximum et leur somme est minimale à ce point, Fmax --* 0. : (P(x)) > O Au point correspondant au maximums, le sommet est plat et la dérivée partielle du polyntme P s'annule approximativement àx0À à X0.- F2: P(S1(x0)) - P(S2(x0)) - 0 L'approximation par polynômes des deux arcs S1 et S2 prédit le même point. F3: Pente (P(S1)) + Pente (P(S2)) - o Les deux arcs ont des pentes approximativement égales et opposées. Le maximum se trouve à-l'endroit auquel la somme de la valeur absolue de ces trois fonctions, prise à de nombreux points x0o est minimale. En considérant maintenant la figure 14b, on voit que le signal normalisé, bien que lissé par le processus de découplage de motif, présente néanmoins des fluctua- tions et des irrégularités localisées, et peut même dans certains cas contenir des zéros et des maximums erronés. * Le signal normalisé est appliqué à un bus de mémoire 60 et des ensembles de neuf points de données sont lus séquen- tiellement et présentés à un détecteur de maximum et de zéro, 61. Les circuits opérateurs linéaires 62-64 sont identiques aux circuits 50-54; ils calculent respective- ment les fonctions F1, F2 et F3 et la somme absolue de ces fonctions est calculée dans le circuit 65 et transmise au détecteur de minimum 66 par le sélecteur 67 qui détermine si c'est un maximum ou un zéro qui est détecté. Cette détermi- nation est effectuée en comparant le signal de sortie des éléments 62-65 du détecteur de maximum et des éléments 69 et du détecteur de zéro, et en sélectionnant le signal qui a la plus faible amplitude. Ce signal est ensuite suivi jusqu'à ce qu'il prenne une valeur minimale et on considère à ce point qu'on est en présence du maximum ou du zéros Lorsqu'on reconnaat un maximum positif ou négatif dans le signal normalisés on lit dans la mémoire 68 le numéro d'index do l'1lément (1-512) du réseau de photodiodesQ Un ensemble de cinq points de données est égale- ment présenté au circuit opérateur 69 qui est identique aux circuits opérateurs 50 et 52. Ce circuit opérateur, I.B détermine tl'onde en cosinus qui correspond à la meilleure approximation au sens des moindres carrés. Le circuit de calcul de valeur absolue 70 consiste essentioulement on redresseur et il applique un signal de sortie au détecteu de minimum 66 lorsqu'un zéro est identifié dans le sigal normalisé. Les numéros d'index correspondant aux zéros de signal sont lus dans la mémoire 68. Un interpolateur 71 est branché en parallèle avec le détecteur de maximum et de zéro 61, qui détermine la position approximative des maxi- mums et des zéros. Cet interpolateur subdivise ltintervalle d'élément dtimage défini par le déphasage en 32 parties et il détermine les maximums ou les zéros entre les éléments dtimage. LMincrément ajouté lZéro est calculé en divisant le signal normalisés Vni par la dérivée première, V l 9 n ltincrément ajouté PMaximum est calculé en divisant VIn par V"ni c'est-à-dire la dérivée seconde. L'ensemble de neuf points de données est appliqué en parallèle aux circuits 72-74 qui sont identiques au circuit opérateur 69. Le cir- cuit opérateur IB donne l'onde en cosinus qui correspond à la meilleure approximation au sens des moindres carrés à un point donné, le circuit opérateur IX donne la dérivée première du polynôme au point donné et le circuit opérateur IXx calcule la dérivée seconde à ce point. Les sous- ensembles 75 et 76 accomplissent les divisions indiquées et l'incrément AZéro ou AMaximum est transmis sélectivement par un sélecteur 77. Un circuit de classification 78 identifie les quatre classes d'onde en cosinus P +, P Z+. et Z (voir la figure 16) et celle qui est sélectionnée dépend du signe de IB et lx, L'information de classe est appliquée au sélec- teur 77 et les données correspondant au zéro interpolé ou celles correspondant au maximum interpolé sont transmises à un sous-système de représentation de profil 79. Le circuit de représentation de profil 79 comporte un ensemble de mémoires qui est tel que, connaissant la classe, on accède à une mémoire particulière et on peut lire les données de profondeur ou de profil, z, correspondant au déphasage. La nécessité d'utiliser quatre mémoires, une pour chacune des classes Z + P+, Z, et P9 peut se voir sur la figure 18 -qui montre que les quatre classes se chevauchent* Pour la totalité des quatre ensembles horizontaux de rampes, chacun d'eux commençant à l'endroit ou le précédent s'arrête, le nombre de rampes correspond au nombre de périodes dans le motif de couleur complémentaire. On n'a représenté que deux rampes pour économiser la place. Il existe une relation connue entre le déphasage et la profon- deur mesurée et, connaissant le déphasage pour une classe et une période particulières, les données de profil ou de profondeur sont enregistrées dans cette mémoire. Le numéro d'index (voir la figure 14b) est également transmis à une table 80 dans laquelle on peut lire les données de position x correspondantes. Cette position est simplement l'emplace- ment de l'étiquette donnée par rapport à un système de réfé- rence fixe tel que l'émetteur d'étiquette. Une identifica- tion complète des données de profil ou de profondeur néces- site à la fois les valeurs de x et z. On peut mettre en oeuvre un procédé plus général de reconstruction de la surface en définissant une structure d'étiquette plus perfectionnée basée sur la forme du signal lumineux d'origine. En particulier, si la forme du signal normalisé est une forme en cosinus, on peut reconstruire le déphasage à chaque élément dtimage dans le signal en détermi- nant simplement le décalage du point correspondant dans un signal de référence. Cette opération est limitée par le bruit dans l'opération de normalisation de signal qui est introduit par trois sources: le matériel de mise en oeuvres le modèle de signal et l'optique. La technique de normalisation décrite ci-dessus peut fournir un signal approprié pour la recons- truction au niveau de l'élément d'image. La technique du détecteur de maximum et de zéro est remplacée par un circuit approprié de mise à l'échelle et de corrélation pour faire correspondre au signal normalisé un signal de référence obtenu à partir d'une surface plane (4=0), Cette corrélation nécessite de faire correspondre les amplitudes an fonction de l'indsx et elle est donc quelque peu limitée au maximum des signaux, du fait que la pente est faibles Une combinai- son de la technique du détecteur de maximum et de la techli- que de corrélation pro-ire une meilleure réponse dans ces régions au prix d'un certain lissage. En conclusion, on vient de décrire un principe perfectionné pour la mesure de profil de surface sans con- tact. Un aspect original consiste dans la technique parti- culière qui permet la détermination de profil à tous les points dans le champ d'observation. En outre, ces mesures sont relativement insensibles à la réflectivité et à la rugosité de la surface. Le motif d'éclairage en couleur peut 4tre constitué par de la lumière ultraviolette, visi-n ble ou infrarouge, REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de profil de surface, carac- térisé en ce que: on balaie un objet avec un émetteur optique (22) qui projette sur la surface de l'objet un motif d'éclairage en couleur (36) qui est constitué par au moins deux longueurs d'onde différentes de lumière; on détecte la lumière réfléchie sous un angle de parallaxe connu et on détecte séparément les différentes longueurs d'onde dont la position se décale sur un réseau détecteur (41, 43) en fonction de la profondeur entre la surface de l'objet et une référence, et on génère des signaux élec- triques de capteur séparés correspondant aux intensités lumineuses des différentes longueurs d'onde détectées; et on traite les signaux de capteur pour extraire des données de profondeur à partir desquelles on peut déterminer le profil de surface. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on projette le motif de couleur (36) de façon que la puissance correspondant à chaque longueur d'onde qui tombe sur la surface varie de façon continue. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on projette le motif de couleur de façon que les valeurs relatives de la puissance correspondant à chaque longueur d'onde tombant sur la surface varient de manière continue, ce qui permet d'identifier la position de chaque point dans le motif de couleur qui est projeté. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la puissance totale correspondant aux différentes longueurs d'onde est approximativement constante en tout point dans le motif projeté. 5. Procédé selon la revendication 39 caractérisé en ce que la puissance correspondant à chaque longueur d'onde varie de façon périodique. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le motif de couleur (36) est un motif complémen- taire qui n'est constitué que par deux longueurs d'onde ou bandes de longueur d'onde de lumière. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement des signaux de capteur comprend l'opération qui consiste à élaborer un signal normalisé qui est pratiquement indépendant des variations de réfleotivité et do rugosité de surface. 8. Procédé selon la revendication 7s caractérisé en ce que le traitement des signaux comprend en outre les opérations consistant à déterminer le déphasage entre le signal normalisé et une référence et à obtenir les données de profondeur à partir du déphasage. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on détermine le déphasage en localisant les maxi- mums et les zéros du signal normalisé. 10. Procédé de mesure de profil de surface, caractérisé en ce que s on projette sur la surface d9un objet un motif d'éclairage en couleur (36) qui comprend au moins deux bandes différentes de longueur d'onde do lumiè- re, chacune d'elles ayant une variation de puissance conti- nue; on détecte la lumière réfléchie sous un angle de parallaxe donné et on extrait et on détecte séparément lesdites bandes de longueur d'onde dont la position se décale en fonction de la profondeur entre la surface de l'objet et une référence, et on génère des signaux électri= ques de capteur séparés qui correspondent à l'intensité lumineuse détectée de chaque bande de longueur d onde; on balaie la surface de l'objet avec le motif de couleur pro- jeté tout en générant les signaux de capteur o et on traite les signaux de capteur pour extraire un signal normalisé qui est pratiquement indépendant des variations de la réflectivité et de la rugosité de la surface, et on traite ce signal normalisé pour obtenir des données de profondeur à partir desquelles on peut déterminer le profil de surface. 11. Procédé selon la revendication 10, caracté- risé en ce que le motif de couleur projeté est un motif de couleur complémentaire qui est constitué par deux bandes de longueur d'onde de lumière. 12. Procédé selon la revendication 11, caractéri- sé en ce que le motif de couleur est projeté sous un angle de parallaxe dans le but d'obtenir la sensibilité maximale aux variations de profile tout en optimisant les variations de la lumière réfléchie en fonction de la rugosité de la surface. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on produit le motif de couleur en extrayant les bandes de longueur d'onde par filtrage optique des lon- gueurs d'onde émises par une source de lumière multispec- - trale (24), et en recombinant ces bandes de longueur d'onde au moyen d'un motif spatial (34). 14. Procédé de mesure de profil de surface carac- térisé en ce que: on balaie un objet avec un émetteur optique (22),qui projette sur la surface de l'objet un motif de couleur complémentaire (36) qui est constitué par deux bandes différentes de longueur d'onde de lumière qui se combinent périodiquement pour présenter une variation continue des rapports de puissance; on détecte la lumière réfléchie avec un récepteur optique (23), sous un angle de parallaxe donné et on extrait et on détecte séparément lesdites bandes de longueur d'onde dont la position se décale sur une paire de réseaux détecteurs linéaires (41, 43), avec un réseau pour chaque bande de longueur d'onde, en fonction de la profondeur entre la surface de l'objet et une référence, et on génére des premier et second signaux électriques de capteur, chacun d'eux correspondant à l'intensité lumineuse de la bande de longueur d'onde respective détectée; et on traite les premier et second signaux de capteur pour élaborer un signal normalisé qui est pratiquement indépendant des variations de la réflec- tivité et de la rugosité de la surface, et on traite ce signal normalisé pour obtenir des données de profondeur à partir desquelles on peut déterminer le profil de surface. 15. Procédé selon la revendication 14, caracté- risé en ce qu'on produit le motif de couleur complémentaire projeté en extrayant les bandes de longueur d'onde à partir d'une seule source de lumière multispectrale (24), ces ban- des de longueur d'onde ayant en outre des puissances appro- ximativement égales, et on recombine les bandes de longueur d'onde au moyen d'un motif spatial (34), 16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on traite les premier et second signaux de capteur en calculant l'expression (VIa/Va) - (v'b/Vb), dans laquelle VYa et VYb sont les dérivées premières des signaux de capteur Va et Vb.1^ pour obtenir le signal normalisé. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'on traite le signal normalisé en déterminant le déphasage entre ce signal normalisé et une référence, en localisant les maximums et les zéros du signal normalisés et en déterminant les données de profondeur à partir du dépha- sage. 18. Système de réalisation de mesures de profil de surface, caractérisé en ce qu'il comprend s un capteur optique destiné à balayer la surface d'un objet (37)? ce capteur comprenant un émetteur optique (22) qui comporte un premier dispositif optique (24, 25, 26e 279 289 299 30, 31, 32, 339 34, 35) destiné à fournir au moins deux longueurs d'onde de lumière qui sont combinées pour projeter un motif en couleur (36) sur la surface de l'objet e le capteur com- prenant de plus un récepteur optique (23) destiné à détecter la lumière réfléchie sous un angle de parallaxe prédétermi- né, ce récepteur comportant un second dispositif optique (39, 40, 42) destiné à extraire des longueurs d'onde de lumières ainsi qu'un réseau détecteur (41, 43) sur lequel la position de ces longueurs d'onde se décale en fonction de la profondeur entre la surface et une référence, le réseau détecteur générant des signaux électriques de capteur sépa- rés qui correspondent à l'intensité lumineuse détectée de chaque longueur d'onde; et un dispositif de traitement de signal (45, 46) qui, à partir des signaux de capteur, éla- bore des données de profondeur à partir desquelles on peut représenter le profil de surface. 19. Système selon la revendication 18, caractéri- sé en ce que le motif en couleur (36) est projeté dans une direction approximativement normale à la surface et l'angle de parallaxe est fixé à environ 260 pour réduire la sensi- bilité aux fluctuations locales de la rugosité de la surfa- ce. 20. Système selon la revendication 18, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de signal comporte un circuit de découplage de motif de couleur (45) qui est destiné à extraire des signaux de capteur un signal normali- sé qui est pratiquement indépendant des variations de la réflectivité et de la rugosité de la surface, et des moyens destinés à traiter le signal normalisé pour fournir les données de profondeur. 21. Système de réalisation de mesures de profil de surface, caractérisé en ce qu'il comprend: un capteur optique destiné à balayer la surface d'un objet (37), ce capteur comprenant un émetteur optique (22) qui comporte une source de lumière multispectrale (24), un premier sous- ensemble (26, 27, 28) destiné à extraire deux bandes de longueur d'onde de puissance approximativement égale, à -partir des longueurs d'onde émises par la source de lumière, et un second sous-ensemble (29* 30, 31, 32, 339 34, 35) destiné à recombiner les bandes de longueur d'onde et à projeter sur la surface un motif de couleur complé- mentaire et périodique (36), le capteur comprenant de plus un récepteur optique (23) destiné à détecter la lumière réfléchie sous un angle de parallaxe prédéterminés ce récepteur comportant un troisième sousensemble (399 40, 42) destiné à séparer les bandes de longueur d'onde et une paire de réseaux détecteurs (419 43) sur lesquels la posi- tion des bandes de longueur d'onde se décale en fonction de la profondeur entre la surface de l'objet et une référence, ces réseaux détecteurs générant une paire de signaux élec- triques de capteur qui correspondent aux intensités lumi- neuses détectées des deux bandes de longueur d'onde; et un dispositif de traitement de signal comprenant un circuit de découplage de motif de couleur (45) qui est destiné à trai- ter les signaux de capteur et à extraire un signal normalisé qui est pratiquement indépendant des variations de la réflectivité et de la rugosité de la surfaces et des moyens (46) qui sont destinés à traiter le signal normalisé pour fournir le déphasage entre ce signal normalisé et une réfé- rences et donc des données de profondeur à partir desquelles on peut représenter le profil de surface. 22. Système selon la revendication 219 caractérisé en ce que le premier sous-ensemble comprend un jeu de miroirs dichro!ques (269 27) et le second sous-ensemble com- prend un condenseur (29, 32) pour chaque bande de longueur d'onde et un miroir portant un motif (33) qui transmet une bande de longueur d'onde et réfléchit l'autre. 23. Système selon la revendication 229 caractérisé en ce que le miroir portant un motif comporte un motif de barres (34) en matière réfléchissante. 24. Système selon la revendication 23, caractérisé en ce que la source de lumière est une lampe à incandescence au tungstène (24) et les bandes de longueur d'onde se trou- vent dans les régions visible et infrarouge. 25. Système selon la revendication 21v caractérisé en ce que le troisième sous-ensemble comprend un miroir dichrolque (39) et des filtres (409 42) transmettant cer- taines régions du spectre; et les réseaux détecteuw sont des réseaux linéaires de photodiodes (419 43) et il y a un réseau pour chaque bande de longueur d'onde. 26. Système selon la revendication 219 caractérisé en ce que le circuit de découplage de motif (45) calcule l'expression (VIa/Va - B'vyVb), dans lequelle V a et V'b sont les dérivées premières des signaux de capteur Va et V a b' pour donner le signal normalisé. 27. Système selon la revendication 26, caractérisé en ce que les moyens de traitement du signal normalisé com- prennent un circuit détecteur de maximum et de zéro (61) destiné à mettre en évidence le déphasage dans chaque pério- de entre le signal normalisé et la référence, et un inter- polateur (71) est associé à ce circuit détecteur. 28. Système selon la revendication 27, caractérisé en ce que le détecteur de maximum (61) calcule trois fonc- tions d'une courbe comportant deux arcs Si et S2 qui se ren- contrent en x0, ces fonctions tendant vers zéro lorsqu'il y a un maximum, il fait la somme des valeurs absolues des trois fonctions et il produit un signal de sortie lorsqu'il détecte une somme minimale. 29. Système selon la revendication 28, caractérisé en ce que lesdites fonctions sont définies de la façon sui- vante: la dérivée d'une approximation par un polyn8me autour de x0 s'annule# l'approximation par un polynôme des deux arcs prédit le même point, et les pentes ont des valeurs absolues approximativement égales et des signes opposés.