FR2713759A1 - Dispositif optoélectronique de triangulation spatio temporelle. - Google Patents

Abstract

Le dispositif fonctionnant sur le principe de la triangulation spatio-temporelle comporte: . un sous-ensemble d'illumination de la surface de l'objet à mesurer comportant une source lumineuse unidirectionnehe (1), un système de balayage dans un plan (2) du pinceau lumineux issu de ladite source et dont la position en fonction du temps est caractérisée, . un sous-ensemble d'observation de la région de l'objet éclairée par le pinceau de balayage, comportant essentiellement une optique d'observation (3), un réseau de fentes (4), un détecteur photoélectrique mono-élément (5), un détecteur photoélectrique linéaire multi-éléments (6), . des moyens mécaniques de déplacement relatif de l'objet par rapport au capteur (10), . des moyens électroniques (8) et informatiques (9 et 15) de pilotage de l'ensemble et de traitement des données de mesure.

Description

La présente invention concene un dispositif optolectronque de ingul spato-

temporelle destiné à la misaion en temps réel et sans contact de la surace dfobjets dont le reli et les textures tant colori que p tom e sont quelconques. l est souvent nécessaire de contrôler en cours ou en fin de fabrication les dimenions

de pièces industrielles afin d'en valider la bonne exécution.

Les principales egences d'une mesure dimensionnaee sont en général: qu'elle soit réalisée en temps rédl, qu'elle puisse être effectuée sur des surfaces n'autorisant aucn contact, que rxactitude de la mesure soit compatible avec l e ences de

rfpfecation considérée.

L'analyse de rétat de rart en métrologie 3D tant au niveau des principes physiques qu'à celui de leurs différentes mises en oeuvre te ol Us met en évidence les deux limitations essentiedes rencontrées dans les syèmes basés sur la triangulation géométrique cbLasiqu4 à savoir: la dfficulté de procéder i des mesures photomériques de très grande preasion, les temps et les moyens de calcul importants nécessaires à rextractio des coordonnées (x, y, z) de rensemble des points mesurés (typiquement quelques

milliers à qudelques dizaines de milliers de points par champ de mesure).

Ces deux limitations sont évitées par la présente invention de nson par t li sp atio-temporelle qui consiste à: remplacer les mesures photoméniques par des mesures tnemporelles baucoup plus aisées à réaliser (horloge à 40 MHz), a rendre active la voie d'observation en la faisant participer au codage de

respace de mesre.

L'tilisaion dIune voie d'observation 'active" permet de s'affranchir du probl de hla ve dind minaion de rordre de codage. De phls, remploi dune optue d'observation télécentrique permet de réduire " les calculs: les

coordonn x et y des points mesus étant dénies par consucti.

Seul subsiste alors le calcul par interpolation dans une matrice de cabrn=io des

coordonnées z des points eurés.

La présente invention a pour but de réaliser un dispostpour munéri npidement, sans contact, avec précion et à un moindre coût la surface externe d'obje Ce

dispositif optoélectronique est basé ur le principe physique de la triangulation sptio-

temporelle.

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-2- La prése invention a pour objet un disposit optd ectnue de triangulation spatio-temporelle destiné à la m éiation en temps réel et sans contact de la surface d'objets de textures photométrique et cdorimétrique quelconques caractW en ce qu'il comporte: a une source optique générant un pimceau n udction n d un système de bagse dans un plan (X, z), parf itemet synchronisé tempore _n, permettant de connatre à chaque instant la direction du picea dnilhn/nnon dans le plan balayé, ò une optique afocale télécentrique d'obso du flux rétrodifusé pr fobjet i mesurer, À une mire de n fntes qui associée i roptique d'observation permet de générer n directions d'observation paranllèles àt r z et coplnair au plan de balayage (x, z)i un détec monolment permettant d'acquérir un signal représentatif des instants sucoess de 6 ssement des fentes par le pinceau retrodffusé par la surface de lobjet mesuré et provenant du poin d'mpact courant sur ledit objet du pinceau duminaion, lo de son dé splacemens t rTae X généré par le système de balayage, ò un détecteur linéaire permettant acquérir un sidgnal repréntatif de rétat d'clairement des fentes de la mire duirant le balyage, ò un système optque per tantm: - d'ager la pupile de loptique drobsernati sur dtetur moo mmt dimager hla mire de fentes sur le détectr liire multanet, une dé de traitement permettant, pour chque balyae, de déterminer les fentes éclairées, de mesurer avec précision les instant successif ti de fraissem des fentes et d'assoaer à chaque fimte échirée f1 nstant écwamt t lui co dant, * un logiciel de calcul permettant de détermhinr laltitude Zi des points acqs sur robjet i mesurer (points crrespondant a intersections de la trace sivat x, générée par le balayage du pinca d'lmmm mion rdobjet, et des dctions d'observation définies par la mire de fentes et roptique afocale télci u), à partir: - des instants d'éclaement ti de chaque fente F, (de chaque direction d!) d'observtio) - des données de cabration définint pour chaque úme 4 (dirction dobs tion) ls instants d'a en tco des a des pm am comes., zÀ des moyens mécaniques de idéplacement retf (translation ou rotation) de robjet à mesurer par rapport aU plan commn de balayge et d'obsvtion

(xz).

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-3- Des formes particulières d'exécution de l'object de la présente invemntion sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en régnce au de nexés das lese: la figure I représente ledi sdon À la figure 2 représente de façon plus dtillée un mode de réalisation du dispositif selon linvention, * la figure 3 représente le chronogramme d'acquisition et de traitement des sgnux

issums des détecteurs (5) et (6).

Sur la figure 2 est représentée une source laser (1) associée à une optique (11) de naise en forme et de focalisaion du pinceau lunineux A la sortie de roptique (I 1) est placé un mimroir de balayae e (2) qui est piloté par le module électronique (12) et dont la chronisation avec le reste de réquipemt est assurée par le module optoélectronique (13). Ce miir de baayage permet de gér un déplacement angulaire ae if p itnt caractérisé temporement du faisceau dIllumination dans le plan de mesure, ce balayage angulaire se traduit par un déplacement du point courto dimpact r robjet i

mwurer suivant la direction x.

L'objet à mesurer est situé à lintérieur du champ balayé par le pineau d iaon et est placé sur une table motorisée (10) pilotée par le module tronique (12) et pmettant le déplacement reltif du plan de mesure par rapport i lrobjet suiva une direction ypp a à la direction x de balaye du pinoeaL

L'optique afocale (3) permet, grdce i la mire de fentes (4) placée en son foyer' ia.

de g er des directions d'observation fixes et paraflles entre eles défissat les coordonaées x des points à acquéir sur l'objet à mesurer, qukelles que soient les

corone y et z desdits points.

L'optique de transport (7), associaée à la lame semi-réfléchissante (14), pernme à la fois dimager la pupille de roptique d'observation (3) sur le détecteur photoéebique :mono nent (5), et diager la mire de fentes (4) sur le détecte linMire multi

éléments (6).

Les détecteurs (5) et (6) sont reliés au module électronique de aise en forme et de titement du signal (S) qui tbnst les données ans acquis au logciel de calc

de la cote z des points acquis sur robjet (9).

Ce logiidel utilise pour la détermination des cotes z, ls données de calbhtion (15)

préaablement stockées.

Le dispoitif ilhustré par la figure 2 fonctionne de la mière suivante.

L'éectronique de pilotage (12) associée au module de sy on (13) permet de ornnaîe avec précision à daque insntla position angulaire du pinceau

diuminaton issu de la source laser (1) et de lroptique (I 1).

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-4- Lorsque durant le bayage suivant x le point dimpact cournt du faisceau d9bminato sur la suriface de robjet à mesurer tercepte cnt les directio observation défnies par roptique afocale (3) et la ire de fues (4), le flux red pur robjet traver suen elnemnts fntes 4. Lc dux opque et alors transporté sim a nt par roptique (7) et la lame semin rflissante (14) vers le détecteur (5), qui permet de mesurer les instants ti de fracism des fentes, et vers l détecteur (6), qui permet de détner s fro te4. ayant été

éclairées durant le balayage x.

Le squncmm der aqionet du titnt des sina sus de dectrs(5) et (6), i à la figure 3, est réalisé de lah ie suivante par réct u (18). Durant le balayage x aner", la source laser (1) fonctionne à puissance constante, le détectaur (5) reçoit le rtrodiffusé par robjet tersant nt les fenrtes

de la mire (4).

L'électronique (8) réaise un les opéations suivantes: détemination et stockage dans une mémoire des valeurs des maxia succs du signal analogique issu de (5),

con-version sur 12 bit et stockage du sig nalti.

Le détecteur nu lément (6) intgre le flux reçu, durant toute la durée du balayage

aer enregistrantm r état (éclaire ou éteinte) de chane des fnes.

Durant le balayage x 'retou", la source laser (1) est éteinte, rectonique (S) it le signal issu du détecteasr mutéent (6), fi puist b me ce sina et à hide d'ue logique spécialisée en déduit riétat des fentes (éclairées ou éteintes), puis stoce cette

information dans une mémoire fi.

Dans le mêne temps, rélectronique (8) restitue, i raide dun convrissr nm iq analogique 12 bits associé i un filtrage passe bas, le signal ti stocké durt le

bayage aer.

Le sgnati ainsi restitué est découpé en celhdes, chacune coespomnt u fachisseesnt d'me fente par le flux rètroiffisé par roet Pour chaque cefile, un seuil est défini gce à la préalabe du niveau miml, acquis lors du balayage ar. Ce seuil est placé au voisinage des moes i pentes aes Puis les instants de fnissememnt du seui à la monté l et à la descte q2 sot mesus pélsén Les valeurs il et tj2 mesurées pour chaque celle sont emu stockées sdqentie nent dans une mmoire t. Enfin rélectronique (8) tumnet aum koicid

(9) le contenu des mémoires f et tj.

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-5- Après acquisition de ces données par le logicidel (9), ce dernier deffectue le calcul des coordonnée z des poin spondants pendant que rlctonique (S) acquiert la

isne suivante.

Les différentes séquences du calcul de z sont les suivantes: tout d'abord les instants ti de fanchisement des fentes sont calculés en faisant les moynes des instants til et t2 mes pré dmmx par r&ctroqe (8) ensuite les valeurs ti ani obtenues sont appairées, dans un tableau (4, t;) aux frntes éairées la premie fente écaire Corrponda t au prmer t, et ainsi de suite..., le calcul consiste i transformer le tableau (f, ti), issue de rappairage, en un tableau (t z;). Cette tnsform est réalisée à partir de matrices de calbra*n (15) aquises antin ment et qui pour chaque 4 associent à un nombre fini de z connus, atam de temps de cahibration tcal. L'aloehm de calcul consiste, pour chaque, à rechercher dans la table de cahibration corespondante la preie valeur dtre l au issurdlae soit tcj puis i cacuer zi par interpolation linéaire entre tca et tcay-1 z: - - (t, - t.) +z.< Les zi ainsi sont ensuite stockés dans la matrice 3D (r, y, z) de rédtats ou ir est dni par numo de la fente F et y est défini par la position de la table

motorisée (10) los de racquisition de la igne considéte.

L'ensemble de ces calculs étant réalisé pendant le temps nécessire à racquisition d'une nouvelle ligne, le dispositif acquiert donc en tnemps réel raltitude z de points

situés sur rotet à mesurer selon un maillage rthonorné.

En pposante péioe de balayage suivant x de 30 ms, et unevitesse de déplacmt de la table y (5) dc 33.333 mm/s, il est posse avec le dispositif seon lnention de mesurer raltitude z de 126 x 126 poin rpartis de façon orthonomée sur un objet de volume maximal 125 x 125 x 80mm3 en moins de 5 socondes et avec

une précision meilleure que 0.01 mm sur chaque point.

Grice à ces p bn le dispositif selon nven est destin particulier à la snu so de surface etérieure d'objets, et au contrle en cours de rication sur une ligne de p ion, de la confonnmité des pièces rasées

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-6 - Selon un autre mode de réalisation, le détecteur mujltidélément (6) est lu à haute

cadence, chaque fois qu'un maximum est détecté sur le signal t issu du dttecteur (5).

Selon un autre mode de réalisation, les valeurs des maxima détectés sur le signal t issu du détecteur (5) durant le n"ime balayage x servent ià moduler la puissance nmise par la source (1) lors du (n+l)ème balayage x de manire ià obnir une ripation énergétique quasi-uiforme des maximuns et ainsi saffnchir des

variations d'albédo de rlobjet.

Selon un autre mode de réalisation, le pas d'échantilonage sur robjet à oesurer n'est

pas consuant de manière à être adapté i la géométie dudit objet.

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Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Dispositif optoélectronique de triangulation spatio-temporelle destiné à la uisation en temps réel et sans contact de la surface d'objets de textures photométrique et colorimétrique quelconques, caacti en ce quil comporte: une source optique (1) générant un pinceau 'dumination d oel un systeme de balayage (2) dans un plan (x, z), parfaitn temporellement, permettant de connaître i chaque instant la direction du pineau d'i nation dans le plan balayé, À une optique afocale télécentrique (3) d'observation du flux rétrodiffsé par robjet à mesurer, a une mire de n fentes (4) qui associée à roptique d'observafion (3) permet de géniérr n directions d'observation parallèles ià raxe z et coplaires au plan de balayage (x, z), À un détecteur monoélément (5) permettant d'acquérir un signal représentatif des instants successifs de franchissement des fites par le pinceau retrodiffusé par la surfce de robjet mesuré et provenant du point dinpact courant sur ledit objet du pinceau dlluminaon, lors de son déplacement suivant raxe X généré par le systeme de balayage (2), À un détecteur linéaire multiélément (6) permettant d'acqurir un signal représentatif de rétat d'éclairement des fentes de la mire (4) durant le balayage, un système optique (7) permta: d'imager la pupille de roptique d'observation (3) sur le détecteur mooléent (5) a d'imager la mire de fentes (4) sur le détecteur linéaire multiélnent (6), une électonique de traitement (8) permettant pour chaque balayage, de déterminer les fentes éclairées, de mesurer avec précision les instants successifs ti d e men des fentes et d'associer à chaque fente éclairée f linstant d'éclairement ti lui correspondant, - un logiciel de calcul (9) permettant de déterminer raltitude; des points s sur robjet i menaur (points correspondant aux intsections de la trace suivant x, générée par le balayage du pinceau d'iuminatio sur lrobjet, et des ctions d'observaion définies par la mire de fentes), à partir: * des instants d'réclairement ti de chaque fete 4 (de chaque direction d'observation) des données de calibration (15) définissant pour chaque fente f (direction d'observation) les instants d'éclairement tcafi corcxmdant à des altitudes parfitement connues, ZcWj À des moyes mécaniques (10) de déplacem t relatif (translation ou roation) de robjet i mesurer par rapport au plan commun de balayage et d'obsevation (x, z)

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2. Dispositif selon la revendication l, caractlsé en ce que le système de balayage (2) est constitué d'un miroir galvanométrique gérant un mouvement alternatif du pinceau dSillnination

3. Dispositif selon les revendications I et 2, caractérisé en ce que:

ò durant le balayage x aller, les valeurs des maxiunm successifs du signal analogique ti issu du détecteur (5) sont mesurées et stockées alors que le signal ti complet est numéisé et stocké, À durant le balayage x retour, le signal complet ti, issu du détecteur (5), stocké durant le balayage aller, est restitue et dtécoupé en cdlule& Pour chaque cellule, un seuil est défini à partir de la valeur du maximum co<respondant mesuré à raler. Les instants de franchissement de ce seuil par le signal restitué savent à calculer rinstant de famhisslet ti de la fente coaesponda i la

cellule considérée.

4. Dispositif selon les revendications I et 2 caractérisé en ce que le détecteur

multiélément (6) est lu à haute cadence, chaque fois qu'un maximum est détecté

sur le signal ti issu du détecteur (5).

5. Dispositif selon les revendications I et 2 caractérisé en ce que les valeurs des

maxima détectés sur le signal ti issu du détecteur (5) durant le neime balayage x servent à moduler la puissance émise par la source (1) lors du (n+l)ème balayage x de manire i obtenir une répartition énergétique quasi-umfome des maximums,

et amsi à s'affranchir des variations d'albédo de robjet.

6. Dispositif selon les revendications précédentes caractisé M cen que le pas

d'échantilonnage sur robjet à mesurer n'est pas constant de manière à être adapté

à la géométrie dudit objet.

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