EP1601932A2 - Procede de mesure d objets tridimensionnels par ombroscopie optique a une seule vue - Google Patents

Procede de mesure d objets tridimensionnels par ombroscopie optique a une seule vue

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Publication number
EP1601932A2
EP1601932A2 EP04718994A EP04718994A EP1601932A2 EP 1601932 A2 EP1601932 A2 EP 1601932A2 EP 04718994 A EP04718994 A EP 04718994A EP 04718994 A EP04718994 A EP 04718994A EP 1601932 A2 EP1601932 A2 EP 1601932A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
image
radius
hollow
sphere
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04718994A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Francis Lamy
Ghislain Pascal
Yvon Voisin
Alain Diou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1601932A2 publication Critical patent/EP1601932A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters

Definitions

  • the present invention relates to a method, or characterization, without contact, of three-dimensional objects, more particularly three-dimensional objects which are transparent to visible light or at least translucent with respect to this light.
  • an image is formed by means of a calculation code based on an object model chosen a priori.
  • the image thus obtained is compared with a simulated radiographic image and the model is then deformed iteratively until the simulated image coincides with the experimental image.
  • the reconstruction is based on a hypothesis of symmetry of revolution of the object.
  • Interferometry is a precise method, usable in a complex infrastructure, but it is quite delicate to implement.
  • the object of the present invention is to remedy the above drawbacks.
  • the invention uses a measurement technique by optical ombroscopy ("backlit shadowgraphy"), which applies to the characterization of objects observable from a single angle of view, especially in the case where it is difficult to access. to these objects.
  • the invention preferably uses an image acquisition system which is developed on a plane of the object studied.
  • the subject of the present invention is a method of non-contact measurement of at least one geometric parameter of a three-dimensional object, this three-dimensional object being translucent or transparent with respect to visible light, this method being characterized in what we determine the optical characteristics of the object, using these optical characteristics, we establish at least one optical model of the propagation of visible light through the object, this model comprising an equation which relates the parameter geometric of the object as a result of an observation carried out directly on an image of the object, this image being acquired by observing this object with visible light, by optical ombroscopy at a single view,
  • the geometric parameter of the object is determined using the equation and the result of the observation.
  • the optical model is further established from experiments and the image is acquired by means of an image acquisition system in visible light, by performing the development of this image acquisition system. 'images on a sectional plane of the object studied.
  • ray tracing software is used, intended to obtain images of objects, to determine the model, this software making it possible to know the influence of the object on the propagation of visible light.
  • simulations of optical ombroscopy images of auxiliary objects are also carried out to establish the model, these auxiliary objects having different respective geometric characteristics, and these image simulations are combined by multilinear regression.
  • This multilinear regression preferably implements a criterion for minimizing the error in the sense of least squares for example.
  • Ray tracing software can be used to perform the simulations.
  • the object is a hollow sphere, thus having a wall
  • the geometric parameter of the object is the thickness of this wall
  • the image of the hollow sphere with a white ring we determine the external radius of the sphere
  • we measure the radius of the white ring on the image of the object we determine the thickness of the wall according to the outer radius of the sphere and the radius of the white ring.
  • the object is a hollow cylinder, thus having a wall
  • the geometric parameter of the object is the thickness of this wall
  • the image of the cylinder hollow with a white ring we determine the external radius of the cylinder, we measure the radius of the white ring on the image of the object and we determine the thickness of the wall according to the external radius of the cylinder and the radius of the white ring.
  • the external radius can be determined using the directional derivative method.
  • the object is hollow and contains a layer or a deposit of a material which is transparent or translucent, and the thickness of this deposit or of this layer is determined.
  • the object is hollow and has an internal wall, and the deformation or roughness of this internal wall is determined.
  • an optical ombroscopy device comprising a visible light source, means for collimating this source and means for acquiring images, comprising an optic, a sensor for images and means for adjusting the digital aperture of the optic, this optic being placed between the object and the image sensor and making it possible to form the image of the section plane of the object studied on the sensor of images, and the collimation of the source and the digital aperture of the optics are adjusted.
  • the image sensor may include a charge transfer device.
  • the process which is the subject of the invention has advantages: its cost of implementation is low and the equipment necessary for this implementation is relatively easy to install in a complex infrastructure because this equipment is limited to a light source and a camera.
  • FIGS. 1A and 1B schematically illustrate the formation of white bands, for hollow spheres whose respective walls have different thicknesses
  • FIGS. 2A and 2B respectively show a real image and a simulated image of a hollow sphere
  • FIG. 2C shows the profile of a half line of the simulated image of FIG. 2B
  • FIG. 3 shows a radial profile of an image to be processed
  • FIG. 4 is a schematic view of a device making it possible to implement a method according to the invention.
  • FIG. 5A shows the ombroscopic image of a hollow cylinder
  • Figure 5B shows the profile of the image of Figure 5A.
  • the principle of measurement which is used in the invention for the measurement of an object, is based on the observation of the object by ombroscopy in visible light, in association with an optical model of light propagation.
  • This measurement principle takes into account the physical phenomena of light propagation in different translucent or transparent materials that the object comprises, in particular at the various interfaces of the object, and makes it possible to connect the measurement directly carried out on the image of ombroscopy with the internal physical dimensional quantities of the object studied, by means of the equation of the model.
  • ombroscopy Admittedly, to study a planar object, ombroscopy is an inexpensive and simple to use measurement method. By direct measurement on the image of the object, it is possible to know for example the size of the object.
  • the direct analysis of the image does not provide enough information because the observed image of a section of the object is not only the image of the section through the lens of the ombroscopy device used but also the image of the section through the objective and the object itself.
  • Figure 1A illustrates schematically, in cross section, the formation of this ring, or band, at point A for a sphere, or ball, hollow 4, whose external radius is lOOO ⁇ m and the thickness lOO ⁇ m (respectively 200 ⁇ m).
  • References 6, 8 and 10 respectively designate the light source of the ombroscopy device used for image formation, the objective of this device and the light rays which come from the source 6 and interact with the sphere 4 and goal 8.
  • the radius of this white ring is directly related to the thickness and the external radius of the studied sphere.
  • the goal of the modelizations is to relate this thickness and this external radius with the radius of the white ring.
  • This method is used for measuring the thickness of a hollow sphere.
  • FIG. 2A schematically represents an image 12 of an actual hollow sphere.
  • the external radius of this sphere is 578 ⁇ m and its thickness is 66 ⁇ m.
  • FIG. 2A the presence of a white ring 14 and a black zone 16 is observed (the corresponding elements of FIG. 2B having the same references). We found that:
  • the width of the black zone depends on the numerical aperture (“numerical aperture”) of the image acquisition system that includes the ombroscopy device used.
  • FIG. 2C shows the profile of a half line of the simulated image, the pixel numbers (Pix) being on the abscissa and the amplitudes (gray levels) on the ordinate (Ampl).
  • the white ring 14 has been identified as well as the black area 16.
  • the model is obtained by a multilinear regression which is based on the criterion of the minimization of the error in the sense of least squares (see the document mentioned above).
  • E being the vector of error between the modeling and the tests.
  • the radius of this ring is measured on each photograph.
  • Rbde 0, 0089 + 0, 9871R ext -l, 156e for R ex t belonging to the interval [800 ⁇ m; 1400 ⁇ m] and e belonging to the interval [25 ⁇ m; 250 ⁇ m].
  • This result is used to determine, from real shadow images, the thickness of the hollow sphere by measuring the external radius and the radius of the corresponding white ring.
  • This method is based on the cancellation of the gradient of the image and on the maximization of the second derivative.
  • Figure 3 shows one of these profiles.
  • the pixel numbers (Pix) are plotted on the abscissa and the amplitudes (gray levels) are plotted on the ordinate (Ampl).
  • Point A is obtained by canceling the second derivative.
  • Point B is obtained by reducing the profile study area (to the area delimited by circle C in the example shown) and by looking for the local maximum. To have a sub-pixel coordinate, the profile is locally adjusted to a Gaussian law.
  • the thickness of the sphere, for this radius is obtained by using the model equation.
  • the internal and external surfaces of the sphere are reconstructed and it is then possible to know the average thickness of the sphere on its equator.
  • the comparison is made on the measurement of the average thickness of a sphere.
  • the measurements which have been obtained are given at ⁇ 3 ⁇ m at 2 ⁇ for X-ray radiography and at ⁇ 2 ⁇ m at 2 ⁇ for interferometry.
  • the ombroscopic method of measuring the thickness of a hollow sphere according to the invention has the advantage of being inexpensive and of being able to be implemented very easily and quickly.
  • the use of this method requires a judicious choice of the digital aperture of the image acquisition system, which comprises the ombroscopy device used, and of the emission diagram of the light source which this device comprises, in order to '' obtain the optimal conditions for correctly viewing the white stripe.
  • the calculated model is valid only for a certain range of radii and a certain range of thicknesses for a given hollow sphere. This model can be improved by improving the precision on the optical characteristics of the material of which the sphere is made.
  • the uncertainty of the measurement depends essentially on the spatial resolution of the image.
  • the center of the sphere is observed in order to be able to trace the radial profiles.
  • the larger the sphere the greater the micrometer conversion coefficient per pixel is large, and therefore the greater the measurement uncertainty. This measurement uncertainty therefore depends on the radius of the studied sphere.
  • the apparatus used for ombroscopy is conventional. It includes a collimated light source, which emits visible light and which is associated with an image acquisition system which is intended to be developed on a plane of the object under study and whose digital aperture is adjustable.
  • the possibility of modifying the digital aperture of the image acquisition system facilitates the detection of the radius of the white ring.
  • Figure 4 is a schematic view of an ombroscopy device for implementing the method of the invention.
  • This device comprises a source 18 of visible light, means 20 for adjustable collimation of this source and image acquisition means, comprising an optic 22 which is provided with means 24 for varying the digital aperture of this optic.
  • CCD sensor 26 which is provided with image processing means 28, with which a display device 30 is associated.
  • a hollow sphere 32 which we want to study, is placed between the source 18 and the optic 22.
  • This optic 22 makes it possible to form the image of a plane of section of the hollow sphere 32 on the CCD sensor 26.
  • the invention relates essentially to the method used to determine the thickness of the hollow sphere, namely: determination of the experimental conditions conducive to easy detection of the radius of the white ring (digital opening of the image acquisition system, collimation of the light source), elaboration of the equation of the mathematical model based on the characteristics of the object studied and on the phenomenon observed on the image
  • Figure 5A shows the shadow image 34 of a hollow cylinder 36 with an external radius of 1000 ⁇ m and a thickness of 300 ⁇ m.
  • the profile of this image is shown in Figure 5B. This profile is drawn along line X of FIG. 5A.
  • a white band B is observed in FIG. 5A.
  • This white band corresponds to zone C in FIG. 5B.
  • the edge of the cylinder is marked with the arrow D.
  • the position of the white strip is linked to the external radius and to the thickness of the hollow cylinder.
  • Knowing the distance between the center of the white ring and each point of the latter makes it possible to determine the surface condition of the internal wall of the hollow cylinder, in terms of deformation and roughness, according to an equator or two generatrices of the cylinder, in the observation plane (which is perpendicular to the optical observation axis).
  • the method object of the invention makes it possible to measure the thickness of the internal layer subject to knowledge of the thickness of the wall of the object, called the external layer, which is then measured beforehand.
  • the roughness and deformation of the internal surface of the bilayer object can also be measured.
  • the process which is the subject of the invention can be used regardless of the diameter of the sphere or of the cylinder. Indeed, the use of an optical chain with a suitable magnification coefficient makes it possible to observe the whole of an object on a CCD sensor of 6.6 mm by 8.8 mm. It is even possible to observe only one part of the object, provided you have an appropriate optical system.
  • a hollow object for example a hollow sphere
  • account must be taken of the resolution of the optical system used for this measurement: for a given resolution, the sphere must be thick enough so that the white band can be easily distinguished.

Landscapes

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Abstract

Procédé de mesure d'objets tridimensionnels par ombroscopie optique à une seule vue. Selon l'invention, pour mesurer au moins un paramètre géométrique d'un tel objet (32) , par exemple l'épaisseur d'une sphère creuse, translucide ou transparente vis vis d'une lumière visible, on détermine des caractéristiques optiques de l'objet, à l'aide desquelles on établit au moins un modèle optique de la propagation de la lumière à travers l'objet, ce modèle comportant une équation qui relie le paramètre au résultat d'une observation effectuée directement sur une image de l'objet, cette image étant acquise en observant cet objet par ombroscopie à une seule vue, on acquiert cette image, on effectue l'observation, et l'on détermine le paramètre à l'aide de l'équation et du résultat de l'observation.

Description

PROCEDE DE MESURE D'OBJETS TRIDIMENSIONNELS PAR OMBROSCOPIE OPTIQUE À UNE SEULE VUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de mesure, ou caractérisation, sans contact, d'objets tridimensionnels, plus particulièrement d'objets tridimensionnels qui sont transparents à une lumière visible ou du moins translucides vis à vis de cette lumière .
L'invention s'applique notamment :
- à la mesure sans contact de l'épaisseur d'une sphère creuse transparente ou d'un cylindre creux transparent,
- à la mesure sans contact de l'épaisseur d'une couche transparente ou d'un dépôt transparent, placé (e) à l'intérieur d'une telle sphère ou d'un tel cylindre,
- à la mesure sans contact de la déformation ou de la rugosité de la surface interne d'une telle sphère ou d'un tel cylindre, et
- à la mesure sans contact de la déformation ou de la rugosité d'une couche transparente ou d'un dépôt transparent, placé (e) à l'intérieur d'une telle sphère ou d'un tel cylindre. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Pour mesurer sans contact un objet tridimensionnel, il est connu d'utiliser la tomographie tridimensionnelle .
Cependant, cette technique nécessite d'observer l'objet sous plusieurs incidences, ce qui n'est pas possible dans le cas où l'objet est placé dans une infrastructure complexe.
Dans le cas où l'objet est tridimensionnel, il est également connu d'utiliser une technique qui est appelée « tomographie à une seule vue ».
Selon cette dernière technique, qui nécessite des rayons X, on forme une image au moyen d'un code de calcul fondé sur un modèle d'objet choisi a priori.
L' image ainsi obtenue est comparée à une image radiographique simulée et le modèle est ensuite déformé de manière itérative jusqu'à ce que l'image simulée coïncide avec l'image expérimentale.
La reconstruction s'appuie sur une hypothèse de symétrie de révolution de l'objet.
La tomographie à une seule vue est ainsi une technique complexe et difficile à mettre en œuvre.
En outre, pour mesurer des épaisseurs et des diamètres de sphères creuses, il est connu d'utiliser l' interférométrie et la radiographie X.
L' interférométrie est une méthode précise, utilisable dans une infrastructure complexe, mais elle est assez délicate à mettre en œuvre.
Quant à la radiographie X, elle n'est pas utilisable lorsque l'objet devant être mesuré est placé dans une infrastructure complexe et ne peut être manipulé depuis l'extérieur de cette infrastructure.
Ainsi la mesure sans contact des dimensions d'un objet tridimensionnel et transparent (ou translucide) rencontre-t-elle de nombreuses difficultés, en particulier lorsque l'on veut mesurer une caractéristique interne de l'objet.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents .
Elle utilise, pour ce faire, une technique de mesure par ombroscopie optique (« backlit shadowgraphy ») , qui s'applique à la caractérisation d'objets observables sous un seul angle de vue, notamment dans le cas où il est difficile d' accéder à ces objets. En outre, l'invention utilise de préférence un système d'acquisition d'images qui est mis au point sur un plan de l'objet étudié.
De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de mesure sans contact d'au moins un paramètre géométrique d'un objet tridimensionnel, cet objet tridimensionnel étant translucide ou transparent vis à vis d'une lumière visible, ce procédé étant caractérisé en ce que on détermine des caractéristiques optiques de l'objet, à l'aide de ces caractéristiques optiques, on établit au moins un modèle optique de la propagation de la lumière visible à travers l'objet, ce modèle comportant une équation qui relie le paramètre géométrique de l'objet au résultat d'une observation effectuée directement sur une image de l'objet, cette image étant acquise en observant cet objet avec la lumière visible, par ombroscopie optique à une seule vue,
- on acquiert cette image de l'objet,
- on effectue l'observation, et
- on détermine le paramètre géométrique de l'objet à l'aide de l'équation et du résultat de 1' observation .
De préférence, le modèle optique est en outre établi à partir d'expériences et l'image est acquise au moyen d'un système d'acquisition d'images en lumière visible, en effectuant la mise au point de ce système d'acquisition d'images sur un plan de coupe de l'objet étudié.
Selon un mode de mise en œuvre préféré du procédé objet de l'invention, on utilise un logiciel de lancé de rayons (« ray tracing software ») , destiné à obtenir des images d'objets, pour déterminer le modèle, ce logiciel permettant de connaître l'influence de l'objet sur la propagation de la lumière visible.
De préférence, on effectue en outre des simulations d'images d' ombroscopie optique d'objets auxiliaires pour établir le modèle, ces objets auxiliaires ayant des caractéristiques géométriques respectives différentes, et l'on combine ces simulations d'images par une régression multilinéaire.
Cette régression multilinéaire met de préférence en œuvre un critère de minimisation de l'erreur au sens des moindres carrés par exemple. On peut utiliser un logiciel de tracé de rayons pour effectuer les simulations.
On peut notamment mesurer, conformément à l'invention, au moins un paramètre géométrique d'un objet creux à partir de l'image d'une coupe plane de 1 ' objet.
Selon un premier mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, l'objet est une sphère creuse, ayant ainsi une paroi, le paramètre géométrique de l'objet est l'épaisseur de cette paroi, l'image de la sphère creuse comportant un anneau blanc, et l'on détermine le rayon externe de la sphère, on mesure le rayon de l'anneau blanc sur l'image de l'objet et l'on détermine l'épaisseur de la paroi en fonction du rayon externe de la sphère et du rayon de l'anneau blanc.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, l'objet est un cylindre creux, ayant ainsi une paroi, le paramètre géométrique de l'objet est l'épaisseur de cette paroi, l'image du cylindre creux comportant un anneau blanc, et l'on détermine le rayon externe du cylindre, on mesure le rayon de l'anneau blanc sur l'image de l'objet et l'on détermine l'épaisseur de la paroi en fonction du rayon externe du cylindre et du rayon de l'anneau blanc.
Le rayon externe peut être déterminé à l'aide de la méthode des dérivées directionnelles.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'objet est creux et contient une couche ou un dépôt d'une matière qui est transparente ou translucide, et l'on détermine l'épaisseur de ce dépôt ou de cette couche.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, l'objet est creux et comporte une paroi interne, et l'on détermine la déformation ou la rugosité de cette paroi interne.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise un dispositif d' ombroscopie optique comprenant une source de lumière visible, des moyens de collimation de cette source et des moyens d'acquisition d'images, comportant une optique, un capteur d'images et des moyens de réglage de l'ouverture numérique de l'optique, cette optique étant placée entre l'objet et le capteur d'images et permettant de former 1 ' image du plan de coupe de l'objet étudié sur le capteur d'images, et l'on règle la collimation de la source et l'ouverture numérique de 1 ' optique.
Le capteur d'images peut comprendre un dispositif à transfert de charges.
Le procédé objet de l'invention présente des avantages : son coût de mise en œuvre est faible et le matériel nécessaire à cette mise en œuvre est relativement facile à mettre en place dans une infrastructure complexe car ce matériel se limite à une source lumineuse et une caméra.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels : les figures 1A et 1B illustrent schématiquement la formation de bandes blanches, pour des sphères creuses dont les parois respectives ont des épaisseurs différentes, les figures 2A et 2B montrent respectivement une image réelle et une image simulée d'une sphère creuse,
- la figure 2C montre le profil d'une demi- ligne de l'image simulée de la figure 2B,
- la figure 3 montre un profil radial d'une image à traiter,
- la figure 4 est une vue schématique d'un dispositif permettant de mettre en œuvre un procédé conforme à l'invention,
- la figure 5A montre l'image ombroscopique d'un cylindre creux, et
- la figure 5B montre le profil de l'image de la figure 5A.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le principe de mesure, qui est utilisé dans l'invention pour la mesure d'un objet, est fondé sur l'observation de l'objet par ombroscopie en lumière visible, en association avec un modèle optique de propagation de la lumière.
Ce principe de mesure prend en compte les phénomènes physiques de propagation de la lumière dans les différents matériaux translucides ou transparents que comporte l'objet, notamment aux différentes interfaces de l'objet, et permet de raccorder la mesure directement effectuée sur l'image d' ombroscopie avec les grandeurs dimensionnelles physiques internes de l'objet étudié, par l'intermédiaire de l'équation du modèle.
Certes, pour étudier un objet plan, 1' ombroscopie est une méthode de mesure peu coûteuse et simple à utiliser. Par une mesure directe sur l'image de l'objet, il est possible de connaître par exemple la taille de l'objet.
Cependant, pour l'étude d'un objet en trois dimensions par ombroscopie, l'analyse directe de l'image ne fournit pas assez d'informations car l'image observée d'une coupe de l'objet n'est pas uniquement l'image de la coupe à travers l'objectif du dispositif d' ombroscopie utilisé mais aussi l'image de la coupe à travers l'objectif et l'objet lui-même.
Il serait possible de retrouver les caractéristiques de la coupe étudiée si l'influence de l'objet sur la propagation du faisceau lumineux incident était connue . Cette influence peut être décrite par les équations de l'optique géométrique mais celles-ci ne sont valables que dans certains domaines (approximations de Gauss et, en particulier, faible angle de réfraction des rayons lumineux) .
Dans le cas où des objets de faible rayon de courbure sont étudiés par le procédé de l'invention, les conditions nécessaires à l'utilisation des équations de l'optique géométrique ne sont pas respectées . Afin de connaître l'influence de l'objet étudié sur la propagation de la lumière, on peut utiliser un logiciel de lancé de rayons. Ce logiciel met en oeuvre les équations de propagation des rayons lumineux à travers plusieurs dioptres optiques qui séparent des matériaux d'indices optiques différents.
La connaissance des caractéristiques optiques de l'objet à étudier permet de créer un modèle mathématique qui met en relation un phénomène observé sur l'image obtenue et les dimensions réelles de l'objet étudié ou, plus généralement, des paramètres géométriques de cet objet.
Ce modèle mathématique est obtenu par la combinaison de résultats de mesures sur des images ombroscopiques simulées, grâce à la régression multilinéaire. A ce sujet, on se reportera au document suivant :
G. Sado, M.C. Sado, « Les plans d'expériences. De l'expérimentation à l'assurance qualité », AFNOR 1991.
Par le procédé de l'invention, on a étudié des sphères creuses. Il est difficile de connaître l'épaisseur d'une telle sphère par une mesure directe sur son image ombroscopique car les rayons lumineux sont réfractés sur les différentes interfaces internes et externes de la sphère.
Sur l'image ombroscopique d'une sphère creuse apparaît un anneau blanc. Celui-ci est formé par la superposition de rayons lumineux semblant provenir du même point .
La figure 1A (respectivement 1B) illustre schématiquement, en coupe transversale, la formation de cet anneau, ou bande, au point A pour une sphère, ou bille, creuse 4, dont le rayon externe vaut lOOOμm et l'épaisseur lOOμm (respectivement 200μm) . Les références 6, 8 et 10 désignent respectivement la source lumineuse du dispositif d' ombroscopie utilisé pour la formation de l'image, l'objectif de ce dispositif et les rayons lumineux qui sont issus de la source 6 et interagissent avec la sphère 4 et l'objectif 8.
A la suite à plusieurs simulations, il s'est avéré que le rayon de cet anneau blanc est directement lié à l'épaisseur et au rayon externe de la sphère étudiée. Le but des modélisations est de mettre en relation cette épaisseur et ce rayon externe avec le rayon de l'anneau blanc.
Ainsi, en connaissant le rayon de l'anneau, ou bande, et le rayon externe de la sphère (ce dernier étant mesurable facilement sur l'image, si le système optique du dispositif d' ombroscopie est focalisé sur l'équateur de la sphère), il est possible de déterminer l'épaisseur de la sphère en utilisant l'équation du modèle que l'on a déterminé au préalable.
Dans ce qui suit, les différentes étapes d'un procédé conforme à l'invention sont décrites. Ce procédé est utilisé pour la mesure de l'épaisseur d'une sphère creuse.
La figure 2A représente schématiquement une image 12 d'une sphère creuse réelle. Le rayon externe de cette sphère vaut 578μm et son épaisseur vaut 66μm.
On peut également former une image simulée 13 d'une telle sphère creuse (figure 2B) .
Sur la figure 2A, on observe la présence d'un anneau blanc 14 et d'une zone noire 16 (les éléments correspondants de la figure 2B ayant les même références) . On a constaté que:
• le rayon de l'anneau blanc est relié à l'épaisseur de la sphère creuse,
• la largeur de la zone noire dépend de l'ouverture numérique (« numerical aperture ») du système d'acquisition d'images que comporte le dispositif d' ombroscopie utilisé.
Afin de mieux apprécier la position de la bande blanche (ou anneau blanc) , on peut former un profil de l'image simulée, ce profil ayant pour origine le centre C de l'image simulée et comme point d'arrivée un point M à l'extérieur de la sphère, comme le montre la flèche F de la figure 2B.
La figure 2C montre le profil d'une demi- ligne de l'image simulée, les numéros des pixels (Pix) étant en abscisses et les amplitudes (niveaux de gris) en ordonnées (Ampl) .
Sur cette figure 2C, on a repéré l'anneau blanc 14 ainsi que la zone noire 16.
Le modèle est obtenu par une régression multilinéaire qui s'appuie sur le critère de la minimisation de l'erreur au sens des moindres carrés (voir le document mentionné plus haut) .
La régression multilinéaire peut se traduire par l'équation suivante:
Y=fcXA+E
Y étant le vecteur des réponses fcX étant la matrice transposée de la matrice des essais
A étant le vecteur des coefficients
E étant le vecteur d'erreur entre la modélisation et les essais.
Il s'agit de trouver A en minimisant fcEE.
L'utilisation d'un logiciel de tracé de rayons permet de simuler les clichés ombroscopiques de plusieurs sphères de rayons et d'épaisseurs différents.
Ensuite, comme l'épaisseur d'une sphère et son rayon externe sont mis en relation avec le rayon de l'anneau blanc correspondant, le rayon de cet anneau est mesuré sur chaque cliché.
Nous obtenons ainsi la matrice des essais X
(correspondant à l'épaisseur et au rayon externe de chaque sphère simulée) et le vecteur des réponses Y
(correspondant aux rayons des anneaux blancs) . Il est alors possible d'utiliser la régression multilinéaire pour obtenir un modèle sous la forme: où Rext est le rayon de la bande blanche, Rbde le rayon externe de la sphère creuse et e l'épaisseur cette sphère creuse.
Dans un exemple donné à titre purement indicatif et nullement limitatif, on obtient :
Rbde=0, 0089+0, 9871Rext-l, 156e pour Rext appartenant à l'intervalle [800μm ; 1400μm] et e appartenant à l'intervalle [25μm ; 250μm] .
Ce résultat est utilisé pour déterminer, à partir des clichés ombroscopiques réels, l'épaisseur de la sphère creuse en mesurant le rayon externe et le rayon de l'anneau blanc correspondants.
On considère maintenant l'algorithme de traitement d' images .
Sur les images obtenues (image initiale et image après égalisation d'histogramme) nous pouvons détecter le rayon externe de la sphère, puis la position de la bande blanche.
Pour déterminer le rayon externe, nous utilisons de préférence la méthode des dérivées directionnelles. A ce sujet, on consultera le document suivant :
R. M. Haralick, "Digital Step Edges from Zéro Croissing of Second Directional Derivatives", IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence, vol. PAMI-6,N°1, Jan . 1984, pp 58-68.
Cette méthode s'appuie sur l'annulation du gradient de l'image et sur la maximisation de la dérivée seconde.
Ainsi, nous obtenons un centre et un rayon correspondant à la surface externe de la sphère. A partir du centre, des profils radiaux sont tracés à tous les degrés .
La figure 3 représente l'un de ces profils. Les numéros des pixels (Pix) sont portés en abcisses et les amplitudes (niveaux de gris) sont portées en ordonnées (Ampl) .
Sur chaque profil, nous recherchons le point représentant la position de la surface externe (point A) et la position de la bande blanche (point B) .
Le point A est obtenu par annulation de la dérivée seconde. Le point B est obtenu en réduisant la zone d'étude du profil (à la zone délimitée par le cercle C dans l'exemple représenté) et en recherchant le maximum local. Pour avoir une coordonnée sub-pixel, le profil est ajusté localement à une loi gaussienne.
Une fois ces opérations terminées, l'épaisseur de la sphère, pour ce rayon, est obtenue par l'utilisation de l'équation du modèle. Les surfaces interne et externe de la sphère sont reconstruites et il est alors possible de connaître l'épaisseur moyenne de la sphère sur l'équateur de celle-ci.
Afin de valider le procédé de l'invention, on a comparé les résultats obtenus par ce procédé, la radiographie X et l' interférométrie en lumière blanche (microscopie à glissement de franges) . Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 1.
Tableau 1
La comparaison est faite sur la mesure de l'épaisseur moyenne d'une sphère. Les mesures que l'on a obtenues sont données à ± 3μm à 2σ pour la radiographie X et à ± 2μm à 2σ pour l' interférométrie.
En ce qui concerne le procédé de l'invention, on considère avoir une incertitude de l'ordre ± 3 pixels pour la détection du rayon externe et de + 0,5 pixel pour la détermination de la position de la bande blanche.
Le procédé ombroscopique de mesure de l'épaisseur d'une sphère creuse conformément à l'invention a l'avantage d'être peu onéreux et de pouvoir être mis en oeuvre très facilement et rapidement. L'utilisation de ce procédé nécessite un choix judicieux de l'ouverture numérique du système d'acquisition d'images, que comporte le dispositif d' ombroscopie utilisé, et du diagramme d'émission de la source lumineuse que comporte ce dispositif, afin d'obtenir les conditions optimales pour visualiser correctement la bande blanche.
Le modèle calculé n'est valable que pour un certain domaine de rayons et un certain domaine d'épaisseurs pour une sphère creuse donnée. On peut améliorer ce modèle en améliorant la précision sur les caractéristiques optiques du matériau dont est constituée la sphère.
L' incertitude de la mesure dépend essentiellement de la résolution spatiale de l'image. Dans les exemples considérés de l'invention, on observe le centre de la sphère afin de pouvoir tracer les profils radiaux. Ainsi, plus la sphère a un rayon important, plus le coefficient de conversion micromètre par pixel est grand, et donc plus l'incertitude de mesure est importante. Cette incertitude de mesure dépend donc du rayon de la sphère étudiée.
L'appareillage utilisé pour l' ombroscopie est classique. Il comprend une source lumineuse collimatée, qui émet une lumière visible et qui est associée à un système d'acquisition d'images qui est destiné à être mis au point sur un plan de l'objet étudié et dont l'ouverture numérique est réglable.
En effet, si l'on augmente cette ouverture numérique, l'intensité de l'anneau blanc est plus importante, mais si l'ouverture numérique est trop grande, l'anneau se trouve noyé dans la tache centrale de l'image. Ainsi, la possibilité de modifier l'ouverture numérique du système d'acquisition d'images facilite la détection du rayon de l'anneau blanc.
La figure 4 est une vue schématique d'un dispositif d' ombroscopie pour la mise en œuvre du procédé objet de l'invention.
Ce dispositif comprend une source 18 de lumière visible, des moyens 20 de collimation réglable de cette source et des moyens d'acquisition d'images, comportant une optique 22 qui est munie de moyens 24 de variation de l'ouverture numérique de cette optique.
Cette dernière est suivie par un capteur CCD 26 qui est muni de moyens 28 de traitement d'images, auxquels est associé un dispositif d'affichage 30.
Une sphère creuse 32, que l'on veut étudier, est placée entre la source 18 et l'optique 22. Cette optique 22 permet de former l'image d'un plan de coupe de la sphère creuse 32 sur le capteur CCD 26.
L'invention concerne essentiellement la méthode utilisée pour déterminer l'épaisseur de la sphère creuse, à savoir: détermination des conditions expérimentales propices à une détection aisée du rayon de l'anneau blanc (ouverture numérique du système d'acquisition d'images, collimation de la source lumineuse) , élaboration de l'équation du modèle mathématique s'appuyant sur les caractéristiques de l'objet étudié et sur le phénomène observé sur l'image
(rayon externe, épaisseur de la sphère et rayon de l'anneau blanc), et traitement d' image associé pour déterminer les paramètres initiaux du modèle (rayon de l'anneau blanc et rayon externe de la sphère) pour enfin déterminer la dimension désirée de l'objet (épaisseur de la sphère creuse, dans l'exemple considéré) .
Le même procédé peut être mis en oeuvre pour la caracterisation de l'épaisseur d'un cylindre creux. Pour cette mise en œuvre, on peut encore utiliser le dispositif de la figure 4 (même source lumineuse et même dispositif d'acquisition d'images), en disposant le cylindre à la place de la sphère 32.
Sur l'image ombroscopique obtenue apparaît une bande blanche qui est liée à l'épaisseur et au rayon externe du cylindre. On recherche un nouveau modèle et on l'applique à l'image obtenue.
La figure 5A montre l'image ombroscopique 34 d'un cylindre creux 36 de 1000 μm de rayon externe et de 300 μm d'épaisseur. Le profil de cette image est représenté sur la figure 5B. Ce profil est tracé suivant la ligne X de la figure 5A.
On observe une bande blanche B sur la figure 5A. Cette bande blanche correspond à la zone C sur la figure 5B. Sur cette dernière, le bord du cylindre est repéré par la flèche D. La position de la bande blanche est liée au rayon externe et à l'épaisseur du cylindre creux.
La connaissance de la distance entre le centre de l'anneau blanc et chaque point de ce dernier permet de déterminer l'état de surface de la paroi interne du cylindre creux, en termes de déformation et de rugosité, selon un équateur ou deux génératrices du cylindre, dans le plan d'observation (qui est perpendiculaire à l'axe optique d'observation).
Dans le cas d'un objet bicouche, c'est-à- dire d'un objet creux sur la paroi interne duquel est formée une couche, dite couche interne, le procédé objet de l'invention permet de mesurer l'épaisseur de la couche interne sous réserve d'une connaissance de l'épaisseur de la paroi de l'objet, dite couche externe, que l'on mesure alors au préalable. La rugosité et la déformation de la surface interne de l'objet bicouche peuvent aussi être mesurées.
Ce qui précède s'applique aussi bien aux cylindres qu'aux sphères.
Dans le cas où l'on souhaite déterminer plusieurs paramètres géométriques de l'objet étudié, il est possible d'utiliser simultanément plusieurs modèles en association avec plusieurs détails mesurables sur l'image ombroscopique de l'objet. On résout alors un système d'équations à plusieurs inconnues.
Le procédé objet de l'invention est utilisable quel que soit le diamètre de la sphère ou du cylindre. En effet, l'utilisation d'une chaîne optique avec un coefficient de grandissement adapté permet d'observer l'ensemble d'un objet sur un capteur CCD de 6,6 mm par 8,8 mm. Il est même possible d'observer une seule partie de l'objet, à condition d'avoir un système optique approprié .
La seule restriction, qui se pose pour la mesure d'épaisseur de sphère creuse, est qu'elle soit assez épaisse pour une distinction aisée de la bande blanche, étant donné la résolution du système optique.
Lors de la mesure de l'épaisseur d'un objet creux, par exemple d'une sphère creuse, conformément à l'invention, on doit tenir compte de la résolution du système optique utilisé pour cette mesure : pour une résolution donnée, la sphère doit être suffisamment épaisse, pour que l'on puisse distinguer aisément la bande blanche.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure sans contact d' au moins un paramètre géométrique d'un objet tridimensionnel (4, 32) , cet objet tridimensionnel étant translucide ou transparent vis à vis d'une lumière visible, ce procédé étant caractérisé en ce que on détermine des caractéristiques optiques de l'objet, à l'aide de ces caractéristiques optiques, on établit au moins un modèle optique de la propagation de la lumière visible à travers l'objet, ce modèle comportant une équation qui relie le paramètre géométrique de l'objet au résultat d'une observation effectuée directement sur une image de l'objet, cette image étant acquise en observant cet objet avec la lumière visible, par ombroscopie optique à une seule vue,
- on acquiert cette image de l'objet,
- on effectue l'observation, et
- on détermine le paramètre géométrique de l'objet à l'aide de l'équation et du résultat de 1' observation .
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le modèle optique est en outre établi à partir d'expériences et l'image est acquise au moyen d'un système d'acquisition d'images en lumière visible, en effectuant la mise au point de ce système d'acquisition d'images sur un plan de coupe de l'objet étudié.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on utilise un logiciel de lancé de rayons, destiné à obtenir des images d'objets, pour déterminer le modèle, ce logiciel permettant de connaître l'influence de l'objet (4, 32) sur la propagation de la lumière visible.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel on effectue en outre des simulations d'images d'ombroscopie optique d'objets auxiliaires pour établir le modèle, ces objets auxiliaires ayant des caractéristiques géométriques respectives différentes, et l'on combine ces simulations d'images par une régression multilinéaire.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la régression multilinéaire met en œuvre un critère de minimisation de l'erreur au sens des moindres carrés .
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel on utilise un logiciel de tracé de rayons pour effectuer les simulations .
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel l'objet (4, 32) est creux et l'on mesure au moins un paramètre géométrique de cet objet creux à partir de l'image d'une coupe plane de l'objet.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'objet est une sphère creuse (4, 32), ayant ainsi une paroi, le paramètre géométrique de l'objet est l'épaisseur de cette paroi, l'image de la sphère creuse comportant un anneau blanc (14), et l'on détermine le rayon externe de la sphère, on mesure le rayon de l'anneau blanc sur l'image de l'objet et l'on détermine l'épaisseur de la paroi en fonction du rayon externe de la sphère et du rayon de l'anneau blanc.
9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'objet est un cylindre creux, ayant ainsi une paroi, le paramètre géométrique de l'objet est l'épaisseur de cette paroi, l'image du cylindre creux comportant un anneau blanc, et l'on détermine le rayon externe du cylindre, on mesure le rayon de l'anneau blanc sur l'image de l'objet et l'on détermine l'épaisseur de la paroi en fonction du rayon externe du cylindre et du rayon de l'anneau blanc.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel on détermine le rayon externe à l'aide de la méthode des dérivées directionnelles .
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, dans lequel l'objet est creux et contient une couche ou un dépôt d'une matière qui est transparente ou translucide, et l'on détermine l'épaisseur de ce dépôt ou de cette couche.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, dans lequel l'objet est creux et comporte une paroi interne, et l'on détermine la déformation ou la rugosité de cette paroi interne.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, dans lequel on utilise un dispositif d'ombroscopie optique comprenant une source (18) de lumière visible, des moyens (20) de collimation de cette source et des moyens (22, 24, 26) d'acquisition d'images, comportant une optique (22), un capteur d'images (26) et des moyens (24) de réglage de l'ouverture numérique de l'optique, cette optique étant placée entre l'objet et le capteur d'images et permettant de former 1 ' image du plan de coupe de l'objet étudié sur le capteur d'images, et l'on règle la collimation de la source et l'ouverture numérique de 1 ' optique .
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le capteur d'images comprend un dispositif à transfert de charges.
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