FR2549951A1

FR2549951A1 - Optical device for determining the position of an object

Info

Publication number: FR2549951A1
Application number: FR8312554A
Authority: FR
Inventors: Jean Robieux; Jean Cornillault; Antoine Bettinger
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1983-07-29
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1985-02-01
Also published as: FR2549951B1

Abstract

The device consists of a laser generator 1 and a system 4 for varying the frequency of the laser radiation from the generator. An optical antenna 7 placed at the output of the generator creates a flat beam oscillating between two limiting planes P1, P2. An optical receiving system 9 forms on an array of photodetectors 10 the image of the curve followed by the flat beam as it intersects the surface of the object. A processing circuit 12 is connected to the output from the array 10. Application to robotics.

Description

Dispositif optique pour déterminer la position d'un objet
La présente invention concerne un dispositif optique pour déterminer la position d'un objet, ce dispositif étant d'un type comportant - un générateur d'un rayonnement optique, - un système optique d'émission placé à la sortie du générateur pour former, suivant une axe d'émission, un faisceau illuminant une portion de la surface de l'objet, - un système optique de réception disposé pour concentrer, suivant un axe de réception coupant l'axe d'émission, l'énergie optique renvoyée par l'objet, - un récepteur photoélectrique disposé sur l'axe de réception pour recevoir l'énergie optique concentrée, - des moyens pour faire tourner le faisceau autour d'un axe de rotation perpendiculaire au plan défini par les axes d'émission et de réception, de façon à déplacer leur point d'intersection - et un circuit de traitement relié à la sortie du récepteur et aux moyens pour faire tourner le faisceau.Optical device for determining the position of an object
The present invention relates to an optical device for determining the position of an object, this device being of a type comprising - a generator of optical radiation, - an optical emission system placed at the outlet of the generator to form, according to an emission axis, a beam illuminating a portion of the surface of the object, - an optical reception system arranged to concentrate, along a reception axis cutting the emission axis, the optical energy returned by the object, - a photoelectric receiver arranged on the reception axis to receive the concentrated optical energy, - means for rotating the beam around an axis of rotation perpendicular to the plane defined by the emission and reception axes, so as to move their point of intersection - and a processing circuit connected to the output of the receiver and to the means for rotating the beam.

Dans un dispositif connu de ce type, les axes d'émission et de réception se coupent à proximité de l'objet. Lorsqu'on fait tourner le faisceau d'émission, le récepteur délivre un signal électrique qui passe par une valeur maximale à l'instant où le point d'intersection des axes est situé sur la surface de l'objet. Le circuit de traitement détermine l'instant où le signal est maximum et calcule la distance de l'objet à partir de la loi de rotation du faisceau. In a known device of this type, the transmission and reception axes intersect near the object. When the emission beam is rotated, the receiver delivers an electrical signal which passes through a maximum value at the instant when the point of intersection of the axes is located on the surface of the object. The processing circuit determines the instant when the signal is maximum and calculates the distance of the object from the law of rotation of the beam.

Le dispositif décrit ci-dessus présente des inconvénients. En effet, il est difficile de l'adapter à la détermination de la distance d'une pluralité de points de l'objet, c'est-à-dire à la reconnaissance de la forme de l'objet. D'autre part, il utilise généralement des moteurs électriques pour entrainer en rotation des miroirs afin de faire tourner le faisceau d'émission, ce qui complique le dispositif et entraine une durée de mesure trop longue pour certaines applications. The device described above has drawbacks. Indeed, it is difficult to adapt it to the determination of the distance of a plurality of points of the object, that is to say to the recognition of the shape of the object. On the other hand, it generally uses electric motors to drive mirrors in rotation in order to rotate the emission beam, which complicates the device and results in a measurement time that is too long for certain applications.

La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients, et de réaliser un dispositif de ce type ne comportant aucune pièce mobile et capable de reconnaitre la forme d'un objet en un temps extrêmement court, avec une bonne précision. The present invention aims to overcome these drawbacks, and to provide a device of this type comprising no moving part and capable of recognizing the shape of an object in an extremely short time, with good precision.

La présente invention a pour objet un dispositif pour déterminer la position d'un objet, du type spécifié plus haut, caractérisé en ce que - le générateur est un émetteur laser à fréquence de rayonnement commandable, - le système optique d'émission comporte un guide d'onde optique principal dont une extrémité est couplée à la sortie de l'émetteur laser et n guides d'onde optique auxiliaires branchés successivement en dérivation sur le guide d'onde principal, les extrémités libres des n guides d'onde auxiliaires aboutissant respectivement à n points équidistants et alignés sur un segment pour former une antenne optique, la longueur des guides d'onde auxiliaires et la disposition des branchements en dérivation des guides d'onde auxiliaires sur le guide d'onde principal étant déterminés pour que le rayonnement laser sortant de chacun desdits n points présente un retard de phase par rapport au rayonnement entrant dans le guide d'onde principal, les retards de phase augmentant d'une extrémité à l'autre de l'antenne, celle-ci étant disposée perpendiculairement audit axe de rotation de façon que les faces extrêmes des extrémités libres des guides d'onde auxiliaires soient orientées vers ledit objet, cette antenne émettant un faisceau plat disposé suivant un plan mobile contenant l'axe de rotation, cet axe coupant perpendiculairement le segment en son milieu, le faisceau plat illuminant la surface de l'objet suivant une courbe de cette surface, - les moyens pour faire tourner le faisceau sont des moyens pour faire varier la fréquence du rayonnement de l'émetteur laser suivant une loi prédéterminée, le plan mobile tournant autour de l'axe de rotation de manière que ladite courbe balaie la surface de l'objet, - le récepteur est un réseau plan de photodétecteurs, - et le circuit de traitement est capable de délivrer, au cours de la rotation du faisceau, des informations sur la position de ladite courbe, cette position étant définie par l'intersection avec le plan mobile, du cône ayant pour sommet le centre optique du système optique de réception et s'appuyant sur l'image de ladite courbe, formée par le système optique de réception, sur le réseau de photodétecteurs. The subject of the present invention is a device for determining the position of an object, of the type specified above, characterized in that - the generator is a laser transmitter with controllable radiation frequency, - the optical emission system comprises a guide main optical waveguide, one end of which is coupled to the output of the laser transmitter, and n auxiliary optical waveguides successively branched into the main waveguide, the free ends of the n auxiliary waveguides terminating respectively at n equidistant points and aligned on a segment to form an optical antenna, the length of the auxiliary waveguides and the arrangement of branch connections of the auxiliary waveguides on the main waveguide being determined so that the laser radiation leaving each of said n points has a phase delay relative to the radiation entering the main waveguide, the phase delays increasing by an extremi tee to the other of the antenna, the latter being arranged perpendicular to said axis of rotation so that the end faces of the free ends of the auxiliary waveguides are oriented towards said object, this antenna emitting a flat beam arranged in a mobile plane containing the axis of rotation, this axis intersecting the segment perpendicularly in its middle, the flat beam illuminating the surface of the object along a curve of this surface, - the means for rotating the beam are means for varying the frequency of the radiation from the laser transmitter according to a predetermined law, the moving plane rotating around the axis of rotation so that said curve scans the surface of the object, - the receiver is a plane array of photodetectors, - and the processing circuit is capable of delivering, during the rotation of the beam, information on the position of said curve, this position being defined by the intersection with the moving plane, from the side having as its apex the optical center of the optical reception system and relying on the image of said curve, formed by the optical reception system, on the array of photodetectors.

Des formes particulières de l'objet de la présente'invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention,
- la figure 2 est une vue partielle dans l'espace, illustrant le fonctionnement du dispositif représenté sur la figure 1,
- la figure 3 est une vue d'un réseau de fibres optiques permettant de réaliser une antenne optique faisant partie du dispositif illustré par la figure 1
- et les figures 4A et 4B sont des diagrammes illustrant le fonctionnement du dispositif illustré par la figure 1.Particular forms of the object of the present invention are described below, by way of example, with reference to the accompanying drawings in which
FIG. 1 schematically represents an embodiment of the device according to the invention,
FIG. 2 is a partial view in space, illustrating the operation of the device shown in FIG. 1,
- Figure 3 is a view of an optical fiber network for producing an optical antenna forming part of the device illustrated in Figure 1
- And Figures 4A and 4B are diagrams illustrating the operation of the device illustrated in Figure 1.

Sur la figure 1, est représenté un émetteur laser 1 à fréquence de rayonnement commandable, du type de celui décrit dans l'article xHigh speed direct single-frequency modulation with large tuning rate and frequency excursion in cleaved-coupled-cavity semiconduotor lasers (W.T. FIG. 1 shows a laser transmitter 1 with a controllable radiation frequency, of the type described in the article xHigh speed direct single-frequency modulation with large tuning rate and frequency excursion in cleaved-coupled-cavity semiconduotor lasers (W.T.

Tsang et al), extrait de la revue des Etats Unis d'Amérique 'IApplied
Physics Letters" volume 42, nO 8, 15 avril 1983, pages 650 à 652.Tsang et al), extract from the journal of the United States of America 'IApplied
Physics Letters "volume 42, no. 8, April 15, 1983, pages 650 to 652.

L'émetteur laser 1 est un composant semi-conducteur à contrôle électronique de fréquence ; il comprend deux diodes couplées 2 et 3 jouant respectivement les rôles de laser proprement dit et de modulateur. Un circuit d'alimentation 4 comprend deux parties 5 et 6 reliées respecti- vement aux diodes 2 et 3. A la sortie de la diode laser 2, est branchée une antenne optique 7 suivant un axe 8.The laser transmitter 1 is a semiconductor component with electronic frequency control; it comprises two coupled diodes 2 and 3 respectively playing the roles of laser proper and of modulator. A supply circuit 4 comprises two parts 5 and 6 connected respectively to the diodes 2 and 3. At the output of the laser diode 2, an optical antenna 7 is connected along an axis 8.

A proximité de l'émetteur 1 et de l'antenne 7, sont placés un système optique convergent achromatique 9 et un réseau plan de photodétecteurs 10 centrés sur un axe 11 parallèle à l'axe 8. Near the transmitter 1 and the antenna 7, a converging achromatic optical system 9 and a plane array of photodetectors 10 are placed centered on an axis 11 parallel to the axis 8.

La sortie électrique du réseau 10 et le circuit 6 sont reliés à un circuit de traitement 12. The electrical output of the network 10 and the circuit 6 are connected to a processing circuit 12.

La figure 3 représente un réseau de fibres optiques à l'aide duquel on réalise l'antenne 7. Ce réseau est fixé sur une feuille souple 13 en matière plastique ayant la forme d'un rectangle. Le réseau comprend une fibre optique principale 14 disposée suivant une diagonale de la feuille 13 et six fibres optiques auxiliaires 15 à 20 branchées en dérivation sur la fibre 14 ; les fibres auxiliaires sont disposées parallèlement aux grands côtés du rectangle et leurs extrémités libres sont équidistantes et alignées suivant n points 21 à 26 situés sur un petit côté 27 du rectangle. On enroule la feuille 13 sur elle même autour d'un axe parallèle aux petits côtés du rectangle, de manière à former une antenne cylindrique de faible diamètre.On commence l'enroulement de la feuille 13 par le côté 28 opposé au.côté 27 du rectangle, de manière que les points 21 à 26 soient situés à l'extérieur de la feuille enroulée. On couple ensuite la face d'entrée 29 de la fibre optique 14 à la sortie du laser 2 et on oriente l'antenne de manière que les faces de sortie des fibres auxiliaires situées aux points 21 à 26 soient dirigées vers l'objet à reconnaitre. FIG. 3 represents a network of optical fibers with the aid of which the antenna 7 is produced. This network is fixed on a flexible sheet 13 of plastic material having the shape of a rectangle. The network comprises a main optical fiber 14 arranged along a diagonal of the sheet 13 and six auxiliary optical fibers 15 to 20 branched in branch on the fiber 14; the auxiliary fibers are arranged parallel to the long sides of the rectangle and their free ends are equidistant and aligned along n points 21 to 26 located on a short side 27 of the rectangle. The sheet 13 is wound on itself around an axis parallel to the short sides of the rectangle, so as to form a cylindrical antenna of small diameter. We start the winding of the sheet 13 by the side 28 opposite to the side 27 of the rectangle, so that points 21 to 26 are located outside the rolled up sheet. The input face 29 of the optical fiber 14 is then coupled to the output of the laser 2 and the antenna is oriented so that the output faces of the auxiliary fibers located at points 21 to 26 are directed towards the object to be recognized .

Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. The device shown in Figure 1 operates as follows.

La partie 5 du circuit d'alimentation 4 fournit à la diode 2 un courant constant, tandis que la partie 6 du circuit 4 fournit à la diode 3 (qui joue le rôle de modulateur) une suite relaxée de rampes de courant linéaires croissantes. Part 5 of the supply circuit 4 supplies the diode 2 with a constant current, while part 6 of the circuit 4 supplies the diode 3 (which acts as a modulator) with a relaxed sequence of increasing linear current ramps.

La figure 9A représente la variation, en fonction du temps t, de l'intensité électrique I fournie par le circuit 6 à la diode 3, cette intensité I variant entre les valeurs extrêmes I1 et I2 dans chaque rampe. FIG. 9A represents the variation, as a function of time t, of the electric intensity I supplied by the circuit 6 to the diode 3, this intensity I varying between the extreme values I1 and I2 in each ramp.

On sait que, dans ces conditions, la longueur d'onde L du rayonnement émis par l'émetteur laser 1 varie, proportionnellement à l'intensité I, entre des limites L1 et L2, comme indiqué sur le diagramme de la figure 4B, dans lequel le temps est porté en abscisse à la même échelle que celle de la figure 4A. It is known that, under these conditions, the wavelength L of the radiation emitted by the laser transmitter 1 varies, proportional to the intensity I, between limits L1 and L2, as indicated in the diagram of FIG. 4B, in which time is plotted on the abscissa on the same scale as that of FIG. 4A.

La structure de l'antenne 7 (vois figure 3) permet de créer un retard de phase entre le rayonnement sortant de chacun des points 21 à 26 et celui qui entre en 29 dans la fibre optique principale. Ces retards croissent du point 21 au point 26. The structure of the antenna 7 (see FIG. 3) makes it possible to create a phase delay between the radiation leaving each of the points 21 to 26 and that which enters at 29 into the main optical fiber. These delays increase from point 21 to point 26.

Donc, à chaque instant, l'antenne 7 qui reçoit le rayonnement de l'émetteur laser t, émet un faisceau plat 30 (voir figure 3) situé dans un plan P pivotant autour d'un axe 31 représenté de bout sur la figure 1. Therefore, at each instant, the antenna 7 which receives the radiation from the laser emitter t, emits a flat beam 30 (see FIG. 3) situated in a plane P pivoting around an axis 31 shown at the end in FIG. 1 .

L'axe 31 est compris dans le plan P et coupe perpendiculairement l'axe 8 au milieu de la longueur de l'antenne 8. Le pivotement du plan P autour de l'axe 31 est provoqué par la variation de longueur d'onde du rayonne ment émis par l'émetteur laser 1. Lorsque la longueur d'onde varie entre les limites L1 et L2, le plan P pivote entre deux positions extrêmes P1 et P2 indiquées sur la figure 1.The axis 31 is included in the plane P and perpendicularly cuts the axis 8 in the middle of the length of the antenna 8. The pivoting of the plane P around the axis 31 is caused by the variation in wavelength of the radiation emitted by the laser transmitter 1. When the wavelength varies between the limits L1 and L2, the plane P pivots between two extreme positions P1 and P2 indicated in FIG. 1.

Le faisceau plat 30 coupe la surface d'un objet 32 à reconnaitre suivant une ligne 33 qui se déplace sur l'objet au cours de la rotation du plan P. The flat beam 30 cuts the surface of an object 32 to be recognized along a line 33 which moves over the object during the rotation of the plane P.

L'axe 11 du système optique 9 coupe les plans P1 et P2 de façon que le champ angulaire 34 du système optique de réception présente avec le champ angulaire A (figure 1) balayé par le plan P un volume commun 35 dans lequel se trouve l'objet. Le système optique 9 forme sur le réseau 10 de photodétecteurs une image 36 de la courbe 33 (figure 3). The axis 11 of the optical system 9 intersects the planes P1 and P2 so that the angular field 34 of the receiving optical system presents with the angular field A (FIG. 1) swept by the plane P a common volume 35 in which the l 'object. The optical system 9 forms on the array 10 of photodetectors an image 36 of the curve 33 (FIG. 3).

On connait la loi de variation de la longueur dlonde du rayonnement laser en fonction du temps (figure 4B). Il est donc possible de déterminer à chaque instant la position de la ligne 33 de l'objet 32 par rapport au dispositif. En effet, cette position est définie par l'intersection du plan P (dont la position est déterminée par la loi de variation de la longueur d'onde) avec le cône 38 de sommet 37 s'appuyant sur la courbe 36, le point 37 étant le centre du système optique de réception 9. We know the law of variation of the wavelength of the laser radiation as a function of time (FIG. 4B). It is therefore possible to determine at any time the position of the line 33 of the object 32 relative to the device. Indeed, this position is defined by the intersection of the plane P (whose position is determined by the law of variation of the wavelength) with the cone 38 with vertex 37 resting on curve 36, point 37 being the center of the receiving optical system 9.

Le circuit de traitement 12 délivre, au cours de la rotation du plan P, des informations sur la position de la courbe 33, ce qui permet de reconnaitre la forme de l'objet 32 à chaque rotation du plan P de P1 à P2. The processing circuit 12 delivers, during the rotation of the plane P, information on the position of the curve 33, which makes it possible to recognize the shape of the object 32 at each rotation of the plane P from P1 to P2.

Afin d'avoir un faisceau plat d'émission assez large pour couper toute la surface de l'objet, le diamètre d'enroulement de l'antenne optique doit être aussi faible que possible. De plus, pour avoir un faisceau d'émission aussi plat que possible, la hauteur de l'antenne optique doit être grande par rapport à la longueur d'onde L du laser. In order to have a flat emission beam wide enough to cut the entire surface of the object, the winding diameter of the optical antenna must be as small as possible. In addition, to have as flat an emission beam as possible, the height of the optical antenna must be large relative to the wavelength L of the laser.

L'angle A que font entre eux les plans limites P1 et P2 est proportionnel au déphasage maximal entre l'entrée et la sortie du rayonnement laser dans l'antenne. Or ce déphasage est également proportionnel à la longueur maximale du chemin optique parcouru dans les fibres optiques par le rayonnement laser. Pour que l'angle A soit suffisamment grand, il convient donc d'utiliser, pour réaliser l'antenne, une feuille souple dont la longueur est grande par rapport à la largeur (qui correspond à la hauteur de l'antenne). The angle A that the boundary planes P1 and P2 make between them is proportional to the maximum phase shift between the input and the output of the laser radiation in the antenna. However, this phase shift is also proportional to the maximum length of the optical path traveled in the optical fibers by the laser radiation. So that the angle A is sufficiently large, it is therefore necessary to use, to make the antenna, a flexible sheet whose length is large relative to the width (which corresponds to the height of the antenna).

A titre indicatif, le laser 1, d'une puissance de un mw, émet à une longueur d'onde de un micron, que l'on peut faire varier dans une plage de 0,015 micron. L'antenne optique associée à ce laser peut avoir une hauteur de un centimètre et un diamètre de quelques millimètres. cette antenne optique peut être réalisée à l'aide d'une feuille souple de matière plastique en forme de rectangle dont la longueur est de un mètre et la largeur de un centimètre. Dans ces conditions l'angle A peut être de l'ordre de 60 degrés. Le système optique de réception peut avoir un diamètre utile de dix centimètres et le réseau de photodétecteurs peut comporter 100 rangées de cent photodétecteurs. Un tel dispositif permet de reconnaitre la forme d'un objet de dimension principale dix centimètres, placé à un mètre du dispositif, avec une précision de l'ordre du millimètre. As an indication, laser 1, with a power of one mw, emits at a wavelength of one micron, which can be varied within a range of 0.015 micron. The optical antenna associated with this laser can have a height of one centimeter and a diameter of a few millimeters. this optical antenna can be produced using a flexible sheet of plastic material in the shape of a rectangle, the length of which is one meter and the width of one centimeter. Under these conditions the angle A can be of the order of 60 degrees. The optical reception system can have a useful diameter of ten centimeters and the array of photodetectors can comprise 100 rows of one hundred photodetectors. Such a device makes it possible to recognize the shape of an object of main dimension ten centimeters, placed one meter from the device, with an accuracy of the order of a millimeter.

Le dispositif selon la présente invention peut être appliqué dans le domaine de la robotique. Il permet par exemple de reconnaitre la forme d'un objet à saisir par un robot. Il peut être utilisé aussi dans un dispositif automatique d'usinage, pour comparer la forme d'un objet à usiner avec celle qu'on se propose d'obtenir. The device according to the present invention can be applied in the field of robotics. It allows for example to recognize the shape of an object to be grasped by a robot. It can also be used in an automatic machining device, to compare the shape of an object to be machined with that which one proposes to obtain.

Claims

1 / Optical device for determining the position of an object, comprising - a generator of optical radiation, - an optical emission system placed at the output of the generator to form, along an emission axis, a beam illuminating a portion of the surface of the object, - an optical reception system arranged to concentrate, along a reception axis cutting the emission axis, the optical energy returned by the object, - a photoelectric receiver arranged on the receiving axis for receiving the concentrated optical energy, - means for rotating the beam around an axis of rotation perpendicular to the plane defined by the emission and reception axes, so as to move their point of intersection - and a processing circuit connected to the output of the receiver and to the means for rotating the beam, characterized in that - the generator is a laser transmitter (1) with controllable radiation frequency, - the optical emission system includes a guide wave op main tick (14) of which one end (29) is coupled to the output of the laser transmitter (1) and n auxiliary optical waveguides (15 to 20) successively connected in bypass on the main waveguide, the free ends of the n auxiliary waveguides ending respectively in n equidistant points (21 to 26) and aligned on a segment (27) to form an optical antenna (7), the length of the auxiliary waveguides and the arrangement of the connections in derivation of the auxiliary waveguides on the main waveguide being determined so that the laser radiation leaving each of said n points has a phase delay relative to the radiation entering the main waveguide, the phase delays increasing from one end to the other of the antenna, the latter being arranged perpendicular to said axis of rotation so that the end faces of the free ends of the auxiliary waveguides are oriented towards said object (32), this antenna em being a flat beam (30) disposed in a movable plane (P) containing the axis of rotation (31), this axis intersecting the segment (27) perpendicularly in its middle, the flat beam illuminating the surface of the object ( 32) along a curve (33) of this surface, - the means for rotating the beam are means (5, 6) for varying the frequency of the radiation from the laser transmitter (1) according to a predetermined law, the plane mobile (P) rotating around the axis of rotation (31) so that said curve (33) scans the surface of the object (32), - the receiver is a plane array (10) of photodetectors, - and the processing circuit (12) is capable of delivering, during the rotation of the beam (30), information on the position of said curve (33), this position being defined by the intersection with the mobile plane (P), of the cone (38) having at its apex the optical center (37) of the optical receiving system (9) and resting on the image (36) of said curve (33), formed ée by the optical reception system (9), on the photodetector network (10).

2 / Device according to claim 1, characterized in that said main (14) and auxiliary (15 to 20) waveguides are optical fibers fixed on a flexible sheet (13) wound on itself around an axis parallel to said segment (27).

3 / Device according to claim 2, characterized in that the flexible sheet (13) has the shape of a rectangle, the main optical fiber (14) being fixed along a diagonal of the rectangle, the auxiliary optical fibers (15 to 20) being fixed parallel to the length of the rectangle.

4 / Device according to claim 1, characterized in that the laser transmitter (1) is a semiconductor laser and with electronic frequency control.