FR2664378A1 - APPARATUS FOR PROJECTING AND TAKING IMAGES FOR DETERMINING THE THREE-DIMENSIONAL SHAPE OF AN OBJECT. - Google Patents
APPARATUS FOR PROJECTING AND TAKING IMAGES FOR DETERMINING THE THREE-DIMENSIONAL SHAPE OF AN OBJECT. Download PDFInfo
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Abstract
Description
APPAREIL DE PROJECTION ET DE PRISE D'IMAGES
POUR LA DETERMINATION DE LA FORME TRIDIMENSIONNELLE DVUN
OBJET
L'invention concerne un appareil de projection et de prise d'images pour la détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet par voie optique sans contact.APPARATUS FOR PROJECTING AND TAKING IMAGES
FOR THE DETERMINATION OF THE THREE-DIMENSIONAL FORM DVUN
OBJECT
The invention relates to an apparatus for projecting and taking images for determining the three-dimensional shape of an object by non-contact optical means.
On connaît, par exemple par le Brevet Européen
EP 0.182.469, un procédé de détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet, qui consiste à projeter sur la surface de cet objet un champ de franges rectilignes à variation spatiale sinusoïdale d'intensité, à former sur un ensemble de photodétecteurs l'image de la surface de cet objet comportant 1 image du champ de franges projeté, et à déterminer les phases des signaux de sortie des photodétecteurs. Les valeurs absolues de ces phases permettent de déterminer les cotes des points de la surface de l'objet le long d'un axe perpendiculaire à l'ensemble de photodétecteurs, et les coordonnées des photodétecteurs dans leur plan correspondant aux coordonnées des points de la surface de l'objet dans un plan parallèle.We know, for example by the European Patent
EP 0.182.469, a method for determining the three-dimensional shape of an object, which consists in projecting onto the surface of this object a field of rectilinear fringes with sinusoidal spatial intensity variation, to be formed on a set of photodetectors image of the surface of this object comprising 1 image of the projected fringe field, and determining the phases of the output signals from the photodetectors. The absolute values of these phases make it possible to determine the dimensions of the points of the surface of the object along an axis perpendicular to the set of photodetectors, and the coordinates of the photodetectors in their plane corresponding to the coordinates of the points of the surface. of the object in a parallel plane.
En pratique, pour connaître les valeurs absolues des phases des signaux des photodétecteurs, et non leurs valeurs modulo 2s, on est amené à projeter successivement sur la surface de l'objet n champs de franges de même pas qui sont déphasés de 2X/n d'un champ au suivant, ainsi que n champs de franges ayant un pas différent du premier cité et qui sont déphasés de 2X/n d'un champ au suivant. In practice, to know the absolute values of the phases of the photodetector signals, and not their modulo 2s values, we are led to project successively onto the surface of the object n fringe fields of the same pitch which are phase-shifted by 2X / n d 'one field to the next, as well as n fringe fields having a pitch different from the first city and which are phase-shifted by 2X / n from one field to the next.
Par ailleurs, pour que tous les points du relief de l'objet vus par les photodétecteurs soient correctement éclairés par les moyens de projection des champs de franges, il est souvent nécessaire d'utiliser deux projecteurs situés de part et d'autre des moyens de prise d'images de l'objet et éclairant tous deux la surface de l'objet qui se trouve dans le champ des moyens de prise d'images. Il en résulte en conséquence une multiplication des moyens utilisés au niveau des systèmes de projection des champs de franges et de leur commande ainsi qu'au niveau des moyens de constitution des champs de franges eux-mêmes, ce qui peut compliquer les mesures et augmente le coût de l'appareil. Furthermore, so that all the points of the relief of the object seen by the photodetectors are correctly lit by the means for projecting the fields of fringes, it is often necessary to use two projectors located on either side of the means of taking images of the object and both illuminating the surface of the object which is in the field of the image taking means. This consequently results in a multiplication of the means used at the level of the systems for projecting the fringe fields and their control as well as at the level of the means for constituting the fringe fields themselves, which can complicate the measurements and increases the cost of the device.
Il peut aussi s'avérer nécessaire de modifier les conditions de projection et de prise de vues pendant une série de mesures sur un objet, par exemple en fonction des différences de dimensions, de nature ou de pouvoir diffusant entre certaines parties de l'objet. It may also be necessary to modify the projection and shooting conditions during a series of measurements on an object, for example depending on the differences in size, nature or diffusing power between certain parts of the object.
Il faut enfin souvent procéder très rapidement à ces mesures, de façon à ce que leur durée totale n'excède pas un temps de quelques secondes. Finally, these measurements must often be made very quickly, so that their total duration does not exceed a time of a few seconds.
L'invention a pour objet un appareil de projection et de prise d'images pour la détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet, cet appareil étant simple, fiable, peu coûteux et capable de répondre aux conditions posées plus haut. The subject of the invention is an apparatus for projecting and taking images for determining the three-dimensional shape of an object, this apparatus being simple, reliable, inexpensive and capable of meeting the conditions set out above.
L'invention propose donc un appareil de projection et de prise d'images pour la détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet, comprenant des moyens de projection sur l'objet de l'image d'une mire de franges rectilignes à variation spatiale sinusoïdale d'intensité, et des moyens, tels qu'une caméra vidéo, de formation d'une image de l'objet sur un ensemble de photodétecteurs, caractérisé en ce qu'il comprend des jeux de miroirs associés aux moyens de projection pour partager le faisceau lumineux émis par ces moyens et projeter les fractions de faisceau sur l'objet suivant des directions différentes convergeant vers l'objet, et des moyens de multiplexage séquentiel des flux lumineux captés par la caméra. The invention therefore provides an apparatus for projecting and taking images for determining the three-dimensional shape of an object, comprising means for projecting onto the object of the image a pattern of rectilinear fringes with spatial variation. sinusoidal intensity, and means, such as a video camera, for forming an image of the object on a set of photodetectors, characterized in that it comprises sets of mirrors associated with the projection means for sharing the light beam emitted by these means and project the beam fractions onto the object in different directions converging on the object, and means for sequential multiplexing of the light fluxes captured by the camera.
L'invention permet donc, à partir d'un projecteur unique, d'éclairer la surface d'un objet selon des angles différents. The invention therefore makes it possible, from a single projector, to illuminate the surface of an object from different angles.
Les points de la surface de l'objet, qui sont vus par les photodétecteurs, sont ainsi tous éclairés. The points on the surface of the object, which are seen by the photodetectors, are thus all illuminated.
Les moyens de multiplexage séquentiel des flux lumineux captés par la caméra permettent de prendre en compte successivement les champs de franges projetés sur la surface de l'objet selon des directions différentes, et d'obtenir ainsi des mesures précises et complètes de la surface de l'objet.The means of sequential multiplexing of the luminous fluxes captured by the camera make it possible to take into account successively the fields of fringes projected onto the surface of the object in different directions, and thus to obtain precise and complete measurements of the surface of the 'object.
Avantageusement, ces moyens de multiplexage séquentiel comprennent un disque tournant à ouvertures radialement décalées, qui sont placées sur le trajet du faisceau lumineux émis et qui n'en laissent passer qu'une partie, de sorte que l'objet n'est éclairé que par une fraction à la fois du faisceau lumineux émis par les moyens uniques de projection. Advantageously, these sequential multiplexing means comprise a rotating disc with radially offset openings, which are placed in the path of the emitted light beam and which allow only part of it to pass, so that the object is only illuminated by a fraction at a time of the light beam emitted by the single projection means.
Ces moyens de multiplexage sont particulièrement simples et peu coûteux. These multiplexing means are particularly simple and inexpensive.
L'appareil selon l'invention comprend également des moyens de commutation entre un niveau haut et un niveau bas de l'intensité des signaux lumineux qui sont captés ou transmis par la caméra vidéo. The apparatus according to the invention also comprises means for switching between a high level and a low level of the intensity of the light signals which are picked up or transmitted by the video camera.
Ces moyens de commutation peuvent être constitués d'un disque tournant à ouvertures placées sur le trajet du faisceau lumineux et dont certaines sont munies d'un filtre d'atténuation. These switching means may consist of a rotating disc with openings placed in the path of the light beam and some of which are provided with an attenuation filter.
Les rotations continues des disques formant les moyens de multiplexage et les moyens de commutation de niveau sont avantageusement synchronisées avec le déplacement transversal de la mire correspondant à des déphasages de 2X/n du champ de franges projeté sur l'objet. The continuous rotations of the discs forming the multiplexing means and the level switching means are advantageously synchronized with the transverse displacement of the target corresponding to 2X / n phase shifts of the fringe field projected onto the object.
En variante, les moyens de commutation peuvent être constitués par des moyens de réglage du gain de la caméra vidéo. As a variant, the switching means can be constituted by means for adjusting the gain of the video camera.
Enfin, les moyens de projection utilisés sont constitués d'un projecteur de diapositives d'un type classique, qui comprend de préférence une source lumineuse émettant dans l'infrarouge, telle par exemple qu'une lampe à filament de tungstène, ce qui permet notamment d'effectuer des mesures sur une plage de longueurs d'onde correspondant au maximum de sensibilité des photodétecteurs. Finally, the projection means used consist of a slide projector of a conventional type, which preferably comprises a light source emitting in the infrared, such as for example a tungsten filament lamp, which in particular allows perform measurements over a wavelength range corresponding to the maximum sensitivity of the photodetectors.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels
la figure 1 représente schématiquement un mode connu de projection et de prise d'images sur la surface d'un objet;
la figure 2 représente schématiquement un appareil selon l'invention pour la projection et la prise d'images sur la surface d'un objet;
les figures 3 et 4 sont des vues schématiques de deux disques tournants constituant respectivement des moyens de multiplexage et des moyens de commutation de niveaux;
la figure 5 est un tableau représentant une séquence d'acquisition de signaux exécutable par l'appareil selon l'invention.The invention will be better understood and other characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly on reading the description which follows, given by way of example with reference to the appended drawings, in which
FIG. 1 schematically represents a known mode of projection and taking of images on the surface of an object;
FIG. 2 schematically represents an apparatus according to the invention for projecting and taking images on the surface of an object;
Figures 3 and 4 are schematic views of two rotating discs respectively constituting multiplexing means and level switching means;
FIG. 5 is a table representing a signal acquisition sequence executable by the apparatus according to the invention.
Pour mieux faire comprendre l'intérêt de l'invention, on a représenté schématiquement en figure 1 des moyens connus de projection sur la surface d'un objet et de prise d'images de la surface de cet objet, ces moyens comprenant par exemple une caméra vidéo 10 située entre deux projecteurs 12 éclairant la surface d'un objet 14 qui se trouve dans le champ de la caméra 10. To better understand the interest of the invention, there is shown schematically in Figure 1 known means of projection on the surface of an object and taking images of the surface of this object, these means comprising for example a video camera 10 located between two projectors 12 illuminating the surface of an object 14 which is in the field of camera 10.
L'association des deux projecteurs 12, dont les faisceaux lumineux convergent sur la surface de l'objet qui se trouve dans le champ de la caméra, permet de ne laisser dans l'ombre aucun des points qui sont visibles par la caméra 10.The association of the two projectors 12, the light beams of which converge on the surface of the object which is in the field of the camera, makes it possible to leave in the shade none of the points which are visible by the camera 10.
Il en résulte cependant l'obligation d'utiliser deux ensembles de projection et de moyens de commande associés, et de synchroniser les fonctionnements de ces moyens de projection. However, this results in the obligation to use two sets of projection and associated control means, and to synchronize the operations of these projection means.
L'appareil selon l'invention, représenté schématiquement en figure 2, permet d'éviter ces inconvénients. The device according to the invention, shown schematically in Figure 2, avoids these drawbacks.
Cet appareil comprend un seul projecteur 12, émettant un faisceau lumineux 16 le long d'un axe optique 18 orienté vers la surface de l'objet 14 dont on veut déterminer la forme tridimensionnelle. This device comprises a single projector 12, emitting a light beam 16 along an optical axis 18 oriented towards the surface of the object 14 whose three-dimensional shape is to be determined.
De façon connue, le projecteur 12 peut être un projecteur de diapositives d'un type classique, et projette sur la surface de l'objet 14 l'image d'une mire de franges rectilignes à variation spatiale sinusoïdale d'intensité lumineuse, qui peut être formée sur un film inversible du type diapositive. La caméra vidéo 10, à photodiodes CCD par exemple, capte l'image de la mire projetée sur la surface de l'objet 14 et est reliée à des moyens de traitement de l'information, non représentés, permettant de déterminer les coordonnées tridimensionnelles des points de la surface de l'objet 14 qui se trouve dans le champ de la caméra. In a known manner, the projector 12 can be a slide projector of a conventional type, and projects onto the surface of the object 14 the image of a pattern of rectilinear fringes with sinusoidal spatial variation of light intensity, which can be formed on a reversible film of the slide type. The video camera 10, with CCD photodiodes for example, captures the image of the test pattern projected onto the surface of the object 14 and is connected to data processing means, not shown, making it possible to determine the three-dimensional coordinates of the points of the surface of the object 14 which is in the field of the camera.
Selon l'invention, le projecteur 12 est associé à des jeux de miroirs qui permettent de partager le faisceau lumineux émis 16 en fractions de faisceau qui sont ensuite renvoyées vers la surface de l'objet 14 selon des directions convergentes, de telle sorte que tous les points de la surface de l'objet 14 vus par la caméra puissent être éclairés. According to the invention, the projector 12 is associated with sets of mirrors which make it possible to divide the emitted light beam 16 into fractions of the beam which are then returned to the surface of the object 14 in converging directions, so that all the points of the surface of the object 14 seen by the camera can be illuminated.
Dans l'exemple représenté, un premier miroir 20 reçoit une première partie du faisceau lumineux émis et la réfléchit en direction d'un second miroir 22, qui la réfléchit lui-même en direction de l'objet 14. Le premier miroir 20 se termine par exemple sur l'axe optique 18 du projecteur 12, pour réfléchir une moitié du faisceau lumineux émis 16 et laisser passer l'autre moitié de ce faisceau. In the example shown, a first mirror 20 receives a first part of the light beam emitted and reflects it towards a second mirror 22, which itself reflects it towards the object 14. The first mirror 20 ends for example on the optical axis 18 of the projector 12, to reflect half of the light beam emitted 16 and to let the other half of this beam pass.
Un autre miroir 24 réfléchit cette autre moitié du faisceau 16 en direction d'un miroir 26, qui la réfléchit vers l'objet 14. Another mirror 24 reflects this other half of the beam 16 towards a mirror 26, which reflects it towards the object 14.
Les fractions de faisceau lumineux 28 et 30, qui sont réfléchies par les miroirs 22 et 26 respectivement et qui ont de préférence des axes optiques parallèles à celui de la caméra 10, se croisent et se chevauchent sur une partie 32 de la surface de l'objet, située dans le champ de la caméra 10. Il est donc nécessaire de réaliser, au niveau de la caméra 10, un multiplexage des signaux qui sont dus à l'éclairage de l'objet 14 par le miroir 22 ou miroir G (miroir de gauche) et de ceux qui sont dus à l'éclairage par le miroir 26 ou miroir D (miroir de droite sur le dessin). The light beam fractions 28 and 30, which are reflected by the mirrors 22 and 26 respectively and which preferably have optical axes parallel to that of the camera 10, intersect and overlap on a part 32 of the surface of the object, located in the field of the camera 10. It is therefore necessary to carry out, at the level of the camera 10, a multiplexing of the signals which are due to the lighting of the object 14 by the mirror 22 or mirror G (mirror left) and those due to lighting by mirror 26 or mirror D (right mirror in the drawing).
Comme l'objet 14 peut également être constitué de parties qui sont plus ou moins diffusantes, on prévoit de modifier le niveau d'éclairement de la surface de l'objet, afin de réaliser une série de mesures valables pour les parties très diffusantes et une série de mesures valables pour les parties moins diffusantes. As the object 14 can also consist of parts which are more or less diffusing, it is planned to modify the level of illumination of the surface of the object, in order to carry out a series of measurements valid for the very diffusing parts and a series of measures valid for the less diffusing parts.
On peut utiliser pour cela les disques représentés schématiquement dans les figures 3 et 4. The discs shown diagrammatically in FIGS. 3 and 4 can be used for this.
Le disque 34 de la figure 3 est destiné à être monté dans le projecteur 12, par exemple au voisinage immédiat de la mire de franges rectilignes, et est excentré par rapport à l'axe optique 18 du projecteur, dont l'objectif a été représenté schématiquement en 36. The disc 34 of Figure 3 is intended to be mounted in the projector 12, for example in the immediate vicinity of the test pattern of rectilinear fringes, and is eccentric relative to the optical axis 18 of the projector, the objective of which has been shown schematically in 36.
Le disque 34 est réalisé en matière opaque ou non transparente au faisceau lumineux émis par le projecteur 12, et comprend deux découpes annulaires 38 et 40, s'étendant sur 180 et qui sont diamétralement opposées l'une à l'autre, ces deux découpes étant en outre radialement décalées l'une par rapport à l'autre et ayant une largeur égale au rayon de l'objectif 36, de telle sorte que la découpe 38 va permettre le passage de la moitié gauche du faisceau lumineux émis par le projecteur et interdire le passage de la moitié droite de ce faisceau, et qu inversement la découpe 40 permettra le passage de la moitié droite de ce faisceau en interdisant le passage de la moitié gauche.The disc 34 is made of opaque or non-transparent material to the light beam emitted by the projector 12, and comprises two annular cutouts 38 and 40, extending over 180 and which are diametrically opposite one another, these two cutouts being further radially offset from one another and having a width equal to the radius of the objective 36, so that the cutout 38 will allow the passage of the left half of the light beam emitted by the projector and prohibit the passage of the right half of this beam, and conversely the cutout 40 will allow the passage of the right half of this beam by prohibiting the passage of the left half.
La rotation du disque 34, par exemple dans le sens indiqué par la flèche 42, autour de son axe central, va donc se traduire par des éclairements successifs alternés droite-gauche de la surface de l'objet 14. The rotation of the disc 34, for example in the direction indicated by the arrow 42, about its central axis, will therefore result in successive alternating right-left illuminations of the surface of the object 14.
Le disque 44 représenté en figure 4 est destiné à régler le niveau d'éclairement de la surface de l'objet 14 entre deux valeurs haute et basse, grâce à l'interposition séquentielle de filtres d'atténuation sur le trajet du faisceau lumineux émis par le projecteur 12. The disc 44 shown in FIG. 4 is intended to adjust the level of illumination of the surface of the object 14 between two high and low values, by virtue of the sequential interposition of attenuation filters on the path of the light beam emitted by the projector 12.
Pour cela, le disque 44 va comprendre des parties pleines 46 totalement opaques au faisceau lumineux émis, une partie filtrante 48, laissant passer ce faisceau lumineux en atténuant l'intensité d'éclairement, et des parties complètement transparentes 50, formées par exemple par une découpe de la matière du disque 44. Dans l'exemple représenté en figures 3 et 4, les disques 34 et 44 sont destinés à être utilisés l'un avec l'autre, en étant centrés sur le même axe de rotation et en étant entraînés dans le même sens à des vitesses différentes, celle du disque 44 étant la moitié de celle du disque 34. For this, the disc 44 will include solid parts 46 completely opaque to the light beam emitted, a filtering part 48, allowing this light beam to pass by reducing the intensity of illumination, and completely transparent parts 50, formed for example by a cutting the material of the disc 44. In the example shown in FIGS. 3 and 4, the discs 34 and 44 are intended to be used with one another, being centered on the same axis of rotation and being driven in the same direction at different speeds, that of the disc 44 being half that of the disc 34.
Les rotations de ces disques 34 et 44 sont synchronisées avec les déplacements transversaux des mires à franges rectilignes, déplacements qui correspondent à des déphasages de 2X/n. Lorsque n est égal à 4 et que l'on utilise deux mires ayant des pas entre franges différents, on peut obtenir la séquence d'acquisition de signaux qui est représentée schématiquement en figure 5. The rotations of these discs 34 and 44 are synchronized with the transverse displacements of the sights with rectilinear fringes, displacements which correspond to phase shifts of 2X / n. When n is equal to 4 and two test patterns having steps between different fringes are used, the signal acquisition sequence can be obtained which is shown diagrammatically in FIG. 5.
Dans cette séquence, on utilise la mire n 1 pour l'acquisition d'une première série de signaux, puis on la remplace par la mire n 2 et on refait la même série de mesures. Chaque série de mesure comprend un éclairage côté droit et un éclairage côté gauche pour un premier niveau d'éclairement, puis un éclairage côté droit et un éclairage côté gauche pour un deuxième niveau d'éclairement. In this sequence, test pattern n 1 is used to acquire a first series of signals, then replace it with test pattern n 2 and repeat the same series of measurements. Each measurement series includes a right side light and a left side light for a first level of illumination, then a right side light and a left side light for a second light level.
Pour chaque côté d'éclairement et chaque niveau d'éclairement, on réalise quatre mesures correspondant à la projection successive de quatre champs de franges qui sont décalés de n;/2 l'un par rapport à 1 'autre. For each side of illumination and each level of illumination, four measurements are made corresponding to the successive projection of four fields of fringes which are offset by n; / 2 relative to one another.
On réalise ainsi 16 mesures ou acquisitions de signaux avec la mire n"l, puis 16 mesures ou acquisitions de signaux avec la mire n"2. La durée totale de ces acquisitions de signaux, y compris la durée du changement de mire, peut être de une à quelques secondes selon les applications envisagées. 16 measurements or acquisitions of signals are thus carried out with the test pattern n "l, then 16 measurements or acquisitions of signals with the test pattern n" 2. The total duration of these signal acquisitions, including the duration of the change of pattern, can be from one to a few seconds depending on the applications envisaged.
La synchronisation des rotations des deux disques 34 et 44 permet de commuter le niveau d'éclairement sur un côté, pendant que le disque de multiplexage 34 éclaire l'autre côté, et ainsi de suite. The synchronization of the rotations of the two discs 34 and 44 makes it possible to switch the level of illumination on one side, while the multiplexing disc 34 illuminates the other side, and so on.
Les moyens de commutation de niveau d'éclairement qui ont été décrits (disque 44 représenté en figure 4) permettent de faire une série complète de mesures avec le gain de la caméra vidéo réglé sur une valeur constante. On peut bien entendu, au lieu de modifier le niveau d'éclairement de la surface de l'objet 14 par rotation du disque 44 sur le trajet du faisceau lumineux émis, modifier le gain de la caméra vidéo. The lighting level switching means which have been described (disk 44 shown in FIG. 4) make it possible to make a complete series of measurements with the gain of the video camera set to a constant value. It is of course possible, instead of modifying the level of illumination of the surface of the object 14 by rotation of the disc 44 along the path of the light beam emitted, modifying the gain of the video camera.
Par ailleurs, les deux disques 34 et 44 pourraient être remplacés par un disque unique de diamètre plus important avec pour conséquence une augmentation de l'encombrement. Furthermore, the two discs 34 and 44 could be replaced by a single disc of larger diameter with the consequence of an increase in size.
En ce qui concerne le projecteur 12, il peut être équipé d'une source lumineuse émettant un flux optique de 20W (pour une application particulière) en dehors du spectre visible, par exemple dans l'infrarouge. As regards the projector 12, it can be equipped with a light source emitting an optical flux of 20W (for a particular application) outside the visible spectrum, for example in the infrared.
On peut utiliser pour cela une lampe à filament de tungstène rayonnant à une température de 3000 K, ce qui correspond à un maximum d'éclairement dans une bande de longueurs d'onde centrée sur un micromètre environ, ce qui est le domaine de sensibilité maximale des photodétecteurs CCD de la caméra vidéo. One can use for this a tungsten filament lamp radiating at a temperature of 3000 K, which corresponds to a maximum of illumination in a band of wavelengths centered on a micrometer approximately, which is the range of maximum sensitivity. CCD photodetectors of the video camera.
Claims (8)
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Citations (1)
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Patent Citations (1)
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| EP0182469A1 (en) * | 1984-09-14 | 1986-05-28 | New York Institute Of Technology | Apparatus and method for obtaining surface profilometry and three dimensional surface contours |
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| Title |
|---|
| IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN vol. 25, no. 1, juin 1982, pages 357,358; B. DROLLINGER et al.: "Moiré metrical topography with micrometer resolution" * |
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