BE1022554B1 - DEVICE FOR 3D MEASUREMENT OF THE TOPOGRAPH OF PRODUCTS IN PROGRESS - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure 3D de topographie de la surface (1) d'un produit en défilement, comprenant : - un détecteur à grande vitesse d'acquisition (5) permettant la capture d'images 2D de la topographie de surface à mesurer (1) ; un dispositif optique comprenant au moins deux lentilles (2, 3) dont au moins une lentille mobile (2), une première lentille (2) proximale de la surface à mesurer (1) , possédant une grande ouverture numérique et placée de manière telle que le niveau de la topographie qu'on veut imager se situe dans le plan focal de ladite lentille (2), une deuxième lentille (3) distale de la surface à mesurer (1) et servant à refocaliser une image de la surface (1) obtenue par la première lentille (2) sur le détecteur (5) ; un système de déplacement rapide (4) de la première lentille (2) selon son axe optique ; - une électronique de contrôle (6) du système de déplacement rapide (4) -permettant d'effectuer des mouvements selon un axe et par paliers successifs ; - un dispositif d'éclairage puisé (8), synchronisé à la fois avec le déplacement de la première lentille (2) et avec l'acquisition d'images une unité de calcul et de contrôle (7) permettant l'acquisition des images 2D de la topographie de surface à mesurer et la reconstruction d'une image 3D à partir des images 2D.The present invention relates to a device for 3D measuring the topography of the surface (1) of a moving product, comprising: a high-speed acquisition detector (5) allowing the capture of 2D images of the topography. surface area to be measured (1); an optical device comprising at least two lenses (2, 3) including at least one movable lens (2), a first lens (2) proximal to the surface to be measured (1), having a large numerical aperture and placed in such a way that the level of the topography to be imaged is located in the focal plane of said lens (2), a second lens (3) distal from the surface to be measured (1) and serving to refocus an image of the surface (1) obtained by the first lens (2) on the detector (5); a rapid displacement system (4) of the first lens (2) along its optical axis; - a control electronics (6) of the rapid movement system (4) - allowing movements to be carried out along an axis and in successive stages; - a pulsed lighting device (8), synchronized both with the movement of the first lens (2) and with the acquisition of images, a calculation and control unit (7) allowing the acquisition of 2D images of the surface topography to be measured and the reconstruction of a 3D image from the 2D images.
Description
DISPOSITIF DE MESURE 3D DE LA TOPOGRAPHIE DE PRODUITS ENDEVICE FOR 3D MEASUREMENT OF THE TOPOGRAPHY OF PRODUCTS IN
DEFILEMENTSCROLL
Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un dispositif permettant la mesure et la visualisation en 3D de la topographie de surface de produits en défilement. La technique utilisée est basée sur la reconstitution d'une image 3D à partir d'une pluralité d'images 2D d'une zone du produit. Ces images, focalisées à différents niveaux du relief à mesurer, présentent un recouvrement commun et sont caractérisées par une faible profondeur de champ.OBJECT OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a device for measuring and visualizing in 3D the surface topography of scrolling products. The technique used is based on the reconstruction of a 3D image from a plurality of 2D images of a product area. These images, focused at different levels of the relief to be measured, have a common overlap and are characterized by a shallow depth of field.
[0002] La présente invention s'adresse plus particulièrement à la détermination de la ‘topographie de surface dans le cas de cylindres de laminage continu à chaud.The present invention is more particularly directed to the determination of the surface topography in the case of continuous hot rolling rolls.
Arrière-plan technologique et état de la technique [0003] On entend par topographie de surface, dans un contexte de métrologie, la détermination par mesure avec ou sans contact des coordonnées tridimensionnelles (3D) d'une surface, dont la connaissance permet de tirer des paramètres tels que rugosité, ondulation, etc. ou des défauts caractéristiques de l'état de surface.Background Art and State of the Art [0003] Surface topography, in a context of metrology, is the measurement by measurement with or without contact of the three-dimensional (3D) coordinates of a surface, the knowledge of which makes it possible to draw parameters such as roughness, ripple, etc. or defects characteristic of the surface condition.
[0004] La topographie de surface de nombreux produits industriels" constitue une caractéristique qu'il est important de pouvoir quantifier. A titre d'exemple, dans le domaine sidérurgique, les tôles produites pour certains secteurs tels que l'automobile font l'objet, de la part des clients, de spécifications sévères sur la rugosité. Il est donc important de pouvoir garantir la constance de ces caractéristiques pour l'ensemble des produits délivrés.[0004] The surface topography of many industrial products "is a characteristic which it is important to be able to quantify, For example, in the iron and steel field, the plates produced for certain sectors such as the automobile are subject to on the part of customers, severe specifications on roughness, so it is important to be able to guarantee the consistency of these characteristics for all delivered products.
[0005] Dans d'autres cas, la topographie de surface permet d'assurer le suivi de la dégradation d'un matériau au cours du temps, de comprendre les mécanismes de celle-ci et de prendre ainsi les actions nécessaires pour en diminuer la vitesse et les effets sur la qualité des produits. C'est notamment le cas pour les cylindres de laminoir à chaud pour lesquels les contraintes thermomécaniques entraînent l'arrachage au cours du temps de parties micro- ou mésoscopiques de la surface. Ceci se traduit par une augmentation de la rugosité du cylindre qui peut avoir plusieurs conséquences. Tout d'abord, cette rugosité peut altérer l'état de surface du produit laminé, mais surtout elle traduit une vitesse de dégradation du cylindre qui est d'autant plus rapide que les morceaux arrachés sont de plus grande taille. Il est intéressant aussi de connaître la topographie 3D de surface d'un cylindre au -cours du temps car elle influence la performance de lubrification·, par sa corrélation avec la quantité d'huile captée à la surface de contact entre la bande métallique et le cylindre.In other cases, the surface topography makes it possible to monitor the degradation of a material over time, to understand the mechanisms of the latter and to take the necessary actions to reduce the speed and effects on product quality. This is particularly the case for hot rolling mill rolls for which the thermomechanical stresses cause the tearing over time of micro- or mesoscopic parts of the surface. This results in an increase in the roughness of the cylinder which can have several consequences. First, this roughness can alter the surface condition of the rolled product, but above all it reflects a deterioration rate of the cylinder which is even faster than the torn pieces are larger. It is also interesting to know the 3D surface topography of a cylinder over time because it influences the lubrication performance ·, by its correlation with the amount of oil captured at the contact surface between the metal strip and the cylinder.
[0006] Enfin, il est de plus en plus fréquent de fabriquer des produits en feuille, aluminium ou film plastique par exemple, pour lesquels on recherche une texturation de la surface à des fins esthétiques ou même pour assurer un toucher particulier (« soft touch »). Dans ces conditions, la constance du motif et de ses caractéristiques géométriques telles que largeur, profondeur, forme, etc.*, doit être garantie au cours du * temps.Finally, it is more and more common to produce products in sheet, aluminum or plastic film for example, for which texturing of the surface is sought for aesthetic purposes or even to ensure a particular touch ("soft touch "). Under these conditions, the constancy of the pattern and its geometric characteristics such as width, depth, shape, etc. *, must be guaranteed during * time.
[0007] La technique désormais classique pour caractériser la topographie de surface est d'utiliser un appareil comprenant un fin stylet, mécanique ou optique, qui est déplacé sur la surface et en suit les dénivellations.The now classic technique to characterize the surface topography is to use an apparatus comprising a fine stylet, mechanical or optical, which is moved on the surface and follows the unevenness.
Par un système adapté, on transforme les mouvements du stylet en signaux électriques proportionnels au déplacement vertical. En adaptant la mécanique de ces appareils, on peut ainsi caractériser des topographies présentant des dénivellations de quelques nanomètres à plusieurs millimètres.By an adapted system, the movements of the stylet are transformed into electric signals proportional to the vertical displacement. By adapting the mechanics of these devices, one can thus characterize topographies presenting unevenness of a few nanometers to several millimeters.
[0008] Cette technique présente toutefois deux inconvénients majeurs. Tout d'abord, la mesure se fait sur une ligne et on ne peut obtenir une reconstitution 3D de la surface qu'en répétant la mesure un grand nombre de fois, après avoir décalé très légèrement la position du stylet perpendiculairement à son sens de déplacement. Il en résulte que la mesure d'une surface représentative prend nécessairement beaucoup de temps. Le deuxième inconvénient est que cette méthode ne peut être appliquée sur une ligne industrielle pour un contrôle en continu, indispensable si on veut réagir rapidement à une dérive des paramètres de production : ainsi il faut d'habitude prélever un échantillon du produit et le mesurer dans des conditions stables, au laboratoire ou en atelier.This technique, however, has two major drawbacks. First of all, the measurement is done on a line and we can only obtain a 3D reconstruction of the surface by repeating the measurement a lot of times, after slightly shifting the position of the stylet perpendicularly to its direction of movement. . As a result, the measurement of a representative surface necessarily takes a long time. The second disadvantage is that this method can not be applied on an industrial line for a continuous control, essential if one wants to react quickly to a drift of the parameters of production: thus one must take a sample of the product and measure it in stable conditions in the laboratory or workshop.
[0009] Pour résoudre le premier problème, différentes techniques ont été développées dont le but est de créer rapidement, voire en une fois, une' image 3D. On peut citer . comme exemple les méthodes interférométriques et les méthodes dites d'empilement de iuises au point (focus stacking en anglais). Ces deux techniques permettent une reconstruction rapide mais, à la connaissance des inventeurs, elles ne sont actuellement pas applicables en , ligne de production sur des produits en défilement. Il est également possible d'appliquer des techniques dites plénoptiques qui commencent à avoir des applications dans le domaine des caméras grand public (www.lytro.corn/camera) et qui font l'objet de recherches en microscopie (Marc Levoy et al., « Light Field Microscopy », Proceedings of SIGGRAPH 2006). Ces techniques utilisent généralement un tableau de microlentilles placé devant le CCD qui permet de reconstituer la troisième dimension à partir d'un nombre limité d'images et même à partir d'une seule. L'inconvénient est que la résolution spatiale est divisée par le nombre de niveaux verticaux qu'on souhaite différencier. De plus cette technique ne semble pas non plus être appliquée sur des produits en défilement à grande vitesse.To solve the first problem, different techniques have been developed whose goal is to create quickly, even in one go, a '3D image. We can cite . for example, interferometric methods and so-called stack stacking methods. Both techniques allow a rapid reconstruction but, to the knowledge of the inventors, they are currently not applicable in production line on scrolling products. It is also possible to apply plenoptic techniques which are beginning to have applications in the field of consumer cameras (www.lytro.corn / camera) and which are the subject of research in microscopy (Marc Levoy et al., "Light Field Microscopy", Proceedings of SIGGRAPH 2006). These techniques generally use a microlens array placed in front of the CCD that allows the third dimension to be reconstructed from a limited number of images and even from a single one. The disadvantage is that the spatial resolution is divided by the number of vertical levels to be differentiated. In addition, this technique does not seem to be applied to high-speed products.
[0010] En ce qui concerne le deuxième problème, les documents EP 1 429 114 A2 et EP 1 806 558 B1 (Topometer™) divulguent l'utilisation d'une méthode de triangulation à l'échelle microscopique associée à un laser impulsionnel qui permet de figer les images de la surface en défilement.As regards the second problem, the documents EP 1 429 114 A2 and EP 1 806 558 B1 (Topometer ™) disclose the use of a triangulation method at the microscopic scale associated with a pulsed laser which allows to freeze the images of the scrolling surface.
[0011] Cette technique fonctionne même à des vitesses de déplacement élevées mais reste limitée à des mesures le long d'une ligne dans le sens de défilement. Une amélioration de ce système utilise la projection de plusieurs lignes afin de recréer plusieurs profils de rugosité parallèles (voir EP 1 806 558 Bl). Si l'information obtenue est plus riche, on ne peut cependant pas parler de réelle mesure 3D.This technique works even at high speeds of movement but remains limited to measurements along a line in the direction of travel. An improvement of this system uses the projection of several lines in order to recreate several parallel roughness profiles (see EP 1 806 558 B1). If the information obtained is richer, we can not talk about real 3D measurement.
[0012] Par ailleurs, pour le suivi en temps réel de dégradations de surface, notamment sur les cylindres de laminoir à chaud, le document WO 02/055999 Al (Rollscope™) décrit une méthode qui utilise une colonne d'eau pour transférer l'image de la surface du cylindre jusqu'à une caméra sans être influencé par l'environnement extérieur, particulièrement difficile dans ce cas. Actuellement, seule des images 2D peuvent être générées par ce dispositif.Furthermore, for the real-time monitoring of surface degradations, in particular on the hot rolling mill rolls, the document WO 02/055999 A1 (Rollscope ™) describes a method that uses a water column to transfer the surface. image of the surface of the cylinder to a camera without being influenced by the external environment, particularly difficult in this case. Currently, only 2D images can be generated by this device.
[0013] .11 existe aussi des méthodes utilisant des techniques de décalage de phase associées à des détecteurs SPAD (Single Photon Array Detectors - voir www,everyphotoncounts.corn) qui permettent la reconstruction d'une image 3D en une seule fois et très rapidement. Cependant, les détecteurs actuels sont limités à quelques dizaines de pixels et la résolution en hauteur est de l'ordre de 20 mm. Les conditions d'utilisation et les possibilités de cette technique sont donc très éloignées de l'objet de la présente invention.[0013] There are also methods using phase shift techniques associated with single photon array detectors (SPADs - see www, everyphotoncounts.corn) which allow the reconstruction of a 3D image at one time and very quickly. . However, current detectors are limited to a few tens of pixels and the resolution in height is of the order of 20 mm. The conditions of use and the possibilities of this technique are therefore very far from the object of the present invention.
Buts de 11 invention [0014] La présente invention a pour but de répondre au problème, non encore résolu, d'obtenir une image 3D à haute résolution et quantifiable de la topographie de surface d'un produit en cours de défilement. L'invention vise à combiner ainsi les avantages des méthodes existantes tout en apportant une solution aux diverses limitations de ces méthodes.OBJECTS OF THE INVENTION [0014] The object of the present invention is to answer the problem, not yet solved, of obtaining a high resolution and quantifiable 3D image of the surface topography of a product being scrolled. The aim of the invention is thus to combine the advantages of existing methods while providing a solution to the various limitations of these methods.
[0015] La présente invention s'adresse essentiellement à la mesure de topographie de surface microscopique (quelques micromètres de dénivellation) ou mésoscopique (quelques millimètres de dénivellation). Pour des variations de niveau plus importantes, des méthodes de triangulation 3D sont couramment utilisées et donnent généralement, satisfaction.The present invention is essentially for the measurement of microscopic surface topography (a few micrometers of unevenness) or mesoscopic (a few millimeters of unevenness). For larger level variations, 3D triangulation methods are commonly used and generally give satisfaction.
[0016] En particulier, dans le contexte du laminage à chaud en continu de bandes métalliques, l'invention vise, via l'acquisition de relevé topographique de la surface de cylindres de laminoir, une meilleure maîtrise du procédé de laminage et une augmentation de' la durée de vie des _ cylindres, et partant une réduction des coûts.In particular, in the context of the continuous hot rolling of metal strips, the invention aims, through the acquisition of topographic survey of the surface of rolling mill rolls, a better control of the rolling process and an increase of the life of the cylinders, and thus a reduction in costs.
Principaux éléments caractéristiques de 1'invention [0017] La présente invention utilise une implémentation originale de la méthode d'empilement de mises au point (en anglais focus stacking) qui permet de rendre celle-ci · compatible avec la mesure 3D de topographie de la surface d'un produit en défilement.Main features of the invention [0017] The present invention uses an original implementation of the focus stacking method which makes it compatible with the 3D measurement of the topography of the surface of a scrolling product.
[0018] Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un dispositif de mesure comprenant : - un détecteur à grande vitesse d'acquisition permettant la capture d'images 2D de la topographie de surface à mesurer, de préférence une caméra CCD ou CMOS à grande vitesse ; - un dispositif optique comprenant au moins deux lentilles dont au moins une lentille mobile, c'est-à-dire une première lentille proximale de la surface à mesurer, possédant une grande ouverture numérique et placée de manière telle que le niveau de la topographie qu'on veut imager se situe dans le plan focal de ladite lentille, une deuxième lentille distale de la surface à mesurer et servant à refocaliser une image de la surface obtenue par la première lentille sur le détecteur. On peut utiliser au lieu de la première lentille un premier groupe de lentilles, choisi pour avoir une profondeur de champ suffisamment faible (ou une grande ouverture numérique) et un champ de vision élevé. La première lentille ou le premier groupe de lentilles sera placé de manière telle que le niveau de topographie que l'on veut imager se situe dans le plan focal de la lentille ou du groupe de lentilles. On peut également utiliser au lieu de la deuxième lentille un deuxième groupe de lentilles choisi pour refocaliser l'image à la distance souhaitée.; - un système de déplacement rapide de la première lentille selon son axe optique, de préférence une table de déplacement piézo-électrique à un axe, cet axe étant orienté parallèlement à l'axe optique de la première lentille (ou premier groupe de lentilles) ; - une électronique de contrôle dû système de déplacement rapide permettant d'effectuer des mouvements selon un axe et par paliers successifs ; - un dispositif d'éclairage pulsé, synchronisé à la fois avec le déplacement de la première lentille et avec l'acquisition d'images, de préférence un laser impulsionnel ou une LED de puissance, activé pendant un temps très court. Avantageusement, cette source pourra comprendre une optique pour diriger la lumière vers le produit en défilement, comme par exemple un miroir semitransparent ; - une unité de calcul et de contrôle, par exemple un PC ou un microcontrôleur, permettant l'acquisition des images 2D de la topographie de surface à mesurer et la reconstruction d'une image 3D à partir des images 2D.A first aspect of the present invention relates to a measuring device comprising: a high-speed acquisition detector for capturing 2D images of the surface topography to be measured, preferably a CCD or CMOS camera high speed ; an optical device comprising at least two lenses including at least one moving lens, that is to say a first lens proximal to the surface to be measured, having a large numerical aperture and placed in such a way that the level of the topography it is desired to image is located in the focal plane of said lens, a second lens distal from the surface to be measured and used to refocus an image of the surface obtained by the first lens on the detector. Instead of the first lens, it is possible to use a first lens group chosen to have a sufficiently small depth of field (or a large numerical aperture) and a high field of view. The first lens or group of lenses will be placed in such a way that the level of topography that is to be imaged is in the focal plane of the lens or group of lenses. It is also possible to use instead of the second lens a second group of lenses chosen to refocus the image to the desired distance .; a system for rapid displacement of the first lens along its optical axis, preferably a one-axis piezoelectric displacement table, this axis being oriented parallel to the optical axis of the first lens (or first group of lenses); a control electronics of the rapid displacement system making it possible to perform movements along an axis and in successive stages; a pulsed lighting device, synchronized with both the displacement of the first lens and with the acquisition of images, preferably a pulsed laser or a power LED, activated for a very short time. Advantageously, this source may include an optics for directing the light towards the scrolling product, for example a semitransparent mirror; a computing and control unit, for example a PC or a microcontroller, enabling the acquisition of the 2D images of the surface topography to be measured and the reconstruction of a 3D image from the 2D images.
[0019] Selon une variante de l'invention, une colonne d'eau comme dans le Rollscope™ (WO 02/055999 Al) peut être avantageusement interposée entre la première lentille proximale de la surface à mesurer et cette dernière.According to a variant of the invention, a water column as in the Rollscope ™ (WO 02/055999 A1) may be advantageously interposed between the first proximal lens of the surface to be measured and the latter.
[0020] Un deuxième aspect de l'invention concerne une méthode d'acquisition de la topographie 3D d'une surface en défilement continu, par empilement de mises au point en utilisant le dispositif de mesure décrit ci-dessus, caractérisée par la relation suivante -A second aspect of the invention relates to a method for acquiring the 3D topography of a continuously moving surface, by stacking focusing using the measuring device described above, characterized by the following relationship -
entre la vitesse de ligne vune, le nombre n et la fréquence d'acquisition f d'images, le champ-de vision d'une image 2D donnée HFOVim et le champ de vision commun HFOV3D.between the vune line velocity, the number n and the acquisition frequency f of images, the field of view of a given 2D image HFOVim and the common field of view HFOV3D.
[0021] Cette relation s'applique avantageusement avec une vitesse de ligne vune comprise entre 1 et 30 m/s, de préférence entre 1 et 10 m/s, un nombre n d'images compris entre 5 et 20, une fréquence d'acquisition f comprise entre 5 et 30 kHz, un champ de vision pour chaque image compris entre 1 et 10 mm et un champ de vision commun à toutes les images compris entre 0,5 et 5 mm.This relationship advantageously applies with a vane line speed of between 1 and 30 m / s, preferably between 1 and 10 m / s, a number n of images between 5 and 20, a frequency of acquisition f between 5 and 30 kHz, a field of vision for each image between 1 and 10 mm and a field of view common to all the images between 0.5 and 5 mm.
[0022] L'originalité de la méthode selon la présente invention réside aussi dans l'utilisation d'une optique spécifique (la première lentille ou le premier groupe de lentilles) à la place d'un objectif microscope, ce qui permet de diminuer la profondeur de champ et d'augmenter le champ de vision.The originality of the method according to the present invention also lies in the use of a specific optics (the first lens or the first group of lenses) instead of a microscope objective, which reduces the depth of field and increase the field of view.
[0023] De plus, l'adaptation de la technique de focus stacking à la mesure d'un substrat défilant à vitesse élevée est très compliquée dans le cadre des limites de l'état de la technique en utilisant un objectif microscope. Du fait du champ de vision restreint, il serait nécessaire de déplacer l'objectif microscope parallèlement à son axe optique, à une vitesse et sur une distance incompatibles avec les systèmes piézoélectriques actuels. Avec l'optique spécifique utilisée selon la présente invention, avantageusement, le champ de vision est plus élevé, la profondeur de champ est plus faible et la vitesse de déplacement de l'optique plus faible que si l'on utilisait un objectif microscope. Il est aussi possible, si on utilise un groupe de lentilles au lieu de la lentille proximale, de déplacer chaque lentille de manière à ce que le déplacement total soit réparti sur 2 ou plusieurs lentilles du groupe. De cette manière, on peut encore réduire l'amplitude et la vitesse de chaque déplacement pour un même empilement de mises au point.In addition, the adaptation of the focus stacking technique to the measurement of a high speed traveling substrate is very complicated within the limits of the state of the art using a microscope objective. Due to the restricted field of view, it would be necessary to move the microscope objective parallel to its optical axis at a speed and distance incompatible with current piezoelectric systems. With the specific optics used according to the present invention, advantageously, the field of view is higher, the depth of field is lower and the speed of movement of the optics lower than if a microscope objective was used. It is also possible, if using a lens group instead of the proximal lens, to move each lens so that the total displacement is distributed over 2 or more lenses of the group. In this way, one can further reduce the amplitude and the speed of each displacement for the same stack of debugging.
[0024] Enfin, cette optique peut aussi être calculée pour avoir la possibilité d'augmenter théoriquement à l'infini la distance entre le premier et le deuxième groupe de lentilles , afin de pouvoir non seulement y insérer un éclairage brightfield mais d'adapter le chemin optique à l'espace disponible pour placer le capteur.Finally, this optic can also be calculated to have the possibility of theoretically increasing to infinity the distance between the first and the second group of lenses, in order to not only insert a brightfield lighting but to adapt the optical path to the available space to place the sensor.
Brève description des figures > [0025] La figure 1 illustre schématiquement le principe du dispositif selon la présente invention et les différents éléments qui le constituent.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [0025] FIG. 1 schematically illustrates the principle of the device according to the present invention and the various elements that constitute it.
[0026] La figure 2 illustre le timing respectif des prises d'image, de la commande de l'éclairage et du mouvement de déplacement de la lentille dans une modalité d'exécution préférée de l'invention.FIG. 2 illustrates the respective timing of the image pickups, the control of the illumination and the displacement movement of the lens in a preferred embodiment of the invention.
[0027] La figure 3 illustre mathématiquement le principe de recouvrement d'images 2D donnant une zone commune utilisée pour la reconstruction 3D par la technique d'empilement de mises au point, appliqué dans le cas d'un déplacement sur une ligne de production.Figure 3 illustrates mathematically the 2D image overlapping principle giving a common area used for 3D reconstruction by the focus stacking technique, applied in the case of a displacement on a production line.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0028] Le dispositif proposé par l'invention se caractérise principalement par le fait qu'il permet de prendre une série d'images 2D, focalisées à différents niveaux selon l'axe Z, de la surface d'un produit en défilement 1 dans le plan XY en assurant que l'ensemble des images contient une zone ou portion commune de la surface à mesurer. Cette zone pourra alors être reconstruite en 3D à partir de l'ensemble des images 2D, à l'aide d'un algorithme spécifique approprié, connu en soi de l'homme de métier. La résolution en Z est alors fonction du grossissement et de l'ouverture numérique de l'optique, du capteur et du traitement d'image (sous-pixel ou pas).DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION The device proposed by the invention is mainly characterized by the fact that it makes it possible to take a series of 2D images, focused at different levels along the axis Z, from the surface of a scrolling product 1 in the XY plane, ensuring that all the images contain a zone or common portion of the surface to be measured. This zone can then be reconstructed in 3D from the set of 2D images, using an appropriate specific algorithm, known in itself to those skilled in the art. The Z resolution is then a function of the magnification and the numerical aperture of the optics, the sensor and the image processing (subpixel or not).
[0029] Dans ce dispositif, illustré à la figure 1, une première lentille (ou un premier groupe de lentilles) 2 est . placée de manière telle qu'une coupe de la topographie de surface soit située dans le plap focal de ladite lentille 2. La distance focale de ladite lentille 2 est choisie de manière à ce que celle-ci soit assez longue pour que le dispositif soit localisé à distance raisonnable de la surface en défilement 1 et assez courte pour assurer une profondeur de champ suffisamment faible pour obtenir la résolution verticale souhaitée pour l'image 3D finale. Dans une forme d'exécution de l'invention, cette distance pourra de préférence être de l'ordre de quelques dizaines de millimètres, par exemple 30 mm, et la lentille 2 pourra être constituée d'un doublet achromatique qui permet de diminuer les aberrations sphériques et chromatiques. Le diamètre de la lentille 2 peut être adapté pour obtenir une ouverture numérique résultant en une profondeur de champ compatible avec la mesure souhaitée. Par exemple, pour une profondeur de champ de l'ordre de quelques microns, la lentille aura idéalement un diamètre (standard) de 25 ou 50 mm.In this device, illustrated in Figure 1, a first lens (or a first group of lenses) 2 is. positioned such that a section of the surface topography is located in the focal plane of said lens 2. The focal distance of said lens 2 is chosen so that it is long enough for the device to be located at a reasonable distance from the scrolling surface 1 and short enough to ensure a sufficiently small depth of field to obtain the desired vertical resolution for the final 3D image. In one embodiment of the invention, this distance may preferably be of the order of a few tens of millimeters, for example 30 mm, and the lens 2 may consist of an achromatic doublet that reduces the aberrations spherical and chromatic. The diameter of the lens 2 can be adapted to obtain a numerical aperture resulting in a depth of field compatible with the desired measurement. For example, for a depth of field of the order of a few microns, the lens will ideally have a diameter (standard) of 25 or 50 mm.
[0030] L' image, focalisée à l'infini par la première lentille est ensuite reprise par une deuxième lentille (ou un deuxième groupe de lentilles) 3 pour être focalisée sur la surface sensible d'un détecteur 5, idéalement constitué par une caméra CCD ou CMOS à grande vitesse d'acquisition.The image, focused at infinity by the first lens is then taken up by a second lens (or a second lens group) 3 to be focused on the sensitive surface of a detector 5, ideally constituted by a camera CCD or CMOS high speed acquisition.
[0031] Comme la première lentille 2 focalise à l'infini, cette deuxième lentille 3 peut être située à n'importe quelle distance de la première sans incidence notable sur le résultat. Cette configuration permet d'optimiser le chemin optique pour obtenir le meilleur arrangement possible du dispositif global.. Notamment, on peut intercaler un ou plusieurs prismes ou miroirs entre les deux lentilles 2, 3 (ou entre les deux groupes de lentilles) afin d'adapter le chemin optique à l'espace disponible sur la ligne de production. On peut aussi garantir un espace suffisant pour intercaler le système de déplacement des .lentilles décrit ci-dessous.As the first lens 2 focuses to infinity, this second lens 3 can be located at any distance from the first without significant impact on the result. This configuration makes it possible to optimize the optical path to obtain the best possible arrangement of the overall device. In particular, one or more prisms or mirrors can be inserted between the two lenses 2, 3 (or between the two lens groups) in order to adapt the optical path to the space available on the production line. Sufficient space can also be provided to interpose the lens shift system described below.
[0032] La distance focale de la deuxième lentille 3 est calculée de manière à obtenir un grossissement global adapté à l'application, c'est-à-dire que la zone à observer sur le produit doit être complètement imagée sur le détecteur de la caméra 5. Bar exemple, si on veut observer une zone de 6 mm de largeur sur un cylindre de laminoir et que la taille du CCD de la caméra est de 16 mm de côté, il faudra que la distance focale de la deuxième lentille soit telle que F2/F1 = 16/6 ~ 2,66. Le détecteur de la caméra sera alors placé au point focal de la deuxième lentille 3.The focal length of the second lens 3 is calculated so as to obtain a global magnification adapted to the application, that is to say that the area to be observed on the product must be completely imaged on the detector of the 5. For example, if you want to observe an area 6 mm wide on a rolling mill cylinder and the CCD size of the camera is 16 mm side, it will be necessary that the focal length of the second lens is such that F2 / F1 = 16/6 ~ 2.66. The detector of the camera will then be placed at the focal point of the second lens 3.
[0033] Il faut noter que cette combinaison de lentilles permet de travailler à une distance assez grande de la surface en défilement tout en créant un système optique dont la distance focale équivalente est plus petite que la distance de travail. Dans ces conditions, les lois de l'optique indiquent que la profondeur de champ globale du système optique est plus faible que si on utilisait seulement la première lentille ou le premier groupe de lentilles. Ce point est favorable pour améliorer la résolution verticale lors de la reconstruction de l'image 3D.It should be noted that this combination of lenses makes it possible to work at a relatively large distance from the moving surface while creating an optical system whose equivalent focal length is smaller than the working distance. Under these conditions, the laws of optics indicate that the overall depth of field of the optical system is lower than using only the first lens or the first group of lenses. This point is favorable to improve the vertical resolution during the reconstruction of the 3D image.
[0034] Afin de balayer différentes altitudes de la topographie de surface, ce qui permet de reconstruire une image 3D, une des lentilles (ou les deux) est (sont) déplacée(s) perpendiculairement à la surface à mesurer de manière à acquérir des images successives à différents niveaux et à une vitesse telle que, malgré le déplacement du produit, toutes les images se recouvrent partiellement de sorte qu'elles présentent une zone commune de taille suffisante. · [0035] A titre d'exemple, on peut considérer le cas où on veut caractériser la dégradation d'un cylindre de laminoir à chaud par mesure tridimensionnelle de sa surface. Les essais effectués dans le cadre . du développement du Rollscope™ (WO 02/055999 Al) ont montré qu'il suffit d'observer, à plusieurs endroits de la circonférence, un champ de vision de quelques millimètres de large pour obtenir des images représentatives des cycles de dégradation. Si le cylindre possède par exemple une vitesse de défilement périphérique de 3 m/s,» on parcourt la moitié du champ de » vision en 1 ms. Si on souhaite discriminer une dizaine d'altitudes de la topographie, ce qui implique de prendre 10 images pendant ce temps, on aurait une zone de recouvrement de 3 mm à condition d'utiliser une caméra rapide permettant d'acquérir 10000 images par seconde.In order to scan different altitudes of the surface topography, which allows to reconstruct a 3D image, one of the lenses (or both) is (are) moved (s) perpendicularly to the surface to be measured so as to acquire successive images at different levels and at such a speed that, despite the displacement of the product, all the images overlap partially so that they have a common area of sufficient size. For example, we can consider the case where we want to characterize the degradation of a hot roll mill by three-dimensional measurement of its surface. The tests carried out in the frame. development of the Rollscope ™ (WO 02/055999 A1) have shown that it is sufficient to observe, at several points in the circumference, a field of view a few millimeters wide to obtain representative images of the cycles of degradation. If the cylinder has, for example, a peripheral speed of 3 m / s, half of the field of vision is scanned in 1 ms. If we want to discriminate a dozen altitudes of the topography, which involves taking 10 images during this time, we would have a 3 mm coverage area provided to use a fast camera to acquire 10,000 images per second.
[0036] Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, seule la lentille ou le groupe de lentilles 2 le plus proche (ou proximal) de la surface à observer est déplacé, par exemple en le positionnant sur une table de déplacement piézoélectrique qui permet des mouvements rapides d'amplitude suffisante. Dans ces conditions, la lentille ou le groupe de lentilles 2 doit être déplacé, au total, de la même longueur que la profondeur de la topographie qu'on souhaite analyser.According to a preferred embodiment of the invention, only the lens or the group of lenses 2 closest (or proximal) to the surface to be observed is displaced, for example by positioning it on a piezoelectric displacement table. which allows fast movements of sufficient amplitude. Under these conditions, the lens or the group of lenses 2 must be moved, in total, of the same length as the depth of the topography that one wishes to analyze.
[0037] Le système de contrôle de la table de déplacement piézoélectrique doit être idéalement programmé de manière à déplacer la lentille par paliers : elle est déplacée rapidement d'une position de mesure à la suivante puis le mouvement est arrêté pendant le temps de la prise d'image.The control system of the piezoelectric displacement table must be ideally programmed so as to move the lens in stages: it is moved quickly from one measurement position to the next and then the movement is stopped during the time of taking image.
[0038] Si la table piézoélectrique ne permet pas de mouvement suffisamment rapide compte tenu de la vitesse de défilement du produit, il peut être nécessaire de combiner les mouvements de deux ou plusieurs tables,.par exemple en les superposant et en les actionnant simultanément.· [0039] En même temps que la table arrive en position de mesure et que la prise d'image est enclenchée par un programme de contrôle, un éclairage impulsionnel suffisamment puissant est actionné pendant un temps plus court que le temps de maintien de la table dans la même position, de manière à figer 1' image de la surface du produit défilant.If the piezoelectric table does not allow movement fast enough given the speed of travel of the product, it may be necessary to combine the movements of two or more tables, for example by superimposing them and simultaneously actuating them. [0039] At the same time that the table arrives in the measurement position and the image is switched on by a control program, a sufficiently powerful pulse lighting is operated for a shorter time than the table holding time. in the same position, so as to freeze the image of the surface of the scrolling product.
[0040] La source lumineuse sera idéalement mais non exclusivement monochromatique et pourra être constituée de n'importe quel élément tel qu'un laser impulsionnel ou une LED de puissance dont le flux lumineux sera suffisant pour obtenir une image de bonne qualité et le temps d'impulsion suffisamment court pour éviter un « filé » de l'image de la surface.The light source is ideally but not exclusively monochromatic and may consist of any element such as a pulsed laser or a power LED whose light output will be sufficient to obtain a good quality image and the time of day. pulse sufficiently short to avoid a "spun" of the image of the surface.
[0041] Des essais ont montré qu'une LED bleue (par exemple de longueur d'onde 475 nm) d'une puissance d'un watt, activée pendant un temps d'une microseconde permettait d'obtenir une image adaptée dans les conditions de l'exemple repris ci-dessus. En effet, l'utilisation d'une source non cohérente permet d'éliminer l'effet de speckle et l'utilisation d'une source monochromatique de courte longueur d'onde permet d'une part de diminuer la profondeur de champ et d'autre part d'augmenter la résolution.Tests have shown that a blue LED (for example wavelength 475 nm) with a power of one watt, activated for a time of one microsecond allowed to obtain a suitable image under the conditions of the example mentioned above. Indeed, the use of a non-coherent source makes it possible to eliminate the speckle effect and the use of a monochromatic source of short wavelength makes it possible on the one hand to reduce the depth of field and to on the other hand to increase the resolution.
[0042] Enfin, lorsque, par déplacement de la (ou des) lentille (s), on a balayé toute la hauteur voulue des dénivellations de la surface du produit, on traite les images par un logiciel approprié pour reconstruire une image 3D dont les caractéristiques sont quantifiables. Plusieurs algorithmes sont disponibles pour réaliser cette étape, notamment ceux basés sur les transformées en ondelettes (wavelet transforme) .Finally, when, by displacement of the (or) lens (s), the entire desired height of the elevations of the surface of the product has been scanned, the images are processed by appropriate software to reconstruct a 3D image whose characteristics are quantifiable. Several algorithms are available to perform this step, especially those based on wavelet transforms.
[0043] Mathématiquement, le principe du recouvrement d'images 2D donnant une zone commune utilisée pour la reconstruction 3D, dans le cas d'un déplacement sur une ligne de production est donné par les équations suivantes : ou avec :Mathematically, the principle of recovery of 2D images giving a common area used for the 3D reconstruction, in the case of a displacement on a production line is given by the following equations: or with:
f = fréquence d'acquisition d'images ; viine = vitesse de ligne ; n = nombre'd'images dans la pile ; ’ HFOVim = champ de vision d'une image (selon la direction de défilement) ; . HFOV3D = champ de vision commun à toutes les images, utilisé pour la reconstruction 3D.f = image acquisition frequency; viine = line speed; n = number of images in the stack; 'HFOVim = field of view of an image (depending on the direction of scrolling); . HFOV3D = field of vision common to all images, used for 3D reconstruction.
[0044] Par exemple, si n=10, HFOVim = 6 mm (resp. 3 mm), HF0V3D = 3 mm (resp. 1,5 mm), vune = 3m/s, alors f = 9 kHz (resp. 18 kHz). La fréquence d'échantillonnage (déplacement piézo) est par exemple de 0,5-2 kHz.For example, if n = 10, HFOVim = 6 mm (respectively 3 mm), HF0V3D = 3 mm (respectively 1.5 mm), vune = 3m / s, then f = 9 kHz (respectively 18) kHz). The sampling frequency (piezo displacement) is, for example, 0.5-2 kHz.
Liste des symboles de référence 1 surface en défilement dont on veut quantifier les dénivellations 2 première lentille ou premier groupe de lentilles 3 deuxième lentille ou deuxième groupe de lentilles 4 dispositif de déplacement de la (ou des) lentille(s) ’ 5 détecteur (caméra) 6 électronique de contrôle du déplacement de la (ou des) lentille(s) 7 unité de commande et de calcul (PC) 8 éclairage pulsé 9 miroir semi-transparent . * »List of reference symbols 1 scrolling surface whose unevenness is to be quantified 2 first lens or first group of lenses 3 second lens or second group of lenses 4 device for moving the detector lens (s) (camera ) 6 electronic control of the displacement of the (or) lens (s) 7 control unit and calculation (PC) 8 pulsed lighting 9 semi-transparent mirror. * »
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2014
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