FR2664065A1 - Detecteur a fibres optiques pour appareil de prise de vues a profondeur de champ variable. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un appareil pour un système de mesure de distance par triangulation à profondeur de champ variable, le système de mesure de distance comprenant un laser, des moyens (202) pour focaliser un faisceau lumineux émis sur un objet et un objectif (208) pour former l'image de la lumière réfléchie sur une entrée de l'appareil. Cet appareil comprend un faisceau de fibres optiques (206), ce faisceau de fibres ayant une entrée (214), et une sortie (258), l'entrée étant disposée pour intercepter la lumière transmise par l'objectif; des moyens (252) pour analyser la sortie en fonction du temps, ces moyens d'analyse ayant une configuration propre à produire un signal fonction du temps indicatif des signaux lumineux présents; et des moyens (262) pour calculer la configuration du système et la distance à partir du signal fonction du temps.

Description

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DETECTEUR A FIBRES OPTIQUES POUR APPAREIL DE PRISE DE

VUES A PROFONDEUR DE CHAMP VARIABLE

La présente invention concerne un système de mesure de distance par triangulation optique et concerne plus particulièrement un système de détecteur sans contact et d'appareil de prise de vues, incluant un détecteur à fibres optiques, de forme géométrique variable et pouvant être modifié en temps réel pour fournir des performances désirées.

La distance entre un point ou un plan de réfé-

rence et un point cible donné peut être mesurée de diver-

ses façons Des techniques passives, telles qu'une tech-

nique stéréo ou une technique de mise au point à partir d'une distance, nécessitent d'éclairer des surfaces de cible et exigent typiquement des surfaces présentant des motifs complexes pour obtenir des résultats surs Des techniques actives de formation d'écho, telles que RADAR, SONAR et LIDAR, utilisent de l'énergie électro-magnétique, acoustique et lumineuse émise et détectent l'énergie

réfléchie à partir de la surface de la cible Ces techni-

ques utilisent une mesure de temps de vol comme base pour déterminer la distance et sont typiquement coûteuses et complexes. Dans le cadre de recherche et de mise en oeuvre de vision pour machines, une technique active différente, appelée illumination structurée, a été utilisée Un rayon

lumineux est dirigé vers la surface cible selon une direc-

tion qui n'est pas coaxiale avec l'axe optique du disposi- tif de détection mono ou bidimensionnel L'intersection du rayon et de la surface cible produit une tache lumineuse

dont l'image est formée sur le plan de détection du dispo-

sitif de formation d'image La position tridimensionnelle de cette tache dans l'espace peut être calculée à partir de la position et de l'orientation connues du dispositif

de formation d'image à partir de relations trigonomé-

triques de base Cette technique d'illumination structurée

est appelée triangulation.

Les figures la et lb illustrent des dispositifs de triangulation simples à laser Avec la configuration illustrée en figures la et lb, comprenant un laser 10, une lentille 11, un détecteur 12 et un objet 13, l'image d'une tache réfléchie est formée plus haut sur le détecteur 12

quand la surface cible s'éloigne de la lentille de forma-

tion d'image Toutefois, dans la plupart des dispositifs utilisant cette configuration, la tache réfléchie est au point pour une seule distance de cible et est plus ou moins floue pour toute autre distance à l'intérieur de la profondeur de champ, comme cela est illustré en figures 2 a et 2 b Le flou réduit la sensibilité des dispositifs et réduit en fait la profondeur de champ, c'est-à-dire la plage sur laquelle un système peut assurer une définition satisfaisante. Trois des paramètres de base caractérisant les performances d'un système de mesure de distance sont la

distance de séparation, la profondeur de champ et la réso-

lution La distance de séparation est la distance nominale du dispositif et est typiquement choisie arbitrairement comme le point proche, médian ou éloigné à l'intérieur de la profondeur de champ La résolution est le plus petit changement de valeur de distance que le système peut reconnaître et elle varie typiquement sur la profondeur de champ Les dispositifs de triangulation sont calculés pour une certaine distance de séparation, une certaine profon-

deur de champ et une certaine résolution Ainsi, la confi-

guration d'un dispositif est choisie en fonction de l'application, et des changements désirés de performances nécessitent un changement de système optique de formation

d'image Dans certaines applications, telles que la forma-

tion d'image dans des zones éloignées, ce manque de

souplesse est inacceptable.

En conséquence, un premier problème à résoudre est de prévoir une formation d'image exempte de flou sur un détecteur de sorte que tous les retours réfléchis à partir de la cible soient au point Un second problème à

surmonter est de fabriquer un détecteur qui soit modi-

fiable en ce sens que la distance de séparation, la profondeur de champ et/ou la résolution puissent être modifiées sous commande électronique sans nécessiter un

remplacement des composants.

Il est bien connu, dans l'industrie photogra-

phique, que l'inclinaison de l'appareil de prise de vues au moment de l'exposition conduit à un effet appelé distorsion en trapèze selon lequel des lignes parallèles

dans le sujet apparaissent sous forme de lignes conver-

gentes dans le résultat Ceci peut être corrigé pendant le tirage en inclinant le porte-papier du même angle que celui dont la caméra a été inclinée Pour réaliser une formation d'image pointue sur tout le résultat, la lentille d'agrandissement doit également être légèrement

inclinée de sorte que les plans de la lentille, du porte-

papier et du négatif se rencontrent tous à un emplacement commun, ce qui est appelé "condition de Scheimpflug" en optique La condition de Scheimpflug peut également être interprétée d'une autre faaçon: l'image d'une ligne du côté objet de la lentille est transformée en une ligne du côté image de la lentille et les deux lignes se coupent sur la ligne représentant le plan de la lentille, comme cela est représenté en figure 3 a Si le rayon lumineux du système est dirigé le long d'une certaine ligne du côté objet de la lentille, alors le détecteur doit être disposé selon la ligne prévue par la condition de Scheimpflug du côté image pour faciliter une formation d'image exempte de flou pour les retours de cible réfléchis, comme cela est

représenté en figure 3 b.

Les trois paramètres du système distance de séparation, profondeur de champ et résolution peuvent être calculés si la configuration du système de mesure de

distance par triangulation est connue ainsi que des infor-

mations sur la lentille de formation d'image du détec-

teur Inversement, deux quelconques de ces trois para-

mètres peuvent être choisis et la configuration du système peut être déterminée étant donné une lentille de formation d'image et un détecteur particuliers Assurer les degrés de liberté mécaniques pour un tel détecteur fournit un

système modifiable capable d'une large plage de caracté-

ristiques sans nécessiter le remplacement des composants physiques.

Un système de mesure de distance par triangula-

tion à profondeur de champ variable est décrit dans la demande de brevet américain N O 07/345 750 délivrée le ler juin 1990 et cédée à la demanderesse Le système de mesure de distance comprend un composant d'émission de faisceau lumineux pour produire et diriger un rayon lumineux vers un objet, un composant photodétecteur capable de mesurer une distance le long d'un axe unique, c'est-à-dire une barette photodétectrice, et un composant de lentille de

formation d'image pour former l'image de la lumière réflé-

chie à partir de l'objet sur le détecteur Une ligne d'image est définie et s'étend longitudinalement en travers du photodétecteur et un axe du plan qui passe par le composant de lentille L'un des trois composants du système est à un emplacement fixe, et des moyens sont prévus pour disposer de façon réglable les deux autres composants de sorte que le faisceau lumineux, l'axe du plan et la ligne d'image se coupent tous sensiblement en

un point commun et satisfont à la condition de Scheimp-

flug Les deux composants mobiles sont modifiables, d'o

il résulte que les valeurs de deux paramètres caractéris-

tiques quelconques choisis à partir du groupe comprenant la distance de séparation, la profondeur de champ et la

résolution en un point situé à l'intérieur de la profon-

deur de champ, peuvent être choisies et la configuration du système modifiée pour atteindre ces valeurs Le système comprend des moyens pour calculer la configuration du système et la distance à partir de signaux reçus par le détecteur Un analyseur peut être prévu pour analyser le

faisceau lumineux le long d'une ligne ou sur une surface.

La source lumineuse peut être un laser et le photodétec-

teur peut être une photodiode à effet latéral, une barette

détectrice ou un photomultiplicateur sensible à une posi-

tion.

Dans le système décrit ci-dessus, il a été trou-

vé que l'on préfère que le faisceau lumineux soit focalisé

selon une petite tache sur la cible Ceci facilite l'amé-

lioration de la résolution et de la précision selon lesquelles le système actif récepteur peut recueillir la

lumière réfléchie en provenance de la cible et la foca-

liser sur un détecteur Maintenir une petite tache sur la cible tandis que la cible est balayée nécessite une commande dynamique en temps réel de la dimension de la

tache laser.

Egalement, pour faciliter une haute résolution, on préfère que le détecteur soit long et comprenne un grand nombre d'éléments effectifs La résolution et la précision du détecteur améliorent les performances du

système d'ensemble.

En outre, comme cela est exposé ci-dessus, la position de la lentille par rapport au détecteur peut

devoir être réglée pour obtenir une résolution satisfai-

sante Toutefois, pour certaines distances focales de lentille, une distance requise lentille-détecteur n'est

pas appropriée Par exemple, la distance lentille-détec-

teur peut être de plus de 3 mètres dans certaines appli-

cations.

En conséquence, un objet de la présente inven-

tion est de prévoir un détecteur de distance très sensible et à forte dynamique comprenant un grand nombre d'éléments effectifs et de prévoir en outre des moyens pour analyser

le détecteur pour obtenir des signaux électriques repré-

sentatifs des données de distance.

La présente invention concerne un appareil pour un système de mesure de distance par triangulation à profondeur variable, le système de mesure de distance comprenant des moyens pour émettre un faisceau lumineux, des moyens pour focaliser un faisceau lumineux émis sur un objet, et des moyens d'objectif pour former l'image de la

lumière réfléchie sur une extrémité d'entrée de l'appa-

reil Cet appareil comprend un faisceau de fibres opti-

ques, ce faisceau ayant un côté entrée et un côté sortie.

Le côté entrée du faisceau est disposé de façon à inter-

cepter des émissions à partir des moyens d'objectif.

L'appareil selon l'invention comprend également des moyens

pour analyser, en fonction du temps, la sortie du fais-

ceau Les moyens d'analyse ont une configuration propre à produire un signal variant avec le temps indicatif des signaux lumineux présents à la sortie du faisceau de fibres Le signal variant avec le temps fournit une mesure de distance, et un ensemble de mesures de distance est obtenu Chaque mesure de distance est mémorisée avec des données associées à l'orientation du faisceau de sonde et,

à partir de cette information, une image ou modèle tridi-

mensionnel d'un objet peut être formé.

Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention apparaîtront plus en

détail à la lecture de la description détaillée ci-après

faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: les figures la et lb représentent un système de triangulation à un seul point mesurant la distance à des objets proches et éloignés; les figures 2 a et 2 b illustrent le comportement

d'un système de mesure de distance par triangulation clas-

sique; les figures 3 a et 3 b montrent que l'image d'une ligne dans l'espace objet est une ligne dans l'espace image et que la relation entre les lignes est donnée par la condition de Scheimpflug; la figure 4 représente un système de mesure de distance par triangulation qui satisfait à la condition de Scheimpflug et les paramètres connus du système à partir desquels la distance de séparation, la profondeur de champ et la résolution sont calculés, et inversement; la figure 5 est une vue de dessus schématique et un schéma sous forme de blocs d'un mode de réalisation de l'appareil de prise de vues à distance variable décrit dans le brevet américain sus-mentionné;

les figures 6 a et 6 b représentent une reconfigu-

ration du système de la figure 5 pour mesurer la distance à des objets éloignés et proches; la figure 7 représente un montage d'analyseur X-Y utilisable avec des systèmes de mesure de distance; la figure 8 représente l'analyse, en utilisant

l'appareil de prise de vues à profondeur de champ varia-

ble, d'un objet;

la figure 9 représente l'analyse, en utilisant un appareil de prise de vues à profondeur de champ varia-

ble, d'un objet, et la production d'une image à partir de données obtenues par l'opération d'analyse;5 la figure 10 représente une première profondeur de champ et angle de champ pour la caméra à profondeur de champ variable; la figure I 1 représente une seconde profondeur de champ et angle de champ pour l'appareil de prise de vues à profondeur de champ variable; la figure 12 représente l'utilisation d'une lentille à grandissement variable en tant que partie d'un appareil de prise de vues à profondeur de champ variable; les figures 13 a et 13 b représentent une analyse utilisant l'appareil de prise de vues représenté en figure 12;

la figure 14 représente la configuration géomé-

trique d'un système de mesure de distance; les figures i 5 a à 15 c illustrent des composants d'une caméra d'un système à profondeur de champ variable comprenant une commande de dimension de tache lumineuse en temps réel, un détecteur à fibres optiques en forme de ruban et un polygone tournant pour balayer les fibres optiques; la figure 16 représente un appareil de prise de vues à profondeur de champ variable utilisant la commande

de dimension de tache lumineuse en temps réel, un détec-

teur à fibres optiques en forme de ruban et un disque codé pour balayer les fibres optiques; la figure 17 illustre le fonctionnement du disque codeur; la figure 18 illustre un mode de réalisation du disque codeur; les figures 19 a et 19 b représentent d'autres modes de réalisation du disque codeur;

la figure 20 représente une région de fonction-

nement autorisée pour la vitesse angulaire du miroir; la figure 21 est une représentation sous forme de schéma bloc des commandes du système d'appareil de prise de vues représenté en figure 15; et la figure 22 est un schéma sous forme de blocs

de la porte de synchronisation représentée en figure 21.

Un dispositif de mesure de distance ponctuelle capable d'effectuer une mesure de distance unique est

représenté en figure 4 Dans ce système de mesure de dis-

tance par triangulation, une lentille de formation d'image est à un emplacement fixe par rapport à un laser 16 et

à une barette détectrice 17, qui sont mobiles et position-

nés de façon à satisfaire la condition de Scheimpflug et assurent que toutes les taches lumineuses réfléchies à partir de l'objet 18 sont focalisées sur le détecteur Le

faisceau laser 19 fait un angle A par rapport à l'horizon-

tale, l'angle de triangulation dans cette configuration.

La lentille de formation d'image 15 a une distance focale f et des points focaux 20, et la base de triangulation B du système est mesurée à partir du centre de la lentille selon un axe plan 21 s'étendant à travers la lentille vers

le point 22 o le faisceau laser et l'axe plan se cou-

pent Une ligne d'image 23 qui s'étend longitudinalement à travers le photodétecteur 17 coupe l'axe plan 21 et le

faisceau laser 19 en un point commun 22, selon la condi-

tion de Scheimpflug La distance de séparation, la profon-

deur de champ et la résolution en un point situé à l'inté-

rieur de la profondeur de champ sont des fonctions calcu-

lables de l'angle de triangulation, de la base de triangu-

lation, de la distance focale de la lentille, de la lon-

gueur et de la granularité effective du détecteur et de la position du détecteur le long de la ligne image comme cela

est représenté en figure 4.

On peut choisir deux quelconques des trois mesu-

res de caractéristiques ou paramètres du système et déter-

miner quelle configuration du système doit être conférée à une lentille et un photodétecteur spécifiques Ceci s'applique à d'autres modes de réalisation du système de mesure de distance incluant un mode de réalisation dans lequel le composant émettant le faisceau lumineux est fixe et les composants constituant la lentille de formation d'image du photodétecteur sont mobiles, et un autre mode de réalisation dans lequel le photodétecteur est à un emplacement fixe et la lentille de formation d'image et

les composants émettant le faisceau lumineux sont mobiles.

Le terme "profondeur de champ", tel qu'on l'uti-

lise ici, désigne la plage de distances sur laquelle un système peut fournir une définition satisfaisante Le terme "distance de séparation", tel qu'il est utilisé ici,

se réfère à la distance depuis une référence sur l'appa-

reil de prise de vues, par exemple le centre de l'objectif de la figure 4, jusqu'à la surface d'objet la plus proche qui peut être mesurée Le terme "résolution", tel qu'on l'utilise ici, se réfère à la résolution en un point donné à l'intérieur de la profondeur de champ Pour le système de mesure de distance à point unique représenté en figure 4, la position de l'extrémité inférieure du détecteur 17

impose la distance de séparation, la position de l'extré-

mité supérieure du détecteur 17 dicte la valeur de plage

maximale, et l'écart entre les valeurs de distance mini-

male et maximale est la profondeur de champ La résolution prend alors des valeurs variant de façon monotone à

l'intérieur de la profondeur de champ en fonction du nom-

bre d'éléments d'image (pixels) dans le détecteur et de sa longueur La résolution n'est pas constante sur toute la profondeur de champ mais est plus fine pour les petites distances que pour les grandes Quand le détecteur est plus vertical, la résolution est de plus en plus fine et il la profondeur de champ est plus faible La relation et l'interaction entre ces trois paramètres caractéristiques

seront comprises par l'homme de l'art.

L'appareil de prise de vues à profondeur de champ variable de la figure 5 peut être modifié ou re- configuré en temps réel et constitue un système qui permet l'obtention d'une distance de séparation, d'une profondeur de champ et d'une résolution continuement variables sans

nécessiter le remplacement d'éléments physiques Un analy-

seur 24 est typiquement placé en face du système de mesure

de distance par triangulation à profondeur de champ varia-

ble 25 pour diriger le rayon lumineux et l'axe d'observa-

tion dans une direction quelconque aléatoire à partir d'une acquisition de distance de cible quelconque ou bien, quand le rayon lumineux est analysé sur une surface, des trames de données complètes peuvent être obtenues Un ordinateur 26 de configuration de système et de mesure de distance réalise les calculs nécessaires incluant le

calcul de distance à partir des signaux reçus du photo-

détecteur Des algorithmes sont prévus pour déterminer la configuration du système étant donné les exigences de performances, la distance focale de la lentille et la

résolution du détecteur.

Une lentille de formation d'image 27 est montée à un emplacement fixe sur le support du dispositif Le composant de lentille de formation d'image peut, au lieu d'être une lentille unique, être un système optique ayant un axe effectif dans son plan L'ensemble émettant le faisceau lumineux est constitué d'un laser 28 et d'un miroir à orientation variable 29 pour modifier l'angle de triangulation du faisceau laser 30 Le miroir 29 est vertical, tel qu'on le voit à partir du dessus et est sur un plateau tournant 31 Le laser 28 et un support 32 du plateau tournant sont montés sur un élément structurel 33 qui est lui-même supporté par un coulisseau linéaire motorisé 34 Le déplacement de l'ensemble émettant le faisceau lumineux dans la direction Y ajuste la base de triangulation du système Un agencement X, Y est prévu pour positionner de façon réglable le photodétecteur 35 qui peut être une photodiode à effet latéral, une barette

linéaire, un détecteur d'analyse de ligne, ou un photo-

multiplicateur sensible à une position et les circuits électroniques associés Le détecteur est sur un plateau tournant 36 qui est porté par une plaque support 37 Un élément structurel 38 porte cet ensemble et présente un déplacement linéaire dans la direction Y et est monté sur un coulisseau linéaire motorisé 39 pour un déplacement dans la direction X Les détails sur des actionneurs linéaires et tournants dans un tel système ne sont pas

représentés mais sont bien connus de l'homme de l'art.

Les figures 6 a et 6 b représentent le système de mesure de distance par triangulation à profondeur variable dans la configuration de mesure de distance à point

unique et la façon dont le système se modifie géométrique-

ment pour assurer les performances requises Ces figures montrent que des données de distance peuvent être obtenues à partir d'une profondeur de champ infinie ou grande à

faible résolution, puis que des données à très fine réso-

lution peuvent être obtenues pour des régions concernées

tout simplement en modifiant la configuration du dispo-

sitif Dans les deux configurations, le faisceau laser 30, l'axe plan du système optique de formation d'image 40, et une ligne 41 s'étendant longitudinalement à travers le

photodétecteur 35, se coupent en un point commun Le sys-

tème ayant la configuration de la figure 6 a acquiert des données de distance à partir d'un objet éloigné avec une faible résolution et une grande profondeur de champ La base de triangulation du système est petite, de même que l'angle de triangulation Une fois reconfigurée de la façon représentée en figure 6 b pour présenter une grande base de triangulation et un grand angle de triangulation, la distance de séparation est petite et les données de distance sont acquises à partir d'un objet proche avec une

très haute résolution et une faible profondeur de champ.

La figure 7 est un schéma de l'appareil de prise de vues à profondeur de champ variable représentant plus en détail les moyens de balayage 24 Le système de balayage 24 comprend un ensemble de miroirs pour courber

le plan optique de haut en bas et d'arrière en avant.

L'ensemble de balayage représenté comprend deux miroirs 69 et 70 pour balayer respectivement le faisceau laser 71 dans des directions orthogonales Le miroir 69 est presque vertical tel qu'on le voit de dessus et est amené à pivoter autour d'un axe qui est perpendiculaire au support 72 Le pivotement de ce miroir balaie le faisceau laser selon une première direction pour analyser une ligne de l'objet Le second miroir 70 est presque horizontal vu de dessus et tourne autour d'un axe longitudinal pour balayer le faisceau laser dans la direction orthogonale Les deux miroirs sont utilisés pour analyser toute une surface, par

exemple un balayage suivant une ligne, puis dans la direc-

tion perpendiculaire sur une courte distance et le long d'une ligne parallèle à la première ligne, et ainsi de suite. Un mode de fonctionnement réel du système est typiquement le suivant: 1 L'utilisateur ou un ordinateur détermine des objectifs de performances et des valeurs désirées de deux des trois paramètres suivants: distance de séparation, profondeur de champ et résolution en un point situé dans

la profondeur de champ.

2 L'ordinateur réalise des calculs pour déter-

miner si les objectifs peuvent être atteints.

3 Si ces objectifs peuvent être atteints ou

dépassés, l'ordinateur 26 calcule la configuration opti-

14 male requise du système, étant données les informations antérieures sur la distance focale de la lentille, la lon- gueur sensible du détecteur, et la résolution effective du détecteur.5 4 Des actionneurs linéaires et de rotation dans le système de mesure de distance par triangulation à profondeur variable 68 sont positionnés pour affecter la

configuration du système.

Des données de distance sont obtenues en

alimentant le laser, en actionnant l'ensemble de l'analy-

seur 24 et en lisant le détecteur Des signaux reçus du

photodétecteur sont fournis à un équipement d'amplifica-

tion approprié, traités, numérisés et mémorisés.

6 Des valeurs de distance sont calculées par l'ordinateur 26 à partir des données mémorisées, de la configuration connue du système, et de tables d'étalonnage appropriées. L'appareil de prise de vues à profondeur de

champ variable peut être utilisé dans divers environne-

ments et dans divers buts Le volume de travail, c'est-à-

dire le volume à analyser, peut être défini et ajusté à de nombreuses applications Une première application de métrologie est un dispositif de mesure de précision sans contact pour l'inspection de pièces d'un moteur d'avion avec précision Il existe diverses applications à des

rendez-vous et des positionnements automatisés Ce dispo-

sitif est utilisé chaque fois qu'une information de distance sans contact est requise, en particulier si les informations nécessitent une reconfiguration dynamique du

système pour se focaliser sur des régions concernées.

La configuration de l'appareil de prise de vues à profondeur de champ variable, tel qu'exposée jusqu'ici, convient à des opérations dans lesquelles la distance lentille-détecteur, pour satisfaire la condition de

Scheimpflug, est courte Par exemple, et comme le repré-

sente la figure 8, un système de mesure de distance 76 a

une configuration en accord avec la condition de Scheimp-

flug et comprend un laser 78, une lentille 80 et un détec-

teur 82 L'appareil de prise de vues est représenté comme ayant une configuration propre à produire une image d'un objet 84 disposé sur un piédestal 86 Comme cela est représenté, le faisceau émis à partir du laser 78 est dirigé vers l'objet 84 et une image correspondante en provenance d'une tache focalisée de l'objet est réfléchie

vers la lentille 80 sur le détecteur 82.

La formation d'une image de l'objet 84 est illustrée en figure 9 o une image 88 est représentée sur un afficheur 90 La figure 10 représente le système de prise de vues ayant une configuration propre à avoir une grande profondeur de champ Plus particulièrement, quand l'appareil de prise de vues 76 a une configuration propre à avoir une grande profondeur de champ et de grands angles de visée, une image telle que l'image représentée sur

l'affichage 90 pourrait être produite Le volume de tra-

vail est illustré comme étant délimité par une région 92.

La figure 11 représente une image qui pourrait

être produite sur le module d'affichage 90 quand l'appa-

reil de prise de vues 76 a une configuration propre à

fournir un petit volume de travail.

Pour faciliter une forte résolution d'une image produite pour diversesprofondeurs de champ telles que les profondeurs de champ illustrées en figures 10 et 11, la

distance de la lentille au détecteur est typiquement modi-

fiée de la façon représentée en comparant les distances lentilledétecteur en figures 6 a et 6 b Toutefois, pour certaines distances focales, la distance requise de la lentille au détecteur ne peut être obtenue en maintenant

la caméra de mesure de distance dans un boîtier de dimen-

sions commodes Par exemple, la distance de la lentille au détecteur peut être supérieure à 3 mètres dans certaines applications.

Pour résoudre le problème de distances inappro-

priées entre la lentille et le détecteur, on peut utiliser

le mode de réalisation illustré en figure 12 Plus parti-

culièrement, dans le mode de réalisation représenté en figure 12, un appareil de prise de vues à profondeur de champ variable 100 comprend un laser 102, une lentille à grandissement variable (zoom) 104 et un détecteur 106 La lentille zoom et le détecteur sont montés sur un plateau tournant 108 Le détecteur 106 est monté sur un plateau tournant 110 de sorte que l'orientation relative entre le

détecteur et la lentille zoom peut être réglée La len-

tille zoom 104 peut être une lentille commercialement disponible telle que la lentille zoom motorisée C 14 X 25 M 03 de Fujinon à mise au point et iris Cette lentille peut bien sûr être modifiée, par exemple en enlevant des butées mécaniques pour augmenter la plage de mise au point, la plage de réglage de grandissement, etc. Utiliser l'objectif à grandissement variable (lentille zoom) 104 assure que la profondeur de champ du système 100 peut être réglée et que la condition de Scheimpflug peut être satisfaite, simplement en ajustant la lentille zoom 104, le plateau tournant 108 et le plateau tournant 110 Cette configuration élimine en conséquence le besoin de régler la distance d'une lentille

au détecteur pour des applications se trouvant à l'inté-

rieur du domaine de fonctionnement de la lentille zoom 104 Comme cela est représenté en figure 12, la profondeur de champ de l'appareil de prise de vues 100 peut, par exemple, être aussi grande que la profondeur de champ limitée par des lignes 112 a et 112 b ou peut être aussi faible que la profondeur de champ limitée par des lignes 114 a et 114 b De façon importante, dans la configuration représentée en figure 12, la condition de Scheimpflug peut encore être satisfaite pour faciliter la production d'images mises au point de la tache lumineuse réfléchie à

partir de la cible dans le volume de travail.

En particulier, avec l'objectif zoom 104, la

condition de Scheimpflug est déterminée expérimentale-

ment Le zoom, c'est-à-dire la profondeur de champ, et

l'orientation de l'objectif zoom 104 sont d'abord réglés.

Ensuite, un objet est placé à l'intersection de l'axe

optique de l'objectif zoom et de l'axe du faisceau laser.

La mise au point de l'objectif zoom est alors réglée de

sorte que l'image la plus fine, c'est-à-dire la plus poin-

tue, de la tache lumineuse réfléchie soit formée sur le détecteur Puisque l'objet est à l'intersection de l'axe optique et de l'axe du faisceau, l'image doit être formée au centre du détecteur Le détecteur est alors tourné de

sorte que des images hors de l'axe sont également focali-

sées sur le détecteur Une fois que le détecteur est réglé de sorte que toutes les images lumineuses sont au point sur toute la profondeur de champ, cette condition signifie

nécessairement que la condition de Scheimpflug est satis-

faite Il existe des contraintes antagonistes dans chaque application et un utilisateur du système doit réaliser un choix d'optimisation qui satisfasse de façon convenable toutes les contraintes Les contraintes incluent les angles de champ du zoom et les configurations de base de triangulation. L'objectif zoom utilisé présente une variation de grandissement de 14 à 1 et peut effectuer des mises au

point aussi proches qu'à 60 cm C'est une lentille d'ou-

verture f/3,5 avec une distance focale variable de nomina-

lement 25 à 350 mm, une plage de mise au point, après enlèvement des butées mécaniques de fabrication, de 60 cm à 15 mètres et un angle de visée de 2037 ' à 35 29 ' Le sommet de l'angle de champ actif se trouve à l'intérieur du système optique et pourrait être placé à environ 60 cm en arrière de l'axe du laser, c'est-à-dire que l'on a une "base de triangulation" d'environ 60 cm Avec un angle de champ complet de 35,50, la profondeur de champ (DOF) de plus courte distance de séparation (SQ) ( 60 cm) serait de 3,02 mètres ( 9,9 pieds) Ainsi, si l'objectif est utilisé à plein angle de visée et que la lecture de distance la plus proche est à 60 cm, la distance la plus éloignée sera à 3,62 mètres ( 11,9 pieds) Si la résolution était régu- lière, elle serait de 24 à 48 mils ( 0,61 à 1,22 mm) selon que l'on a 4096 ou 2048 échantillons respectivement par lecture de distance La résolution réelle sera meilleure près de 60 cm et moins bonne vers 3,6 mètres Si le champ est à sa valeur la plus faible et que l'objectif est

orienté pour une distance de séparation de 60 cm, la pro-

fondeur de champ sera de 5,8 cm ( 2,3 pouces) En ce cas,

la résolution sera pratiquement constante sur la pro-

fondeur de champ et sera d'environ 0,6 à 1,1 mil ( 0,015 à 0,028 mm) Si l'objectif est orienté au lieu de cela pour le plus grand faisceau, avec une lecture de distance la plus grande de 3 mètres, la profondeur de champ sera de 58 cm ( 23 pouces), c'est-à-dire que les lectures pourront

aller de 2,46 à 3 mètres (de 8 pieds 1 pouce à 10 pieds).

La résolution est dans la plage de 6 à 11 mils ( 0,15 à

0,28 mm).

Les figures 13 a et 13 b illustrent un appareil de prise de vues 100 comme comprenant un miroir de balayage 116 et une commande d'axe de balayage horizontal 118 La figure 13 b est une vue de côté du mode de réalisation de la figure 13 a Comme cela est représenté en figures 13 a et 13 b, le miroir de balayage 116 est monté à rotation pour

pouvoir tourner d'au moins 450 par rapport au laser 102.

La commande de balayage horizontal 118 assure que le système complet, incluant le miroir de balayage, peut être tourné de 3600 Dans une mise en oeuvre réelle, le miroir est limité en rotation de + 450, c'est-à- dire de 90 complet En assurant cette rotation, le système 100 peut être utilisé pour former une image d'un objet disposé à

pratiquement n'importe quelle position.

En se référant maintenant plus particulièrement à la configuration du système incluant l'objectif zoom, et en relation avec la figure 14, les équations liant la

* configuration à la distance de séparation (SO), à la pro-

fondeur de champ (DOF) et à la résolution le long de l'axe optique de lentille vont être expliquées L'axe concerné est l'axe du faisceau laser, c'est-à-dire 1-b-a et les équations pour la distance de séparation, la profondeur de champ et la résolution en fonction de la configuration

sont les suivantes Pour tout x, on a les équations sui-

vantes: sin W x = ( 1) sin Q o L = LI-s, ( 2)

L 1 = 1 + S/2 ( 3)

1 = r R 2 +ti 2 ( 4) Egalement, -R 2 +t 2 +L 2 y =acosl l( 5) 2 t L l t = f R 2 +L 2-2 R Lcos ( 6) = Atg-ftge Atglt ( 7) t=AtglRtg R et Q = -I-c ( 8) o = e+O ( 9)

Une lentille simple ne permettra pas simultané-

ment une profondeur de champ de 2 à 10 ', une résolution

élevée et une plage acceptable de distances lentille-

détecteur (ti) et d'angles de détecteur M Ainsi, à par-

tir de ces équations, une petite distance de séparation

nécessite un ti inacceptablement grand Un système opti-

que plus sophistiqué simplifie beaucoup les exigences

mécaniques pour le positionnement d'éléments optiques.

Le fait d'utiliser l'objectif à distance focale variable résout ce problème Une meilleure résolution avec un objectif zoom donné est obtenue avec un angle de champ minimum (zoom max) et un axe optique perpendiculaire au faisceau laser Ceci fournit aussi une distribution plus régulière de la résolution à l'intérieur de la profondeur de champ Cet agencement peut ne pas être pratique dans toutes les applications, étant donné que les cibles peuvent être à une distance notable du système, d'o il résulte une certaine limitation d'orientation de la

lentille avec un angle de champ donné.

Minimiser la base de triangulation, quand on

utilise un objectif zoom comme cela a été exposé précédem-

ment, fournit aussi une résolution plus élevée car le cône

de champ coupe le rayon laser sur une ligne plus courte.

Toutefois, un premier problème réside dans la mise au point à des courtes distances avec un système zoom Une façon de réaliser cela est de permettre au détecteur de position de se déplacer le long de l'axe optique de la lentille au coût d'une augmentation de complexité Un autre problème est que plus la lentille est proche du

rayon laser, plus la distribution de résolution à l'inté-

rieur d'une profondeur de champ donnée est irrégulière.

Ceci devient particulièrement clair pour de grandes valeurs de la distance de séparation et de la profondeur de champ Ces contraintes contradictoires doivent être

"optimisées" pour chaque application.

La figure 15 a représente un appareil de prise de

vues à système à profondeur de champ variable 150 compre-

nant une commande de dimension de tache lumineuse en temps

réel 152 et un détecteur à ruban de fibres optiques 154.

L'appareil de prise de vues 150 comprend également un laser 156 et un objectif 158 montés sur des plateaux X, Y, et 162, respectivement La lentille pourrait bien sûr

être fixe Le détecteur 154 est monté sur un plateau tour-

nant 164 Le détecteur à fibres optiques 154 comprend un faisceau de fibres optiques 166 qui est disposé, du côté de sa sortie 168, dans un module de balayage 170 Le module de balayage 170 comprend un miroir polygonal 172 qui est monté à rotation et est aligné avec l'extrémité de

sortie 168 du faisceau de fibres optiques et un tube pho-

tomultiplicateur 174 L'objectif focalisateur 176 et une ouverture à fente de précision 177 sont disposés entre le polygone 172 et le tube 174 Le tube 174 est couplé à un

ordinateur 178 qui est lui-même couplé à un afficheur 180.

En fonctionnement, et pour former l'image de

l'objet 182, le laser 156 émet un faisceau 184 Le fais-

ceau 184 est intercepté par un contrôleur en temps réel de dimension de tache lumineuse (spot) 152 Le contrôleur 152 focalise le faisceau 184 sur un objet 182 Une image de la tache focale 186 est interceptée par la lentille 158 et focalisée sur le détecteur 154 La lumière focalisée sur le détecteur 154 est transmise par le faisceau de fibres optiques 166 et émise à l'extrémité de sortie 168 Quand le miroir polygonal 172 tourne, il balaie l'extrémité de sortie 168 du faisceau de fibres optiques et réfléchit la lumière par l'objectif de mise au point 176 et la fente

177 dans le tube photomultiplicateur 174 Le tube photo-

multiplicateur produit alors un signal qui est interprété

par l'ordinateur 178.

L'appareil de prise de vues 150 peut comprendre une tête de balayage 190 qui est utilisée pour commander la direction du faisceau 184 et la réflexion de la tache focalisée 186 La tête de balayage peut être identique au

mécanisme de balayage illustré en figures 13 a et 13 b.

Le contrôleur de dimension de spot en temps réel peut être un contrôleur commercialement disponible tel que l'appareil dit "General Scanning Linear Translater LT 1320 A" disponible auprès de la société General Scanning à Watertown, Massachusetts En maintenant une plus petite 22 dimension de tache focale sur l'objet 186, la résolution et la précision avec lesquelles la lentille 158 et le détecteur 154 peuvent recueillir la lumière réfléchie de la cible sont améliorées Le contrôleur en temps réel est 5 dynamique en ce que la dimension de la tache focale peut être modifiée en temps réel et pendant une opération de balayage Plus particulièrement, un laser utilisé pour des opérations de mesure de distance a typiquement un diamètre de faisceau fini sur sa longueur et le diamètre change constamment sauf à un emplacement appelé "waist" (région de diamètre minimal) Comme cela est représenté en figure b Le diamètre du faisceau est minimum au niveau du "waist" Dans des applications à une mesure de distance, la partie du faisceau qui peut être utilisée est deux fois la longueur de Rayleigh, la longueur de Rayleigh étant égale à (Trdo 2)/4 \, o do est le diamètre du faisceau au niveau du "waist" et X est la longueur d'onde de la lumière En dehors de la longueur de Rayleigh, la section du faisceau croît rapidement, pour de petites valeurs du "waist" et le résultat en est une large tache sur la cible Une mesure précise en dehors de la longueur de

Rayleigh est difficile, sinon impossible.

Comme cela est représenté plus en détail en

figure 15 c, un "General Scanning LT 1320 A Linear Trans-

lator" 152 qui comprend une lentille fixe 192 et une lentille 194 qui se déplace sur un chariot entraîné par un galvanomètre 196 est utilisé Ce translateur a une course

utile d'environ 7,5 mm ( 0,3 pouce) et fournit des dimen-

sions de spot inférieures à 0,25 mm ( 10 mils) sur une plage d'environ 60 cm à 3,3 mètres ( 2 à 11 pieds) La dimension de la tache lumineuse ou diamètre du "waist" et sa distance par rapport au dernier élément optique dans le train optique à deux lentilles du translateur 152 sont associées aux distances focales et à leurs écarts relatifs et, en contrôlant cet écart, la position du "waist" le

long de 1 'axe du faisceau peut être commandée Une len-

tille divergente fixe de 4 mm suivie d'une lentille convergente mobile 81 mm, selon la configuration de la

figure 15 c, assure une plage d'environ 3 mètres de posi-

tionnement du "waist" avec des dimensions de tache lumi- neuse inférieures à environ 0,025 mm sur la plage de

déplacement permise de 7,5 mm de la lentille.

Il y a deux façons d'utiliser la configuration représentée en figure 15 c La première nécessite que la lentille mobile soit placée à l'un de ses points extrêmes de déplacement et déplacée tandis que l'on surveille la forme du renvoi focalisé sur le détecteur de lumière photosensible Quand le retour présente le profil le plus

étroit, c'est-à-dire que la largeur du retour est minima-

le, le faisceau est à son meilleur état de focalisation A ce stade, une mesure de distance est effectuée Cette approche, tout en étant tout à fait sure, peut être quelque peu lente en raison du temps que cela prend pour

déplacer la lentille de mise au point jusqu'à la focali-

sation la plus étroite.

La seconde approche, bien que quelque peu moins sure, est beaucoup plus rapide Le module translateur est

étalonné pour associer la position de la lentille à l'em-

placement du "waist" du faisceau résultant mesuré et une table de consultation est construite En utilisation, le "waist" est positionné au point milieu connu de la plage

de profondeur de champ pour le système de mesure de dis-

tance et la mesure de distance est effectuée La valeur la plus récente de la plage est utilisée en même temps que la table de consultation pour positionner le "waist" pour la lecture de plage suivante La position du "waist" sera toujours un élément de plage en arrière mais, pour la plupart des surfaces de "bonne conformation", la surface sera à moins de deux fois la longueur de Rayleigh et une

dimension minimale de la tache lumineuse en résultera.

24 Cette technique ne fonctionne plus lors de discontinuités de sauts dans la surface et pour les régions de la surface pour lesquelles le gradient de distance est trop grand. Cette situation peut être traitée en surveillant d'une5 certaine manière la forme du signal de retour, par exemple la largeur à mi-hauteur et en marquant les lectures pour lesquelles la mesure dépasse un certain seuil En revenant aux emplacements marqués et en utilisant les lectures pour positionner le translateur, plus de lectures peuvent être effectuées A ce stade, un faisceau étroitement focalisé sur la surface de la cible en résultera et des lectures de

distances satisfaisantes sont par conséquent possibles.

En revenant sur la figure 15 a, le détecteur à fibres optiques 154 facilite une bonne résolution et une bonne précision pour améliorer la sensibilité du système d'ensemble Plus particulièrement, le détecteur 154 peut comprendre un nombre relativement élevé d'éléments de détection, c'est-à-dire de fibres optiques Pour rendre maximale la sensibilité lumineuse et la plage dynamique, un ruban de fibres optiques cohérent d'une largeur de 2,5 cm ( 1 pouce) et d'une épaisseur de 1,58 mm ( 1/16 pouce)

constitué de fibres d'un diamètre de 10 pm est utilisé.

Ces fibres ont une ouverture numérique de 0,66 ce qui

signifie un cône complet d'acceptance de lumière de 82 .

L'autre extrémité du ruban de fibres se trouve dans une

enceinte o elle peut être balayée pour fournir une infor-

mation de motifs de lumière, comme cela sera décrit ci-

après. Les fibres optiques transmettent la lumière focalisée au polygone tournant 172 qui tourne de façon commandée et selon une séquence synchronisée Tandis que le polygone tournant 172 tourne, il balaie la face de sortie 168 du faisceau de fibres optiques La vitesse de rotation du polygone tournant 172 assure qu'un signal lumineux variant avec le temps, c'est-à-dire temporel, est fourni au tube photomultiplicateur 174 Le tube 174 peut

être un tube photomultiplicateur "HA 1-4 AMATSU" de tye laté-

ral Plus de détails sur les commandes particulières sont

fournis ci-après.

La figure 16 représente un autre mode de réali- sation d'un appareil de prise de vues à profondeur de champ variable 200 L'appareil de prise de vues 200 comprend un contrôleur de dimension de tache lumineuse en temps réel 202, un détecteur à fibres optiques 204, un

faisceau de fibres optiques 206 et un objectif à grandis-

sement variable (zoom) 208 L'objectif zoom 208 est monté sur un étage linéaire 210 pouvant tourner autour d'un axe 212 L'objectif zoom 208 pourrait bien sûr, plutôt que d'être monté sur un étage linéaire, être monté sur un plateau tournant Le détecteur à fibres optiques 204 est

monté sur une monture tournante 214.

Le fonctionnement de l'appareil de prise de vues est sensiblement le même que le fonctionnement de

l'appareil de prise de vues 150 illustré en figure 15.

Toutefois, l'appareil de prise de vues 200 comprend l'ob-

jectif zoom 208 qui a été décrit précédemment en relation avec les figures 12 et 13 a, 13 b Le mode de réalisation représenté en figure 16 comprend également un module de balayage de fibres 250 Le module de balayage 250 comprend un disque codeur 252, un tube photomultiplicateur 254 et un guide de lumière 256 L'extrémité de sortie 258 du faisceau de fibres optiques 206 est disposée en alignement avec le disque codeur 252 Une vue de côté du disque codeur 252 est illustrée en figure 17 Le disque codeur

252, tel que représenté en figure 16, comprend des fentes de balayage spirales 260 A-C.

En bref, tandis que le disque tourne, les fentes de balayage sont alternativement alignées avec l'extrémité de sortie 258 du faisceau de fibres optiques 206 et toute35 la lumière transmise peut passer par une fente alignée, 26 par l'intermédiaire du guide de lumière 256, et vers le photomultiplicateur 254 Les fentes spirales de balayage assurent que l'extrémité de sortie 258 des fibres optiques est analysée de façon temporelle et à vitesse constante.5 De cette façon, un signal de lumière variant dans le temps

est fourni au tube photomultiplicateur 254 et un ordina-

teur 262 peut être utilisé pour interpréter les signaux variant dans le temps pour produire un modèle d'ordinateur géométrique ou mathématique et/ou, sur un affichage 264, une image 266 Plus particulièrement, une image de la tache lumineuse focalisée sur un objet, quand elle est associée à des tables d'étalonnage de distance et à une

connaissance des positions de l'axe de balayage ortho-

gonal, conduit à l'image 266 La commande particulière du mode de réalisation représenté en figure 15 est décrite ci-après.

La figure 18 est une représentation plus détail-

lée du disque 252 comprenant une piste "une fois par tour" 268, une piste de début de balayage 270, et une piste à 3600 impulsions par tour 272 Ces pistes sont décrites plus en détail ci-après Il sera clair à partir de la figure 18 que, quand le disque 252 tourne, chaque fente

260 a-260 c est alternativement disposée de façon à permet-

tre à la lumière d'aller de l'extrémité de sortie 258 du

faisceau de fibres optiques 206 dans le tube photomulti-

plicateur 254 Les fentes spirales de balayage assurent que le signal lumineux fourni au tube photomultiplicateur 254 est variable dans le temps, c'est-à-dire que la lumière est transmise par l'extrémité de sortie des fibres optiques 258 par l'intermédiaire du disque codeur 252 et dans le guide de lumière 256 d'une façon variant dans le temps.

La figure 19 a représente un autre mode de réali-

sation possible du disque codeur 300 Le disque codeur 300 comprend quatre fentes spirales de balayage 302 a-302 d Une extrémité de sortie de fibres optiques 304 est représentée 27 pour mieux illustrer une opération de balayage Comme cela sera clair à partir de la figure 19, de nombreuses confi- gurations de disques codeurs pour réaliser une opération de balayage en travers de l'extrémité de sortie d'un fais- 5 ceau de fibres optiques sont envisagées et peuvent être utilisées. Dans un balayage de base, les fentes de balayage

transparentes parcourent, de préférence à vitesse constan-

te, la face avant du faisceau Les fentes pourraient être disposées très près de l'extrémité des fibres (environ

0,125 à 0,25 mm ( 5 à 10 mils) et toute la lumière trans-

mise à travers une fente peut, par exemple, être guidée

par un guide de lumière vers un tube photomultiplicateur.

La sortie temporelle du tube photomultiplicateur (PMT) est

l'analogue électrique de la configuration lumineuse spa-

tiale sur le ruban de fibres Le signal du PMT est alors

numérisé et utilisé pour des calculs de distance.

La figure 19 b représente encore un autre mode de réalisation d'un disque codeur 310 comprenant des fentes

radiales 312 a-312 d Une extrémité de sortie 314 d'un fais-

ceau de fibres optiques est représentée Si la fente

radiale est utilisée avec le disque codeur tel que repré-

senté en figure 19 b, tandis que le disque codeur tourne, la vitesse à laquelle la fente traversera la face avant du ruban est proportionnelle à 1/cos 2 G Ainsi, l'image de la

fente sur la face avant du ruban se déplace plus rapide-

ment près des bords du ruban qu'au milieu e doit être maintenu aussi faible que possible, ce qui signifie qu'on utilise un grand disque codeur Toutefois, même avec un disque d'un diamètre de 15 cm, l'angle soustendu par la fente verticale par rapport au bord du ruban est presque de 100 et ceci conduit alors à une variation de vitesse de

plus de 3 %.

De préférence, le disque codeur assure que x=a O o x est la distance le long de la face avant du ruban pendant un balayage, O est l'orientation du codeur et a est une constante associée au nombre de lignes de

fente sur le disque et à la largeur du ruban de fibres.

Puisque x'=a G', la vitesse de balayage est associée linéairement à la vitesse angulaire du disque qui est constante On pose r=a G o r est la position radiale de la

fente pour l'angle e.

Si le disque représenté en figure 18 est entraî-

né en rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le sens de balayage en travers de la face du ruban

va de la gauche vers la droite Trois fentes sont repré-

sentées bien qu'un plus petit ou un plus grand nombre

puisse être utilisé Avec seulement deux fentes, l'exi-

gence d'une vitesse nominale de 150 balayages par seconde nécessitera une vitesse angulaire du disque de 4500 tours/

minute Avec quatre, la vitesse est réduite à 2250 t/mn.

Avec dix, elle est réduite à 900 t/mn Ici, les compromis

se font entre la vitesse du disque, les tables d'étalon-

nage pour chaque fente et l'angle auquel la fente "coupe" la face du ruban Faire tourner le disque à une vitesse raisonnable, c'est-à-dire 2000 à 3000 t/mn, donne de bons résultats Chaque fente transparente sera légèrement différente des autres, probablement suffisament pour nécessiter sa propre table d'étalonnage Ainsi, minimiser le nombre de fentes est avantageux Enfin, plus le nombre de fentes est grand, moins l'orientation relative des

fentes et de la face du ruban est proche de la perpendi-

culaire Ceci peut être traité en ré-orientant légèrement

le ruban et en perturbant la loi de dessin des fentes.

De nombreux autres systèmes de balayage pour-

raient être utilisés et sont envisagés Par exemple, un

cylindre muni de fentes longitudinales pourrait être uti-

lisé Un tube photomultiplicateur pourrait être disposé dans le cylindre, tourné vers 1 ' extrémité de sortie du

faisceau de fibres La face d'extrémité de sortie du fais-

ceau de fibres pourrait être usinée pour avoir une forme courbe afin de s'adapter à la surface cylindrique du cylindre. Le guide de lumière représenté est une simple pyramide tronquée constituée de quatre éléments de miroir sur leurs surfaces avant qui réfléchissent la lumière le long de leurs surfaces internes On doit faire attention à la sélection des angles du guide pour éviter le problème quelquefois associé à ce type de solution, en particulier il est quelquefois possible que la lumière rentre dans le guide, tourne autour et revienne en arrière En ce cas, le guide doit être construit de façon à recevoir les rayons

émergeant des fibres à un angle maximum ( 41 ).

Pour que l'appareil de prise de vues fournisse

des cartographies de distance et/ou des mesures de dis-

tance denses à des emplacements choisis aléatoirement, un sous-système de balayage optique est prévu Il peut fournir des réseaux de mesure de distance allant jusqu'à 256 X 256 pour une ouverture allant jusqu'à 90 'X 900 Il est probablement raisonnable de limiter les élements du réseau à n m o N et m sont des puissances de deux Ainsi, les dimensions du réseau peuvent être 128 X 64, 32 X 32, 16 X 128, etc L'ouverture minimale sera dictée par la dimension du réseau et l'angle d'ouverture associé à la dimension de

pas de balayage minimale.

La fonction de balayage pour le faisceau et le train optique est réalisée en utilisant un mouvement coordonné d'un miroir de balayage et d'une rotation de la

tête optique telle que représentée en figures 13 a et 13 b.

La tête optique est constituée du laser, de la commande de mise au point (non représentée) et de l'ensemble optique (objectif zoom motorisé et ensemble détecteur à fibres motorisé) Il peut être "tenu" à son extrémité et tourner autour de l'axe du faisceau laser comme cela est représen-

té en figures 13 a et 13 b Le miroir est fixé de la façon représentée et son axe de pivotement coupe le faisceau laser de la façon représentée Le résultat définit un système de coordonnées sphériques ayant son origine au niveau de l'intersection faisceau/miroir Toutes les mesures de distance sont effectuées par rapport à ce point. Un problème associé à un balayage par trames continu réside dans la "rémanence" de la tache laser associée à la vitesse du spot et au temps nécessaire pour un balayage optique complet du ruban de fibres Une façon

de résoudre ce problème est la suivante La dimension com-

mandée de tache du faisceau sonde de laser sera de l'ordre de 0,25 mm sur la cible On sélectionne arbitrairement la distance dont le spot peut se déplacer pendant le balayage de fibres sous forme d'un diamètre de spot ou 0,25 mm On peut choisir une autre valeur, mais la rendre trop petite réduit la vitesse d'échantillonnage de distance permise et la rendre trop grande entraîne un effet de rémanence trop grand Il semble raisonnable de limiter la rémanence à une

quantité de rémanence associée au spot lui-même Si la du-

rée que prend le balayage des fibres est connue, la vitesse de spot maximale possible sur la pièce peut être calculée Plus la durée de balayage des fibres est petite,

plus la vitesse permise du spot est grande Ce raisonne-

ment correspond au raisonnement en spectroscopie pour bloquer un déplacement rapide Plus le temps d'analyse est

bref, plus le mouvement peut être rapide et sera effecti-

vement figé.

Pour une cadence de données analogiques/numé-

riques fixe donnée de 750 k Hz, fixée par le matériel disponible, moins d'échantillons conduiront à une durée de balayage de fibres tf plus courte Le ruban de fibres a une étendue de 2,5 cm et est constitué de fibres de 10 pm, de sorte qu'il y a en gros 2500 fibres sur la longeur du ruban Un échantillonnage de 256 ou 512 fois sur la face avant du ruban sera adéquat et ne manquera pas de détails importants dans la configuration lumineuse spatiale sur le ruban Les fentes sont très fines, par exemple 0,025 mm ( 1 mil) Si la dimension des fentes transparentes sur le disque de balayage est choisie trop grande, la résolution peut être réduite Un sur-échantillonnage du ruban, par exemple 4096 échantillons ou plus, est de peu d'intérêt car les fibres agissent en tant que sources ponctuelles et un échantillonnage plus fin que la distance entre fibres

ne fournit pas d'informations supplémentaires En consé-

quence, on préfère avoir 1028 échantillons par balayage de fibres Ceci assure une couverture adéquate du nombre de

fibres (en gros une sur deux) tout en permettant une lar-

geur de fente de balayage suffisamment mince pour éviter

le problème de perte de fibres.

A 750 k Hz, 1028 échantillons sont pris en 1,37 ms La vitesse de spot permise sur la pièce est alors mils/1,37 ms = 7,30 pouces/seconde ou 7, 30 mils/ms ( 1 pouce = 25 mm, 1 mil = 25 10 3 mm) Maintenant, v=rw et r peut être compris entre 14 et 120 pouces, c'est-à-dire 60 cm et 3 m Ces valeurs peuvent bien sûr être modifiées Ainsi, la vitesse angulaire maximale permise du faisceau est b =v/r= 7,30/r rd/s La vitesse angulaire maximale permise du miroir est donc wm =Gb/2 Ainsi, wm < 7,30/2 r rd/s, ou wm < 209,1/r O/s, ( 10) pour empêcher une rémanence de tache lumineuse de 0,25 mm

( 10 mils) On notera que, même si cette vitesse est per-

mise et si on obtient 150 éléments de distance/seconde, les 1,37 ms prises pour un balayage de fibres représentent

21 % du temps entre éléments de distance et la tache lumi-

neuse aura parcouru 21 % du trajet vers la nouvelle posi-

tion de tache au moment o le balayage de fibres est achevé Toutefois, ceci assure encore qu'il n'y aura pas

de "bavure" de plus de 0,25 mm ( 10 mils).

Si l'on considère l'équation ( 10), plus la cible est proche du miroir, et plus l'angle d'ouverture est faible (et donc l'angle d'excursion du miroir), plus on pourra être proche des 150 éléments de distance complets par seconde à moins que la spécification de bavure soit perdue En considérant les choses sous un autre angle, il existe une ligne dans l'espace vitesse angulaire/distance

au-dessous de laquelle on peut atteindre la vitesse d'élé-

ments de distance complets avec des bavures acceptables,

comme cela est représenté en figure 20 Tant que la vites-

se angulaire du miroir est inférieure à wcm, il y aura

une bavure de moins de 0,25 mm ( 10 mils) de la tache lumi-

neuse Maintenant, si la dimension du réseau de balayage est faible et que l'angle d'ouverture est relativement grand, le système sera probablement limité en vitesse de miroir Ainsi, le miroir pourra se déplacer avec une

vitesse angulaire externe à la zone permise Pour une lon-

gueur de N trames sur une ouverture de 60 à une certaine distance R, n = # S pour le balayage cadence d'éléments de distance lisse, et ( 11) 0 O/# S = vitesse de mémoire requise am r ( 12) Ceci doit être inférieur ou égal à wm à partir

de l'équation ( 10) Sinon, la vitesse angulaire est choi-

sie à ua et la vitesse d'éléments de distance doit être réglée pour tenir compte de la vitesse maximale Alors, = # S pour le balayage par trame, et ( 13) n/#s = vitesse d'éléments de distance calculée n'c ( 14) Mais une commande variable de la vitesse de balayage n'est pas prévue (pour la simplicité de balayage), de sorte que l'on peut seulement avoir n'= 150/m (m = 1,2,3) éléments de distance/s ( 15) Ainsi, on utilise chaque fente de balayage, une sur deux, une sur trois, etc En choisissant ainsi le n' maximum de sorte que n'<n'=, si n', est inférieur à la valeur nominale ( 150 éléments de distance/seconde), alors la vitesse d'éléments de distance possible est la moitié de la valeur nominale, puis le tiers, le quart, etc Utiliser la valeur de n' conduirait à n/n' = # S pour le balayage de trame lisse ( 16) Dans certaines circonstances, il sera plus rapide d'incrémenter le miroir à haute vitesse vers la position suivante, de prendre une mesure de distance, d'incrémenter à nouveau, et ainsi de suite Ceci prend place intuitivement quand on préfère obtenir une grande couverture angulaire (grand angle de champ) et peu

d'éléments de distance à l'intérieur de cette couverture.

Il y aura une certaine fréquence maximale d'incrémentation déterminée par le temps d'établissement associé aux caractéristiques dynamiques du miroir Si l'on appelle Q le nombre d'éléments de distance par seconde, alors: n/Q = S pour le balayage par trame incrémenté ( 17) Cette valeur pourrait être comparée à celle déterminée par l'équation ( 16) et la plus petite valeur utilisée Si la valeur de l'équation ( 16) est plus petite, on choisira un balayage par trame plus lisse avec une vitesse n' Si l'équation ( 17) conduit à la plus petite valeur, on choisira un balayage par trame incrémenté avec une vitesse maximum (n')<Q Si la valeur de l'équation ( 16) prend le pas, une nouvelle vitesse de balayage de miroir requise am r doit être calculée Wmr = 00/( 2 n/n') O/s ( 18) On notera le facteur 2 dans le dénominateur qui indique le

doublement de l'angle de balayage par suite d'un change-

ment d'angle du miroir.

Puisque la fonction de balayage par trame est si étroitement couplée au balayable par fibres, les choix effectués pour le balayage du miroir influencent fortement

la fonctionnalité et le matériel de balayage par fibres.

Ce qui suit concerne le disque de balayage de fibres et décrit le procédé utilisé pour synchroniser le miroir de trame avec la rotation du disque Cette plage fondamentale de vitesses de balayage du miroir pour le mode de balayage de miroir lisse est de 1,74 à 15,00 Si approximativement

1 mm ( 39 mils) de granularité de position de tache lumi-

neuse à 3 mètres est nécessaire, alors 0,039/120 = ào = 0,000325 rad = 0, 0186 ( 19)

Ceci fournit 19333 comptages, c'est-à-dire posi-

tions du faisceau, par révolution du faisceau ou 38666

comptages effectifs par tour du miroir, puisque le fais-

ceau est défléchi de deux fois la déflection du miroir.

Dans des buts d'adaptation d'impédance, un moteur d'en-

trainement est relié au miroir par l'intermédiaire d'un rapport d'engrenages 4:1 c'est-à-dire que 4 tours du moteur fourniront 1 tour du miroir, de sorte que 9666 comptages par tour du moteur sont nécessaires, comme cela

est indiqué par l'équation ( 20).

19333 comptages 2 t faisceau 1 t miroir 666 comptages t faisceau t miroir 4 t moteur t moteur ( 20)

Ainsi, 9666 pas par tour moteur fournissent une granula-

rité de positionnement adéquate du miroir, c'est-à-dire avec une commande de position de tache approchée de 1 mm à 3 m Ceci est raisonnable et peut en fait facilement être augmenté jusqu'à 20000 pas par tour, ce qui conduit à mieux qu'une commande de spot de 1/2 mm à 3 mètres On

supposera alors 20000 pas par tour moteur.

20000 comptages => 8000 cmtgs=> 40000 cmtgs ( 1 comptagescomptages comptages ( 1 t moteur t miroir t faisceau Ainsi, dans le cas d'une vitesse angulaire du miroir de

/s, 150/s*( 80000 comptages/3600) = 3333,33 compt /s. Dans le cas de 1,740/s, 1,74 * 80000/360 = 386,7 compt /s.

Le moteur du miroir devra avancer pas à pas à des cadences comprises entre 350 et 3500 pas/seconde On préfère entraîner le moteur du miroir en utilisant un contrôleur intelligent qui peut coordonner deux axes en utilisant le codeur de l'un pour commander l'autre Le disque de balayage de ruban comprend trois fentes en forme

de spirale et peut tourner à 150/3 = 50 t/s = 3000 t/mn.

En plaçant une piste de codage incrémentiel sur le disque,

sa sortie peut être utilisée comme entrée pour le contrô-

leur du moteur Le contrôleur comprend un mode o il tourne en utilisant un "rapport de codage" qui est essentiellement un compteur diviseur par n Tous les n comptages du codeur choisi, il fournira 1 comptage à un moteur choisi La vitesse du moteur du miroir est commandée en sélectionnant diverses valeurs de N en tant que rapport du codeur La partie de lecture de codeur de

la carte de contrôleur de moteur peut suivre des impul-

sions de codeur à une cadence allant jusqu'à 500 k Hz Des cadences plus faibles peuvent être prévues On préfère toutefois utiliser des cadences d'impulsion rapides Si

une cadence d'impulsion de 200 k Hz est choisie, en fonc-

tionnant avec 150 éléments de distance par seconde, 200000/150 = 1333,33 comptages de disque par élément de distance sont obtenus Ceci doit être un nombre entier de comptages par élément de distance de sorte que 210 k Hz sont utilisés, ce qui fournit 1400 comptages de disque par élément de distance Ceci fournit alors 4200 comptages par tour du disque de balayage Ceci doit être satisfaisant, en particulier pour un disque de 15 cm de diamètre, car

prévoir notablement plus de comptages par tour entraî-

nerait un système difficile à fabriquer et donc plus coûteux La raison pour laquelle un nombre plus élevé de comptages d'impulsions de codeur par tour de disque est requis peut être appréciée de la façon suivante Pour avoir une commande relativement fine sur la vitesse de balayage du miroir par trame, la vitesse de balayage en O/s est donnée par

210000 360 945

w = = /s ( 22) n 8000 n

Une commande fine sur O est réalisée quand un petit chan-

gement de X résulte d'un changement unitaire de n Mais du 945 ( 23) dn N 2 ainsi, un comptage fin est inversement proportionnel à n 2 Pour une valeur donnée désirée de a, on résoudra par rapport à N 1 'équation ( 23) Le numérateur de 1 'équation ( 23) est directement associé au nombre d'impulsions du codeur à disque et, en raison de la vitesse constante du disque, de la cadence d'impulsions du codeur Il s'ensuit

qu'une cadence d'impulsions de codeur plus rapide néces-

site une valeur plus grande de N pour un W désiré, et donc une commande plus fine sur u Pour faciliter la conversion analogique/numérique, on peut prévoir une piste sur le disque qui fournit une impulsion quand chacune des trois fentes spirales commence un balayage de la fibre Ces impulsions peuvent commencer en même temps que les balayages ou précéder les spirales d'une certaine quantité de sorte que le meilleur nombre d'impulsions de codeurs à atteindre avant de déclencher la conversion analogique/ numérique peut être déterminé La première approche déclenche la carte analogique/numérique directement si elle est validée La seconde nécessite un certain matériel de comptage/déclenchement mais est programmable/ étalonnable Si un positionnement variable de la tête de lecture du codeur optique est prévu, on peut obtenir une

programmation" mécanique.

Le miroir de balayage fournit un balayage de trame vertical dans l'espace de travail Celui-ci est dans

une direction unique par souci de simplicité Le dépla-

cement du miroir est 1) un balayage contrôlé vers le bas et 2) un retour rapide vers le haut Le déplacement vers le bas doit commencer à un instant approprié de sorte qu'il est synchronisé avec le disque de balayage de fibres, en prenant en considération la durée associée à l'accélération du miroir à déplacer Ainsi, le miroir doit arriver à sa vitesse et être à la première position de mesure quand l'une des fentes de balayage commence un balayage de fibres Un contrôleur de déplacement utilisant des techniques pneumatiques pour l'entraînement du moteur

du miroir peut être utilisé La durée de rampe plus impor-

tante requise pour arriver à la vitesse souhaitée dans le

pire cas peut être déterminée pour chaque application.

Ceci équivaut à un certain nombre de rotations du disque.

Le nombre d'impulsions du disque représenté par ce nombre

de rotations du disque équivaut lui-même à un certain nom-

bre d'impulsions du moteur du miroir par l'intermédiaire du rapport de codage n On appelle ce nombre nb A ce stade, on positionne les impulsions nb du miroir de balayage avant la position de miroir pour obtenir le premier élément de distance Alors, pour l'impulsion une fois par tour du disque, on valide la poursuite par le codeur sur le contrôleur du moteur Le moteur accélérera

jusqu'à sa vitesse, tandis que le disque de balayage tour-

ne et le moteur et le disque seront verrouillés pour les

rotations de disque "bonne mesure" au début de l'échantil-

lonnage de distance A la fin du balayage, au moment o le miroir est arrêté, le codeur suivant est terminé, et le

miroir est commandé en retour vers la position de pré-

balayage à haute vitesse.

La figure 21 représente un schéma sous forme de

blocs 400 d'un système de mesure de distance par triangu-

lation à profondeur variable Le système de mesure de

distance comprend un disque de balayage 402 qui, en fonc-

tionnement, est utilisé pour coder des signaux à partir

* d'une extrémité de sortie d'un faisceau de fibres opti-

ques, comme cela a été décrit précédemment Un codeur 404 est représenté comme disposé de façon à pouvoir recevoir des signaux à partir de pistes de codage sur le disque

402 Le codeur 404 est couplé à une porte de synchroni-

sation 406 et à une boucle de verrouillage de phase (PLL) 408 Un tube photomultiplicateur (PMT) 410 est représenté couplé à un circuit de traitement 412 qui est lui-même couplé à un amplificateur logarithmique 414 Un signal de

déclenchement de balayage analogique/numérique fonction-

nant à 150 Hz est obtenu à partir d'une autre piste de codage du disque 402 Le signal de balayage de disque est également utilisé en utilisant un mécanisme monostable 418 pour remettre à zéro l'amplificateur 414 Les signaux en provenance de l'amplificateur logarithmique 414 du PLL 408, qui fournit un signal à 720 k Hz, sont fournis à un contrôleur à ordinateur 420 Le contrôleur à ordinateur est couplé à un moteur pas-à- pas 422 pour commander la rotation du miroir de balayage par trame 424 Un compteur peut être couplé entre le contrôleur à ordinateur et le moteur pas-à-pas 422 pour compter les impulsions envoyées au moteur pas- à-pas 422 Le contrôleur à ordinateur 420 est également couplé à un moteur pas-à-pas 428 qui est utilisé pour commander la rotation de balayage horizontal du système de mesure de distance 430 Le système 430 peut

être identique au système de mesure de distance 150 repré-

senté en figure 14 Le contrôleur à ordinateur 420 est également représenté comme couplé à un module de mise au point dynamique 432 qui peut être identique à la commande

de dimension de tache lumineuse en temps réel 152 illus-

trée en figure 14 Le contrôleur à ordinateur 420 est éga-

lement couplé à un système de rotation d'ensemble optique 434, à un système de rotation de faisceau détecteur 436, à un système de mise au point motorisé 438 et à un système

de zoom motorisé 440 pour commander la lentille à grandis-

sement variable et à un moteur à rail d'étalonnage 444.

Plus particulièrement, et comme le représente le

schéma bloc de la figure 21, le système de mesure de dis-

tance est constitué de quatre parties fondamentales: un sous-système mécanique, un sous-système optique, un système d'étalonnage et un système de calcul En ce qui concerne le sous-système mécanique, il y a six degrés de liberté (DOF) Deux degrés de liberté assurent le balayage du faisceau laser un pour le déplacement du miroir de balayage par trame et un pour faire tourner l'ensemble optique complet Deux degrés de liberté sont prévus pour la commande de grandissement variable et de mise au point de la lentille motorisée Un autre degré de liberté permet la manipulation des ensembles de lentille eux-mêmes En

particulier, un degré de liberté assure un mouvement rota-

toire de l'ensemble complet lentille-faisceau de fibres et l'autre degré de liberté fait tourner l'extrémité de détection du faisceau de fibres lui-même Tous les moteurs sont des micromoteurs pas-à-pas et sont commandés par un contrôleur de moteur pas-à-pas à six axes se trouvant sur un bus d'ordinateur de bureau Le contrôleur envoie des impulsions d'incrémentation à chaque module de déplacement par moteur qui fournit un courant proportionnel sur chacun des enroulements de moteur Le contrôleur lit également les signaux de codeur pour fermer une boucle de commande sur le moteur sur lequel le codeur est placé ou pour commander un moteur sur la base de l'état de l'autre

moteur.

Le système d'étalonnage comprend un rail de précision d'environ 3 mètres sur lequel repose un chariot de cible et un rétro-réflecteur en coin pour un système interférométrique Il est également entraîné par un moteur pas-à-pas et il est entraîné par le canal du contrôleur servant habituellement au moteur de balayage horizontal puisque la fonction de balayage est invalidée pendant l'étalonnage Le moteur de rail d'étalonnage et le moteur de balayage horizontal sont de dimensions et de puissances similaires Plus de détails sur l'étalonnage sont fournis ci-après. En ce qui concerne le sous-ensemble optique, le faisceau laser de sonde est dirigé vers un ensemble de

mise au point dynamique, comme cela a été décrit précédem-

ment, qui est fondamentalement un télescope commandé par ordinateur Le contrôleur à ordinateur peut accepter ou bien un signal analogique en provenance d'un convertisseur numérique/analogique ou bien les signaux numériques en provenance d'une carte programmable d'entrée/sortie (PIO) et le contrôleur positionne une lentille du télescope par rapport à l'autre Le faisceau sort du télescope et est focalisé en une petite tache après réflexion sur le miroir de balayage par trame Le faisceau frappe la cible et une partie de l'énergie lumineuse réfléchie est captée par la lentille motorisée zoom/de mise au point et focalisée sur l'extrémité du faisceau de fibres optiques cohérentes, à nouveau après réflexion sur le miroir de trame La lumière sort de l'extrémité de sortie du faisceau et est balayée par le disque d'analyse, auquel stade la lumière passant à travers le disque va vers un guide de lumière et dans le tube photomultiplicateur (PMT) Le signal en provenance du tube photomultiplicateur passe par un amplificateur courant-tension et sur l'amplificateur logarithmique De là, le signal est transmis au convertisseur analogique/ numérique o il est numérisé et envoyé sur un bus à haute vitesse vers une carte de processeur de signal numérique

(DSP) Le résultat du traitement est une valeur de dis-

tance qui est transmise au contrôleur de l'ordinateur et mémorisée. Le contrôleur à ordinateur est un IBM PC/AT industriel à 25 M Hz basé sur un circuit 80386 Il est utilisé pour synchroniser le comportement du système et

mémoriser, manipuler et afficher des données de distance.

Le contrôleur à ordinateur est un contrôleur à 14 connecteurs et toutes les cartes requises s'adaptent au contrôleur à ordinateur Dix cartes CPU, NEC Video, DSP, 41 D/A-A/D, Contrôleur OMS 6 axes, Ethernet, Carte PIO, Interféromètre, Carte Com/Parallel et Elimination d'Erreurs de Périscope résident sur le bus. Comme cela a été décrit précédemment, le disque de balayage comporte de préférence trois fentes minces claires en forme de spirales et un fond opaque pour bala- yer la face avant du faisceau de fibres Il y a aussi trois pistes de codeur placées vers la périphérie externe de la face du faisceau de fibres La piste la plus externe10 est une piste de codage à 3600 impulsions qui fournit un train d'impulsions à 180 k Hz à la boucle de verrouillage de phase (PLL) et à la porte de synchronisation tandis que

le disque tourne à 50 tours/seconde ( 3000 tours/minute).

Ce PLL multiplie cette fréquence par 4 pour présenter un

signal à 720 k Hz au circuit convertisseur analogique/numé-

rique Ceci est réalisé pour synchroniser le convertisseur analogique/numérique sur la position du disque de balayage.

La piste médiane du codeur fournit trois impul-

sions par tour au début d'un balayage pour chacune des trois fentes spirales du disque Ce signal déclenche le convertisseur analogique/numérique pour qu'il effectue un certain nombre de lectures quand il a été configuré par l'unité centrale (CPU) pour le faire Ce signal interrompt également le CPU par la carte d'entrée/sortie programmable (PIO) pour informer le programme de commande d'un nouveau balayage d'analyse, ou au moins du passage d'une autre fente spirale si les fentes spirales sont décalées pour une cadence de prise d'éléments de distance plus lente, de sorte que le programme de commande peut compter pour déterminer de quelle spirale proviennent les données Le signal de déclenchement d'analyse est également utilisé pour déclencher le circuit monostable qui remet à zéro la sortie de l'amplificateur logarithmique entre des

balayages.

La piste interne fournit une impulsion par tour pour établir la position de "repos" du disque de balayage Ceci est nécessaire, car le disque est en boucle ouverte par rapport au reste du système et le système n'a pas d'autre façon d'établir la position vraie du disque. Le signal interrompt le CPU par l'intermédiaire de la

carte PIO et est également dirigé vers la porte de syn-

chronisation. La porte de synchronisation synchronise le miroir de trame avec le disque, puisque les impulsions des pistes du codeur de sortie sont utilisées pour entraîner le miroir selon un rapport de codage sélectionnable par l'utilisateur dans le contrôleur de miroir Le miroir doit être contrôlé avec précision et en synchronisme avec le disque de balayage si des mesures de distance doivent être associées avec précision à des emplacements spécifiques sur la surface de la cible et la porte de synchronisation est l'élément utilisé pour établir la synchronisation La porte de synchronisation est représentée en figure 22 sous

forme de schéma bloc En particulier, la porte de synchro-

nisation comprend une bascule J-K et une porte ET 452.

L'impulsion une fois par tour est envoyée à la bascule et la sortie de la bascule est envoyée à la porte ET avec le signal de codeur Le signal de sortie de la porte ET est fourni au contrôleur de moteur, c'est-à- dire au contrôleur

OMS 6 axes.

Tant que la ligne de remise à zéro de la bascule est maintenue à bas niveau par la carte PIO, la sortie de la bascule est basse et la porte ET ne laisse pas passer le signal du codeur vers le contrôleur du moteur Quand le système est prêt à commencer un balayage de trame, il

attend une impulsion une fois par tour, valide le contrô-

leur du moteur dans le mode suivi du codeur et commande l'entrée/sortie programmable (PIO) pour établir la ligne de remise à zéro à haut niveau et attend l'impulsion une fois par tour suivante Quand l'impulsion une fois par tour suivante apparaît, elle déclenche la bascule qui amène sa sortie à haut niveau et valide la porte ET pour laisser passer les signaux du codeur, auquel stade le miroir de balayage commence à tourner Elle signale également au CPU que le convertisseur analogique/numérique a été validé de sorte que, quand les impulsions de démarrage de balayage en provenance de la piste médiane arrivent, le convertisseur analogique/numérique prend le nombre déterminé, par exemple 2048, de conversions à la cadence de 720 k Hz établie par le PLL Le CPU surveille

les impulsions de mise en route de balayage pour détermi-

ner quand, ou si, il doit continuer à valider le conver-

tisseur analogique/numérique Il y a un intervalle de temps entre l'impulsion une fois par tour et la première impulsion de début de balayage pour la mise en route du

convertisseur analogique/numérique.

Le rail d'étalonnage porte une cible d'étalon-

nage et un rétro-réflecteur pour le système d'interféro-

mètre qui est utilisé pour assurer des mesures précises indépendantes de la position de la cible Puisque le rail

peut seulement assurer des mouvements relativement régu-

liers, l'interféromètre pourra suivre la cible à moins que la vitesse du rail ne soit trop grande En conséquence, la

vitesse du rail doit être limitée pendant l'étalonnage.

Deux étalonnages distincts sont réalisés Le premier est un étalonnage de l'ensemble de mise au point dynamique pour établir une table de consultation de la position de la lentille de télescope en fonction de la valeur de distance mesurée Le rail d'étalonnage est mis au repos, l'interféromètre est mis à zéro, et la mise au point est modifiée jusqu'à ce que la tache sur la cible

soit la plus petite possible Ceci sera déterminé en ana-

lysant la forme de la sortie de l'amplificateur logarith-

mique en fonction du temps La forme la plus "pointue" implique le spot le plus petit Pour chaque position de

cible, le signal d'entraînement nécessaire pour une foca-

lisation plus "pointue" est mémorisé dans la table de consultation de mise au point dynamique Cette tâche peut être réalisée manuellement ou à la machine, selon la durée relative nécessaire pour le fonctionnement manuel en fonction de celle requise pour le développement d'un code pour un fonctionnement automatique Les signaux numériques parallèles sont envoyés à l'ensemble de mise au point dynamique pour positionnement et l'ensemblerenvoie un signal numérique "position établie" que le calculateur interroge pour déterminer quand la mise au point dynamique

est achevée.

La seconde tâche d'étalonnage consiste à élabo-

rer des tables de consultation pour chacune des "configu-

rations" du système Une configuration est fondamentale-

ment un vecteur d'état dont les composantes sont les posi-

tions des quatre composants optiques zoom, mise au point, ensemble optique et orientation d'extrémité du

faisceau de fibres qui établit la distance de sépara-

tion, la profondeur de champ et la résolution du système.

Pour établir une configuration quelconque, le fonctionne-

ment général consistera à remettre les quatre axes au repos, à remettre à zéro les compteurs de position de contrôleur interne et de moteur, et à positionner les

quatre axes à leurs positions appropriées Le rail d'éta-

lonnage est mis au repos, puis déplacé jusqu'à ce qu'un retour non nul soit enregistré par le système La valeur de distance non appropriée obtenue par cette mesure est utilisée pour établir la mise au point et une autre

valeur, généralement plus précise, est obtenue La posi-

tion du centre géométrique du signal de retour sur les faisceaux de fibres telle que lue par les trois fentes spirales de balayage est introduite dans celle appropriée des trois tables de consultation et associée aux valeurs

de distance lues à partir de l'interféromètre.

Bien que la présente invention ait été représen-

tée et décrite en relation avec ses modes de réalisation préférés, l'homme de l'art notera que divers changements et modifications peuvent être apportés sans sortir du

domaine de protection de l'invention telle que définie par les revendications ci-après.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 Appareil pour un système de mesure de dis-

tance par triangulation à profondeur de champ variable, le système de mesure de distance comprenant des moyens ( 156) pour émettre un faisceau lumineux, des moyens ( 152, 202) pour focaliser un faisceau lumineux émis sur un objet ( 182) et des moyens d'objectif ( 158) pour former l'image de la lumière réfléchie sur une extrémité d'entrée de l'appareil, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: un faisceau de fibres optiques ( 166, 206), ce faisceau de fibres comprenant une extrémité d'entrée ( 154, 214), et une extrémité de sortie ( 168, 258), l'extrémité d'entrée du faisceau étant disposée pour intercepter la lumière transmise par les moyens d'objectif; des moyens ( 172, 252) pour analyser, en fonction du temps, l'extrémité de sortie du faisceau, ces moyens d'analyse ayant une configuration propre à produire un signal fonction du temps indicatif des signaux lumineux présents à l'extrémité de sortie du faisceau; et

des moyens ( 178, 262) pour calculer la configu-

ration du système et la distance à partir du signal fonc-

tion du temps.

2 Appareil selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le faisceau de fibres optiques comprend des

fibres optiques de 10 pm.

3 Appareil selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le faisceau de fibres optiques comprend une pluralité de fibres optiques de 10 pm pour former un ruban optique de fibres cohérentes de 2,5 cm ( 1 pouce) de large et 1,5 mm ( 1/16 pouce) d'épaisseur, les fibres optiques

ayant une ouverture numérique égale à 0,66.

4 Appareil selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les moyens de balayage comprennent une roue de codage opaque ( 252) comprenant au moins une fente de balayage transparente ( 260 a-260 c), cette roue de codage étant disposée de façon adjacente à l'extrémité de sortie ( 258) du faisceau de fibres et pouvant tourner par rapport

à celle-ci.

Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la roue de codage comprend trois fentes de

balayage.

6 Appareil selon la revendication 4, caracté-

risé en ce que chaque fente de balayage a une forme sensi-

blement rectangulaire (figure 19 b).

7 Appareil selon la revendication 4, caracté-

risé en ce que chaque fente de balayage a une forme

spirale (figure 18).

8 Appareil selon la revendication 4, caracté-

risé en ce que la roue de codage comprend des pistes de codage.

9 Appareil selon la revendication 8, caracté-

risé en ce que les pistes de codage comprennent une piste ( 268) "une fois par tour", une piste ( 270) de début de

balayage et une piste ( 272) à 3600 impulsions par tour.

Appareil selon la revendication 4, compre-

nant en outre:

un guide de lumière ( 256) aligné avec l'extré-

mité de sortie du faisceau de fibres, la roue de codage

( 252) étant disposée entre le guide de lumière et l'extré-

mité de sortie du faisceau de fibres; et un tube photomultiplicateur disposé de façon

adjacente à une extrémité de sortie du guide de lumière.

11 Appareil selon la revendication 10, caracté-

risé en ce que le guide de lumière ( 256) a une forme de pyramide tronquée constituant un assemblage de miroirs

pour réfléchir la lumière le long de leur surface interne.

12 Appareil selon la revendication 10, caracté-

risé en ce que le tube photomultiplicateur ( 254) comprend un tube photomultiplicateur du type à ouverture latérale

de Hamamatsu.

13 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens de balayage comprennent:

un miroir polygonal ( 172) aligné avec l'extré-

mité de sortie du faisceau de fibres optiques; et un tube photomultiplicateur ( 174) aligné avec le miroir polygonal pour recevoir la lumière réfléchie par le miroir polygonal à partir de l'extrémité de sortie ( 168)

du faisceau de fibres optiques.

14 Appareil selon la revendication 13, caracté-

risé en ce que le tube photomultiplicateur ( 254) comprend un tube photomultiplicateur du type à ouverture latérale

de Hamamatsu.