FR2707018A1 - - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif comprend une source de lumière (7) à spectre lumineux étendu, des moyens (8, 14) de formation de sources ponctuelles à partir de cette source, des moyens (15) de focalisation de la lumière de chaque source ponctuelle sur l'objet, ces moyens de focalisation ayant un chromatisme axial, des moyens (11) de séparation de faisceau, des moyens (F1, F2) de filtrage chromatique, des moyens (C1, C2) de photodétection et des moyens électroniques de traitement (MT) pour déterminer la position de chaque point de l'objet (0) parallèlement à l'axe (Z) des moyens de focalisation. Application au contrôle tridimensionnel.
Description
DISPOSITIF D'ACQUISITION D'IMAGES TRIDIMENSIONNELLES
DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif d'acquisition d'images tridimensionnelles. Dans des modes de réalisation préférés, la présente invention permet une acquisition d'images à une cadence de l'ordre de 10 images par seconde ou plus et, en particulier, une acquisition d'images "en temps réel", c'est-à-dire à la cadence vidéo (25 images par seconde). Le domaine de l'imagerie tridimensionnelle (c'est-à-dire de l'acquisition d'images tridimensionnelles) est en très forte croissance et touche des secteurs de plus en plus vastes, tant dans
l'industrie que dans le secteur biomédical.
Les principaux domaines concernés par l'imagerie tridimensionnelle sont: le contrôle dimensionnel, - le contrôle de qualité, - le guidage de robots,
- l'imagerie biomédicale.
Les techniques utilisées en imagerie
tridimensionnelle sont très nombreuses.
A ce sujet, on se reportera au document (1) qui, comme les autres documents cités par la suite, est
mentionné à la fin de la présente description.
Parmi ces techniques on peut citer notamment: - la triangulation par laser (utilisant une tache ou une ligne lumineuse engendrée par laser), l'imagerie confocale, - la microscopie par effet tunnel, l'interférométrie, - les franges de moiré, - la technique de déphasage ("phase shifting"l), - la photogrammétrie, - la mesure par radar, - la mesure de temps de vol, - la voludensitométrie,
- la profilométrie mécanique.
L'une des principales limitations des systèmes d'acquisition d'images tridimensionnelles est que ces systèmes travaillent souvent à des cadences d'acquisition très inférieures à la cadence vidéo (25
images par seconde).
Les quelques systèmes travaillant à la cadence vidéo sont souvent des réalisations complexes
et coûteuses (voir les documents (2) et (3)).
Comme on le verra plus loin, dans un mode de réalisation préféré, le dispositif d'imagerie tridimensionnelle objet de la présente invention est apte à travailler à la cadence vidéo tout en étant beaucoup plus simple que les dispositifs connus, aptes
à travailler à une telle cadence.
La présente invention utilise la technique
de l'imagerie confocale.
Cette technique a fait l'objet de nombreux articles notamment dans le domaine de la microscopie (voir le document (4)) o elle est presque
exclusivement utilisée.
Le schéma de la figure 1 illustre le
principe de l'imagerie confocale.
Selon ce principe, un objet à observer est éclairé au moyen d'une source ponctuelle et la lumière réfléchie par cet objet est détecté au moyen d'un
détecteur ponctuel.
Plus précisément, la lumière émise par une source S est focalisée au moyen d'une lentille 1, sur un diaphragme 2, afin d'obtenir une source ponctuelle Ao. La source S peut être une source classique
à arc ou à filament, ou un laser.
Un objectif de focalisation 3 permet de focaliser la lumière transmise par le diaphragme ou
filtre 2 selon une tache située au point Alo.
Une lame semi-transparente 4 permet de réfléchir la lumière collectée par l'objectif 3 sur un
photodétecteur 5.
Un diaphragme 6, placé au point A2o, conjugué du point Alo par l'objectif 3, permet de
filtrer la lumière réfléchie par la lame semi-
transparente 4, le photodétecteur 5 recevant seulement l'énergie lumineuse transmise par l'ouverture du
diaphragme 6.
Une image bidimensionnelle est obtenue par
balayage de la tâche lumineuse sur l'objet à observer.
Un dispositif d'imagerie confocale est donc une réalisation particulière des dispositifs d'imagerie
optiques à balayage.
Lorsque le point de l'objet à observer est situé dans le plan de focalisation P de l'objectif 3, c'est-à-dire en Alo, l'image de celui-ci par cet objectif 3 est le point A2o situé au centre de
l'ouverture du diaphragme 6.
Dans cette configuration, la largeur de la tache lumineuse au niveau du diaphragme ou filtre 6 est minimale et la quantité de lumière reçue par le
photodétecteur 5 est maximale.
Lorsque le point de l'objet à observer s'éloigne du plan de focalisation de l'objectif 3 et se trouve par exemple en Al, l'image de celui-ci par l'objectif 3 est alors le point A2 et la largeur de la tache lumineuse au niveau du filtre 6 augmente tandis que la quantité de lumière reçue par le photodétecteur diminue. Cette propriété qu'ont les systèmes d'imagerie confocale de donner des images dont l'intensité lumineuse est une fonction décroissante de la distance de l'objet au plan de mise au point de l'objectif de focalisation est désignée sous le terme
de "sélectivité axiale".
Dans le cas de faibles défauts de mise au point, la transmission axiale T(z) du filtre confocal, qui est le rapport de l'intensité lumineuse transmise par le filtre 6 à l'intensité lumineuse incidente sur ce filtre, est donnée par la formule (1) suivante: T(z) = sin2(u/2)/(u/2)2 avec: u = (27/X).z.sin2c o X représente la longueur d'onde de la lumière d'observation z est la distance de l'objet au plan de focalisation, comptée parallèlement à l'axe Z de l'objectif 3 sin a est l'ouverture numérique de l'objectif de focalisation. En imagerie confocale, l'image bidimensionnelle de l'objet à observer est obtenu par
balayage de la tache lumineuse.
Ce balayage est obtenu par déplacement de l'objet ou de la tache lumineuse ou par déplacement de l'objet dans une direction et déplacement de la tache lumineuse dans une direction perpendiculaire à la précédente. La grande majorité des systèmes d'imagerie confocale et des systèmes optiques à balayage utilise la lumière d'un faisceau laser en raison du pouvoir de focalisation extrêmement élevé de celui-ci, pouvoir qui permet d'obtenir des intensités lumineuses élevées dans
des taches de dimensions très faibles.
Ces systèmes fonctionnent à des cadences d'acquisition inférieures à la cadence vidéo, en raison du dispositif de balayage qui est en général mécanique
et qui travaille à des fréquences peu élevées.
Cependant, certains systèmes fonctionnent à la cadence vidéo, grâce à l'utilisation d'un miroir polygonal tournant à très grande vitesse (voir le
document (2)).
Ces systèmes sont toutefois complexes et coûteux. D'autres systèmes fonctionnant à la cadence
vidéo utilisent un dispositif de déflexion acousto-
optique du faisceau laser (voir le document (5)).
Une technique de balayage par disque de Nipkow permet également de travailler à la cadence
vidéo (voir les documents (4), (6) et (7)).
Cette technique de balayage présente l'avantage de pouvoir être utilisée avec des sources lumineuses classiques du type lampes à arc et d'être
facile à mettre en oeuvre.
Un dispositif d'imagerie confocale utilisant un disque de Nipkow est schématiquement
représenté sur la figure 2.
Un disque de Nipkow est un disque métallique, par exemple un masque de chrome, qui est percé de dizaines de milliers de trous de quelques micromètres de diamètre et disposés en spirales (voir
le document (7)).
Le dispositif schématiquement représenté sur la figure 2 comprend une lampe à arc 7 qui éclaire un disque de Nipkow 8 par l'intermédiaire d'une
lentille de focalisation 9.
Un objectif de focalisation 10, dont l'axe porte la référence Z, projette l'image de ce disque 8 sur un objet à observer O. La lumière réfléchie par cet objet O
traverse en retour le disque 8.
Un cube séparateur 11 permet de réfléchir la lumière transmise par le disque vers une lentille de focalisation 12 et cette lentille forme l'image du disque sur la surface photosensible d'une caméra vidéo
13 de type CCD.
Lorsque le disque 8 est animé d'un mouvement de rotation grâce à des moyens appropriés 14, ce disque se comporte comme un ensemble de sources lumineuses ponctuelles et de filtres confocaux, selon le schéma de principe de la figure 1, qui balayent en synchronisme l'objet à observer O. La rotation du disque permet d'engendrer
une image bidimensionnelle au niveau de la caméra 13.
La disposition en spirale des trous du disque 8 provoque un déplacement radial apparent de ces trous, ce qui évite la formation de lignes sur l'image obtenue. En imagerie confocale, l'intensité de l'image est maximale lorsque les points de l'objet à observer sont situés dans le plan de mise au point P de
l'objectif de focalisation 10.
Cette propriété peut être utilisée pour obtenir des images tridimensionnelles (voir le document (4)). Pour ce faire, à l'aide d'un dispositif d'imagerie confocale, on effectue une série d'acquisitions de N images (coupes optiques) In(x,y), à des altitudes différentes zn (on déplace pour ce faire l'objet verticalement), o zn est égal à l'altitude zo du plan de mise au point P augmentée d'une quantité n.Dz (n variant entre 1 et N). La recherche du maximum de la série des intensités lumineuses en chaque point de coordonnées (x,y) dans un plan perpendiculaire à l'axe Z permet de déterminer la position du point considéré suivant l'axe Z. Cette position axiale correspond, en chaque point, à la position z o l'intensité lumineuse obtenue
est maximale.
En d'autres termes, pour chaque point (x,y), on dispose de N images suivant l'axe Z et la position z correspondant à l'intersection de l'objet et d'un axe parallèle à l'axe Z correspond à l'intensité
lumineuse maximale.
Si l'on utilise un dispositif d'imagerie confocale travaillant à la cadence vidéo pour effectuer les acquisitions, la cadence d'acquisition des images tridimensionnelles est divisée par le nombre N qui représente le nombre d'images nécessaires pour couvrir
la topographie de l'objet à observer.
La présente invention permet d'obtenir l'image tridimensionnelle de l'objet en une seule acquisition. Si l'on considère que le nombre d'acquisitions N peut atteindre couramment la centaine, voire le millier dans certaines applications, on mesure
l'intérêt que peut représenter la présente invention.
On connait par le document (8), auquel on se reportera, un dispositif de microscopie optique
confocale à balayage et en profondeur de champ étendue.
Ce dispositif connu utilise: - une source lumineuse polychromatique, c'est-à-dire ayant au moins deux longueurs d'ondes différentes, - un système d'imagerie confocale, - un objectif présentant du chromatisme longitudinal ou chromatisme axial, et
- une analyse spectrale de la lumière.
Ces quatre éléments permettent d'obtenir une image tridimensionnelle de l'objet observé, en une
seule acquisition.
La dynamique longitudinale du dispositif connu est égale au nombre de faisceaux lumineux secondaires. Ce dispositif connu ne permet de mesurer longitudinalement, parallèlement à l'axe de l'objectif, qu'un nombre limité de points, correspondant au nombre
des faisceaux lumineux secondaires.
Afin que la réalisation de ce dispositif connu ne soit pas trop complexe, on utilise en tant que source lumineuse polychromatique un laser à argon dont la lumière contient au plus sept longueurs d'onde
suffisamment intenses dans le spectre visible.
Un tel dispositif ne permet donc d'acquérir
des images que dans sept plans.
Ce dispositif est suffisant pour être utilisé en microscopie, pour l'observation d'objets microélectroniques tels que des circuits intégrés, mais est inutilisable pour des applications nécessitant une
dynamique longitudinale importante.
La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un dispositif
ayant une grande dynamique longitudinale.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'acquisition d'images tridimensionnelles d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend: - une source de lumière à spectre lumineux étendu, - des moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles à partir de la lumière issue de la source à spectre lumineux étendu, - des moyens de focalisation de la lumière de chaque source ponctuelle sur l'objet, ces moyens de focalisation ayant un chromatisme axial, celui-ci variant de façon monotone (de préférence, de façon linéaire) en fonction de la longueur d'onde de la lumière issue de la source, - des moyens de séparation de faisceau, prévus pour réfléchir la lumière réfléchie par chaque point de l'objet, - des moyens de filtrage comportant au moins deux filtres chromatiques dont les réponses spectrales respectives sont différentes l'une de l'autre et varient de façon monotone (de préférence, de façon linéaire) en fonction de la longueur d'onde de la lumière issue de la source, et qui sont prévus pour recevoir la lumière réfléchie par les moyens de séparation de faisceau, - des moyens de photodétection comportant au moins deux photodétecteurs respectivement associés aux filtres et prévus pour recevoir les lumières respectivement filtrées par ceux-ci, ces deux photodétecteurs recevant simultanément des informations lumineuses relatives au même point de l'objet, et - des moyens électroniques de traitement des signaux fournis par les photodétecteurs, ces moyens électroniques de traitement étant prévus pour former le rapport de l'un de ces signaux à l'autre et pour déterminer la position de chaque point de l'objet parallèlement à l'axe des moyens de focalisation, à l'aide de ce rapport et d'informations qui sont mémorisées dans ces moyens électroniques de traitement et qui résultent d'un étalonnage
préalable du dispositif.
Le dispositif objet de la présente invention présente une bien plus grande dynamique longitudinale, une plus grande simplicité et donc un coût moindre que le dispositif connu qui est divulgué par le document (8) et qui nécessite autant de dispositifs de détection ou de modulation qu'il y a de faisceaux lumineux secondaires (alors que deux
photodétecteurs suffisent dans la présente invention).
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de photodétection comprennent deux caméras vidéo de type CCD ou à tube, agencées de façon que les pixels photosensibles de l'une de ces caméras soient respectivement associés aux pixels photosensibles de l'autre caméra et que chaque point de lTobjet soit
observé par deux pixels associés.
Selon un autre mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend une caméra vidéo en couleur qui constitue à la fois les moyens de filtrage et les moyens de photodétection. Dans une première réalisation particulière de l'invention, les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles comprennent: - un disque de Nipkow, et des moyens de rotation de ce disque autour de son
axe.
Dans le cas o l'on utilise les deux caméras vidéo mentionnées plus haut, les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles peuvent comprendre un masque fixe comportant des ouvertures, chacune de ces ouvertures correspondant à un pixel
photosensible de chacune des deux caméras.
Dans le cas o l'on utilise la caméra vidéo en couleur mentionnée plus haut, les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles peuvent comprendre un masque fixe comportant des ouvertures, chacune de ces ouvertures correspondant à un pixel
photosensible de la caméra vidéo en couleur.
Dans une autre réalisation particulière de l'invention, les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles comprennent: - un masque à une ouverture, formant un filtre confocal, et - des moyens de déplacement relatif de l'objet par rapport au faisceau lumineux issu de la source de
lumière à spectre lumineux étendu.
Le dispositif objet de l'invention peut comprend en outre un faisceau de fibres optiques ordonnées, qui est placé entre les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles et les moyens de focalisation. La présente invention sera mieux comprise à
la lecture de la description d'exemples de réalisation
donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement le principe de l'imagerie confocale, la figure 2, déjà décrite, est une vue schématique d'un dispositif connu d'imagerie confocale utilisant un disque de Nipkow, - la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'un objectif de focalisation qui présente un chromatisme axial et qui est utilisé dans le dispositif de la figure 3, - la figure 5 est une vue schématique et partielle d'un autre dispositif conforme à l'invention utilisant une caméra vidéo en couleur, - la figure 6 est une vue schématique et partielle d'un autre dispositif conforme à l'invention utilisant une ouverture jouant le rôle de filtre confocal, deux détecteurs ponctuels et des moyens de balayage de l'objet à étudier, - la figure 7 est une vue schématique d'un masque utilisable dans la présente invention, et - la figure 8 est une vue schématique et partielle d'un autre dispositif conforme à l'invention
utilisant un faisceau de fibres optiques ordonnées.
Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 3, permet une acquisition d'images à la cadence vidéo et comprend, comme le dispositif représenté sur la figure 2: - la source lumineuse à spectre large 7, par exemple une lampe à arc au Xénon, - le disque de Nipkow 8 muni des moyens de rotation 14, - la lentille 9 de focalisation de la lumière émise par la source 7 sur le disque 8, - le cube séparateur 11, et
- la lentille de focalisation 12.
Le dispositif de la figure 3 comprend aussi un objectif de focalisation 15 présentant un chromatisme axial, au lieu de l'objectif de focalisation 10, l'axe de l'objectif 15 portant la référence Z, l'axe de rotation du disque 8 étant
parallèle à cet axe Z dans l'exemple de la figure 3.
La largeur du spectre de la source 7 est adaptée à la dynamique longitudinale souhaitée (plus on souhaite une dynamique importante, plus il faut choisir
un spectre large).
Comme précédemment, le cube séparateur 11 est compris entre la lentille 9 et le disque 8 et ce cube séparateur 11 est traversé par la lumière issue de la source 7 et focalisée par la lentille 9 et réfléchit la lumière en provenance de l'objectif à chromatisme axial 15 en direction de la lentille 12 qui focalise
cette lumière réfléchie.
L'effet du chromatisme axial, ou chromatisme longitudinal, de l'objectif de focalisation
est schématiquement illustré par la figure 4.
La distance focale de cet objectif 15
dépend de la longueur d'onde de la lumière.
Un tel objectif présente autant de plans de focalisation différents qu'il y a de longueurs d'ondes
présentes dans le faisceau lumineux incident.
Ainsi, une source lumineuse placée en un point A a autant d'images données par cet objectif qu'il y a de longueurs d'ondes présentes dans le
faisceau lumineux.
Ces images sont alignées selon un segment lumineux Alb, Alr o Alb et Alr sont respectivement les images bleue et rouge du point A. On a également représenté une image intermédiaire AiX comprise entre Alb et Alr o X est une longueur d'onde comprise entre la longueur d'onde correspondant au bleu et la longueur d'onde
correspondant au rouge.
On voit aussi sur la figure 4 un autre point B dont les images Blb, Bli et Blr correspondent respectivement aux images Alb, AUX et Alr du point A. L'effet du chromatisme longitudinal d'un objectif, en imagerie confocale, est décrit dans les
documents (5) et (7).
On a vu précédemment que, en imagerie confocale, la transmission du filtre confocal est une fonction décroissante de la distance, comptée suivant l'axe Z de l'objectif, des points de l'objet au plan de focalisation de l'objectif conformément à la formule (1). Ainsi, si l'objectif de focalisation présente un chromatisme longitudinal, en un point donné de l'objet, le disque de Nipkow transmet différemment chaque longueur d'onde selon la distance, comptée suivant l'axe Z de l'objectif, séparant ce point du
plan de focalisation correspondant.
La longueur d'onde dont le plan de focalisation correspondant coïncide avec le point de l'objet est transmise avec le maximum d'intensité lumineuse et les autres longueurs d'ondes sont transmises avec des intensités décroissantes au fur et à mesure que la distance qui sépare de l'objet les
plans de focalisation correspondants augmente.
Dans le dispositif schématiquement représenté sur la figure 3, si les spectres de la source lumineuse 7 et de l'objet sont parfaitement blancs, on obtient de l'objet O (qui est placé dans la zone de focalisation de l'objectif 15) une image colorée qui est parfaitement focalisée et dont la composition spectrale en chaque point ne dépend que de la position axiale de ce point par rapport à l'objectif
de focalisation 15.
Ainsi, le dispositif de la figure 3 comprend un "module de codage" comportant un dispositif confocal muni d'un objectif ayant un chromatisme longitudinal, pour effectuer un codage chromatique de la position axiale des points de l'objet O. Réciproquement, une analyse chromatique point par point de l'image colorée permet de déterminer la position axiale des points de l'objet O. Cette analyse chromatique est réalisée dans un T"module de décodage" que comprend également le
dispositif de la figure 3.
Ce module de décodage D comprend un autre cube séparateur 16 (permettant d'obtenir deux images identiques à partir de l'image formée par la lentille 12), une première caméra vidéo de type CCD ou à tube, référencée Cl et associée à un premier filtre chromatique F1, ainsi qu'une deuxième caméra vidéo de type CCD ou à tube, référencée C2 et associée à un
deuxième filtre chromatique F2.
L'image colorée, qui est réfléchie par le cube séparateur 11, est ensuite envoyée par le cube séparateur 16 sur les pixels photosensibles des caméras
CI et C2 par l'intermédiaire des filtres F1 et F2.
On précise que les caméras CI et C2 sont agencées de façon que les pixels photosensibles de ces deux caméras voient les mêmes points de l'objet O, c'est-à-dire que chaque pixel de l'une des caméras soit associé à un pixel de l'autre caméra, deux pixels associés voyant un même point de l'objet O. Le module de décodage D comprend aussi: - deux cartes électroniques d'acquisition et de numérisation des images vidéo respectivement fournies par les caméras Cl et C2 et portant respectivement les références MA1 et MA2, - un module électronique de traitement MT destiné à effectuer la division de l'une des images numérisée par l'autre, pixel par pixel, ainsi que le calcul de la position suivant l'axe Z, des points de l'objet O, et à commander le fonctionnement de l' ensemble du dispositif de la figure 3, et - des moyens 18 de visualisation, un écran vidéo par exemple, destinés à visualiser les résultats des calculs. On précise qu'un dispositif d'analyse de la couleur au moyen de deux photodiodes ayant des sensibilités spectrales différentes est décrit dans le
document (9).
On décrit maintenant la modélisation mathématique du fonctionnement du dispositif de la
figure 3.
Dans ce qui suit: - L(X) désigne la composition spectrale de la source lumineuse 7 - r(x,y,,p) désigne le facteur de réflexion de l'objet O au point de coordonnées (x,y), dans la direction de l'axe Z de l'objectif de focalisation 15, qui est orientée selon les angles 0 et p par rapport à la normale à l'objet en ce point (les coordonnées x et y étant définies dans un plan perpendiculaire à l'axe Z) - R(X) désigne la réflectivité spectrale de l'objet, que l'on suppose uniforme sur tout l'objet - T(z) désigne la transmission axiale du filtre confocal en fonction de z (voir formule (1)) - z désigne la position axiale des points de l'objet (comptée sur l'axe Z) - z(X) désigne la "courbe" de chromatisme de l'objectif de focalisation, c'est-à- dire, la position (repérée sur l'axe Z) du plan de focalisation pour une longueur d'onde X donnée (pour la position du disque de Nipkow pour laquelle l'objectif 15 est calculé de façon à avoir une bonne résolution et le chromatisme voulu) - T1 (X) désigne la transmission spectrale du filtre F1 - T2(X) désigne la transmission spectrale du filtre F2 - Si(X) désigne la sensibilité spectrale de la caméra Cl - S2(X) désigne la sensibilité spectrale de
la caméra C2.
Pour la longueur d'onde X, la transmission
axiale du disque de Nipkow 8 est égale à T(z-z(X)).
La composition spectrale de l'image du point de l'objet, de coordonnées (x,y,z), qui est reçue par la caméra Cl, est donnée par la relation (2):
Dl(x,y,z, X) = L(X).r(x, y, O, 9).R(X).T(z - z(X)). T1(X).
Le signal délivré par la caméra Cl est donné par la relation (3): sl(x,y,z) = I f1l(x, y, z, X). Sl(X). dX On a donc la relation (4): sl(x,y,z) = r(x,y, O, 9).L(X).R(X).T(z - z(X)).Tl(X).Sl(X).dX On précise que toutes ces intégrales et les suivantes sont prises sur le spectre de la source lumineuse. Si l'objectif de focalisation 15 ne présente pas de chromatisme latéral, les coordonnées x et y des points de l'objet visés par chaque caméra sont indépendantes de la longueur d'onde X. r Dans ce cas, le terme r(x,y,O, p) peut être sorti de l'intégrale et la relation (4) peut alors se réécrire selon la relation (5): sl (x,y,z)=r (x,y,e,p).Fl(z) o Fl(z) désigne l'intégrale IfL(X). R(X). T(z - z(X)). Tl(X). Sl(X). dX Cette intégrale ne dépend que de la position axiale z du point de coordonnées (x,y) de l'objet. De même, le signal délivré par la caméra C2 est donné par la relation (6): s2(x,y,z)=r(x,y, O,ç).F2(z) o F2(z) désigne l'intégrale I L(X). R(X). T(z - z(X)). T2(X). S2(X). dl En calculant le rapport sl(x,y,z)/s2(x,y,z)
on élimine le terme r(x,yO,,p).
On obtient alors la quantité s (z) qui ne dépend plus que de z, selon la relation (7): s(z) = Fl(z) / F2(z) Au cours d'une opération d'étalonnage du dispositif, on détermine expérimentalement les variations du rapport p=s(z) en fonction de z et l'on mémorise ces variations dans le module électronique de
traitement MT.
Ainsi, le calcul du paramètre p de l'image d'un point de l'objet, de coordonnées (x,y), permet de déterminer la position axiale z de ce point, selon la relation (8): z = s-1 (p) En pratique, on utilise deux caméras Cl et C2 identiques et les sensibilités S1(X) et S2(X) sont
donc théoriquement identiques.
Si l'on n'utilisait pas les filtres F1 et F2 on aurait: Fl(z) = F2(z) = L(X).R(X).T(z - z(X)).Sl(X). d Le paramètre p serait égal à 1 et ne permettrait pas de mesurer la position axiale des
points de l'objet.
L'utilisation des filtres F1 et F2, dont les sensibilités, ou réponses, spectrales sont différentes l'une de l'autre, permet d'obtenir un rapport Fl(z)/F2(z) évoluant notablement en fonction de
la position axiale des points de l'objet.
On considère maintenant le cas o le chromatisme axial de l'objectif 15 est grand devant la
sélectivité axiale du dispositif confocal.
Considérons par exemple un dispositif confocal ayant les caractéristiques suivantes: - sélectivité axiale Az=20 Vm - largeur spectrale de la source lumineuse AX=O,4-0,8 im - chromatisme de l'objectif = 1 mm dans la bande
0,4-0,8 pm.
Dans ce cas, la largeur à mi-hauteur de la fonction T(z-z(X)) est égale à 20/1000 soit 1/50ème de la largeur spectrale AX de la source lumineuse 7.
Les grandeurs L(X), R(X), T1(X) et S1(X) variant lentement en fonction de X, T(z-z(X)) peut être assimilé à un "pic" de Dirac È(X-1z) o Xz représente la longueur d'onde correspondant au plan de focalisation dont la position axiale est égale à z. Dans ce cas, on peut écrire: Fl(z) = f L(X).R(X). 6(X - Xz). Tl(X).Sl(X).dX Fl(z) = L(Iz).R(Xz). Tl(Xz).Sl(lz) La relation (7) devient alors la relation (9)
s(z) = (Tl(Xz).Sl(Xz)) / (T2(Xz).S2(Xz)).
Dans le cas o le chromatisme axial de l'objectif 15 est grand par rapport à la sélectivité axiale du dispositif confocal, il n'est pas nécessaire de supposer que le réflectivité spectrale de l'objet
est uniforme.
En effet, notons r(x,y, e,,X) la réflectivité spectrale de l'objet au point de coordonnées (x,y), dans la direction de l'axe Z de lTobjectif de focalisation, qui est orientée selon les angles 0 et p par rapport à la normale à l'objet en ce
point.
Dans la mesure o r(x,y,O, p, X)varie lentement en fonction de X, la relation (4) se transforme en la relation (10) suivante: sl(x,y,z) = Jr(x,y, O, p, X).L(X). 5(X - Xz).Tl(X).Si(X).dX Il en résulte la relation (11) suivante: sl(x, y, z) = r(x, y, e, 9, ?z). L(%z). Tl(kz). Sl(Xz) Le rapport sl(x,y,z)/(s2(x,y,z) permet d'éliminer les termes r(x,y,O,p,Xz) et L(Xz) et ce
rapport est exprimé à nouveau par la relation (9).
De même, dans ce cas o le chromatisme axial de l'objectif 15 est grand par rapport à la sélectivité axiale du dispositif confocal, il n'est pas nécessaire que l'objectif de focalisation 15 soit
corrigé du chromatisme latéral.
En effet, si l'objectif présente du chromatisme latéral, cela signifie que les coordonnées x et y des points de l'objet visés par chaque caméra dépendent de la longueur d'onde 2, c'est-à-dire que
x=x(X) et y=y(X).
Dans ce cas, le terme r(x,y,O,p) s'écrit r(x(X),y(X),O,) et la relation (11) devient la relation (12) suivante: sl(x, y,z) = r(x(%z), y(z),O, 0, Xz).L(Xz).Tl(Xz).Sl(Xz) Le terme r(x(Xz),y(Xz),O,p,Xz) est également
éliminé en calculant le rapport sl(x,y,z)/s2(x,y,z).
Il convient que le chromatisme longitudinal de l'objectif de focalisation 15 soit calculé de telle sorte que ce chromatisme longitudinal varie de façon monotone en fonction de la longueur d'onde de la lumière issue de la source, l'idéal étant une variation linéaire qui donne une variation très simple entre les différentes longueurs d'onde et les plans de
focalisation associés.
Cet objectif de focalisation 15 peut-être, selon les conditions de travail, éventuellement corrigé
du chromatisme latéral.
De plus, l'objectif de focalisation 15 est calculé de telle sorte qu'il soit corrigé des aberrations géométriques pour l'ensemble des longueurs
d'ondes utilisées.
En outre, il convient que les deux filtres chromatiques F1 et F2 soient choisis de telle sorte que l'amplitude du signal s(z) de la formule (7) varie de façon monotone avec la position axiale z des points de l'objet O, cette variation étant de préférence linéaire. La figure 5 est une vue schématique et partielle d'un autre mode de réalisation particulier du
dispositif objet de l'invention.
Dans le module de décodage D représenté sur cette figure 5, les deux caméras Cl et C2 et les deux filtres chromatiques F1 et F2 de la figure 3 sont
remplacés par une caméra vidéo en couleur C3.
Cette caméra C3 est disposée de façon que chaque pixel photosensible de celle-ci sont associés à
un point de l'objet O à examiner.
Une telle caméra vidéo en couleur comprend des filtres chromatique et fournit des signaux vidéo
généralement appelé signaux vert, rouge et bleu.
Il suffit alors de sélectionner deux de ces signaux, par exemple les signaux rouge et vert, et d'envoyer ceux-ci respectivement aux modules MAl et MA2 pour les traiter comme précédemment, ce qui permet encore de calculer la position axiale z en calculant le rapport des images numériques correspondant à ces
signaux rouge et vert, pixel par pixel.
Dans un autre dispositif conforme à l'invention qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 6, le disque de Nipkow 8 de la figure 3 est remplacé par un masque fixe 20 à une
ouverture, jouant le rôle de filtre confocal.
Les deux caméras Cl et C2 sont de plus remplacées respectivement par deux photodétecteurs ponctuels P1 et P2 qui sont par exemple des photodiodes
ou des photomultiplicateurs.
Ces photodétecteurs Pl et P2 sont respectivement associés aux filtres F1 et F2 et les signaux fournis par ces photodétecteurs Pl et P2 sont respectivement traités par les modules MAl et MA2 et
par les moyens MT et 18 mentionnés plus haut.
De plus, dans le cas du dispositif de la figure 6, le balayage de l'objet à examiner est réalisé par déplacement de cet objet ou par déflexion du faisceau lumineux atteignant cet objet, ce balayage étant réalisable grâce à un miroir tournant 22 que l'on
peut disposer à la suite du masque 20.
Dans un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, le disque de Nipkow 8 de la figure 3 est remplacé par un masque fixe 24 (figure 7), qui est perpendiculaire à l'axe Z de l'objectif de focalisation 15 et qui
comporte des ouvertures 26.
Ce masque (qui est placé au même endroit que le disque de Nipkow précédemment utilisé) est par exemple une plaque de verre recouverte d'une fine
couche de chrome comportant les ouvertures 26.
Ces ouvertures 26 sont réalisées de telle sorte que chacune d'entre elle corresponde à un pixel photosensible unique de chacune des caméras, selon le
schéma de la figure 7.
Afin que le masque 24 puisse jouer l'effet d'un filtre confocal, il convient que la tache de diffraction de l'objectif 15 soit beaucoup plus petite que la distance séparant deux pixels adjacents et
vaille par exemple un dixième de cette distance.
Ainsi, si la distance séparant deux pixels adjacents de chaque caméra, rapportée à l'objet, est de 20 Lun, la résolution de l'objectif de focalisation
devra être de 2 pm.
Le dispositif de la figure 7 présente l'avantage de remplacer le disque de Nipkow mobile en
rotation par un masque qui est fixe.
Cependant les ouvertures doivent être alignées précisément par rapport aux pixels des deux
caméras Cl et C2.
Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 8, diffère de celui qui est représenté sur la figure 3 par le fait qu'il comprend en outre un faisceau de fibres optiques ordonnées 30, qui peut être éventuellement un endoscope souple, entre l'objectif de focalisation 15 et le disque de Nipkow 8, comme on le
voit sur la figure 8.
En outre, une optique 32, dont l'axe X est parallèle à l'axe du disque de Nipkow 8, est prévue entre ce disque et le faisceau de fibres optiques 30 pour injecter le faisceau lumineux issu des ouvertures
du disque dans ce faisceau de fibres optiques 30.
L'autre extrémité de ce faisceau se trouve sur l'axe Z de l'optique (15 qui n'est plus parallèle à
l'axe du disque dans le cas de la figure 8).
Un faisceau de fibres optiques ordonnées à la propriété de transporter des images optiques de la même façon qu'une lentille, la résolution étant donnée par le diamètre des fibres élémentaires formant ce faisceau. Afin que le faisceau de fibres optiques n'altère pas la propriété d'imagerie confocale du dispositif conforme à l'invention, il est nécessaire que le diamètre des fibres optiques de ce faisceau soit inférieur à la tache de diffraction de l'objectif de
focalisation 15.
Ce diamètre des fibres optiques du faisceau est calculé en fonction de la résolution de cet objectif. On calcule le diamètre du faisceau de fibres optiques 30 en fonction de la dimension de l'image donnée par cet objectif, le diamètre de ce
faisceau étant choisi supérieur au diamètre de l'image.
Les documents cités dans la présente
description sont les suivants:
(1) Active, Optical Range Imaging Sensors, Paul J.
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samples per second, J. Angelo Beraldin - Marc Rioux - François Blais - Luc Cournoyer - Jacques Domey, Optical Engineering / Janvier 1992 / vol. 31 n l (3) Laser-scanning imaging system for real-time
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4,965,441)
(9) LES NOUVEAUX CAPTEURS INDUSTRIELS - Tech Tendances - Innovation 128
Claims (10)
1. Dispositif d'acquisition d'images tridimensionnelles d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend: - une source de lumière (7) à spectre lumineux étendu, - des moyens (8, 14; 20, 22, 24) de formation de sources lumineuses ponctuelles à partir de la lumière issue de cette source à spectre lumineux étendu, - des moyens (15) de focalisation de la lumière de chaque source ponctuelle sur l'objet, ces moyens de focalisation ayant un chromatisme axial, celui-ci variant de façon monotone en fonction de la longueur d'onde de la lumière issue de la source, - des moyens (11) de séparation de faisceau, prévus pour réfléchir la lumière réfléchie par chaque point de l'objet, - des moyens de filtrage comportant au moins deux filtres chromatiques (F1, F2) dont les réponses spectrales respectives sont différentes l'une de l'autre et varient de façon monotone en fonction de la longueur d'onde de la lumière issue de la source, et qui sont prévus pour recevoir la lumière réfléchie par les moyens (11) de séparation de faisceau, - des moyens de photodétection comportant au moins deux photodétecteurs (Cl, C2; P1, P2) respectivement associés aux filtres (F1, F2) et prévus pour recevoir les lumières respectivement filtrées par ceux-ci, ces deux photodétecteurs recevant simultanément des informations lumineuses relatives au même point de l'objet, et - des moyens électroniques (MT) de traitement des signaux fournis par les photodétecteurs, ces moyens électroniques de traitement étant prévus pour former le rapport de l'un de ces signaux à l'autre et pour déterminer la position de chaque point de l'objet parallèlement à l'axe des moyens de focalisation, à l'aide de ce rapport et d'informations qui sont mémorisées dans ces moyens électroniques de traitement et qui résultent d'un étalonnage
préalable du dispositif.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chromatique axial des moyens de focalisation (15) varie de façon linéaire en
fonction de la longueur d'onde de la source.
3. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la réponse
spectrale de chaque filtre chromatique (Fl, F2) varie de façon linéaire en fonction de la longueur d'onde de
la source.
4. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens
de photodétection comprennent deux caméras vidéo (Cl, C2) de type CCD, ou à tube, agencées de façon que les pixels photosensibles de l'une de ces caméras soient respectivement associés aux pixels photosensibles de l'autre caméra et que chaque point de l'objet soit
observé par deux pixels associés.
5. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend
une caméra vidéo en couleur qui constitue à la fois les
moyens de filtrage et les moyens de photodétection.
6. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens
de formation de sources lumineuses ponctuelles comprennent: - un disque de Nipkow (8), et - des moyens (14) de rotation de ce disque autour de
son axe.
7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles comprennent un masque fixe (24) comportant des ouvertures (26), chacune de ces ouvertures correspondant à un pixel photosensible
(28) de chacune des deux caméras (C1, C2).
8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles comprennent un masque fixe (24) comportant des ouvertures (26), chacune de ces ouvertures correspondant à un pixel photosensible
de la caméra vidéo en couleur.
9. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens
de formation de sources lumineuses ponctuelles comprennent: - un masque (20) à une ouverture, formant un filtre confocal, et - des moyens (22) de déplacement relatif de l'objet (0) par rapport au faisceau lumineux issu de la
source de lumière (7) à spectre lumineux étendu.
10. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend
en outre un faisceau (30) de fibres optiques ordonnées, qui est placé entre les moyens de formation de sources lumineuses ponctuelles et les moyens de focalisation (15).
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