FR2853068A1 - Procedure de correction automatique pour appareil de mesure optoelectronique et moyens associes - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les appareils de mesure utilisant des dispositifs de detection optoélectronique (4) de type CCD ou imageur CMOS .Afin d'augmenter la précision de ces dispositifs et de diminuer leur coût il est proposé d'utiliser des dispositifs couleurs, de mesurer lors de la fabrication les sensibilités des pixels de les stocker et de pondérer les mesures à l'aide de ces données. Il est aussi proposé une méthode pour rétablir la connaissance de la longueur d'onde d'un faisceau lumineux incident sur un pixel

Description

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L'invention est du domaine des processus permettant de corriger les mesures faites avec des appareils de mesure ou d'analyse utilisant des dispositifs optoélectroniques.

Certains appareils de mesure tels que spectromètres, colorimètres, spectrophotomètres, ou l'appareil défini dans la demande de brevet français enregistrée sous le numéro 0303376 déposé par le présent inventeur et qui sont munis de dispositifs de détection tels que caméras CCD ou imageurs CMOS nécessitent une calibration pour compenser toutes les imprécisions i0 dues aux différentes parties de l'appareil ou bien nécessitent des composants très stables dans le temps d'un coût élevé.

Ces appareils comprennent généralement une ou plusieurs sources de lumière, des dispositifs optiques telles que lentilles, un dispositif pour décomposer la lumière suivant la longueur d'onde tel qu'un réseau de 15 diffraction et un dispositif optoélectronique apte à déterminer l'intensité d'un rayonnement diffracté en fonction de sa longueur d'onde.

Le ou les dispositifs optoélectroniques sont constitués d'une pluralité de cellules photosensibles, appelées pixels, disposées de manière linéaire ou matricielle.

Un des objectifs de ces appareils de mesure est dans un premier temps de fournir l'image électrique d'un spectre optique soit sous forme de courbe soit sous forme de points discrets. Ces courbes ou ces points seront ensuite analysés soit en les comparant à des spectres ou données de référence soit par des algorithmes pour déterminer certaines caractéristiques 25 de l'objet analysé par l'appareil de mesure.

Le spectre optique, résultant de la décomposition de la lumière par le dispositif de diffraction, est projeté sur le dispositif optoélectronique de manière prédéterminée c'est à dire qu'il y a une correspondance entre la position d'un pixel sur le dispositif optoélectronique et la longueur d'onde du 30 faisceau qui irradie le dit pixel.

Plusieurs problèmes surviennent lors de l'utilisation de camera CCD ou imageurs CMOS,par exemple la sensibilité des pixels qui varie fortement d'un pixel à l'autre pour une même longueur d'onde.

De même, de multiples dérives peuvent survenir lors de la vie de 35 l'appareil. Par exemple, des dérives en température qui ont une influence sur la sensibilité des cellules photosensibles, sur les dimensions des pièces mécaniques,des dérives de positionnement des pièces constitutives de l'appareil du fait du vieillissement des matériaux plastiques,ou des dérives en sensibilité des cellules photosensibles du fait de leur vieillissement.

Toutes ces dérives vont augmenter l'imprécision de la ou des mesures effectuées à l'aide de l'appareil de mesure. En particulier la loi de 5 correspondance qui associe une longueur d'onde prédéterminée à un pixel de position prédéterminée pourra être modifiée de manière indéterminée du fait des dérives.

Des procédures de calibration existent qui permettent de contrôler et de recalibrer les appareils au cours de leur vie.

Ces contrôles et recalibrations sont initiées par l'utilisateur ou recommandées par le fabricant à intervalles réguliers. Ils sont contraignants, parfois négligés et prennent du temps. De plus la précision d'une mesure n'est ni garantie ni connue.

Des capteurs de température doivent, par exemple, être intégrés aux 15 appareils pour permettre de compenser des variations de température, ce qui signifie des coût supplémentaires et des possibilités de dérives supplémentaires ou des possibilités de nouveaux défauts potentiels.

L'objectif de la présente invention est d'apporter une solution à ces contraintes de contrôles et de recalibrations réguliers et de coûts 20 supplémentaires et de permettre d'améliorer la précision et la connaissance de la précision d'une mesure grâce à des procédures de corrections automatiques qui peut être intégrées dans l'appareil de mesure ou dans tout autre dispositif de traitement de données associé temporairement ou de manière définitive au dit appareil.

Description de l'invention

La description de l'invention et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre les buts et les avantages de l'invention. Il est clair que 30 cette description et les dessins qui suivent ont valeur d'exemples et n'ont pas de caractère limitatif.

La figure 1 schématise un dispositif optoélectronique muni de 3 rangées de pixels, une de pixels dits bleu, une de pixel dits vert et une de pixel dits rouge; La figure 2 représente une courbe de réponse spectrale typique d'un dispositif CCD couleur du commerce sur lequel a été ajouté le rapport des sensibilités sur 2 bandes spectrales définies ultérieurement La figure 3 représente une courbe des rapports de sensibilité ou des s signaux électriques émanant des pixels, suivant la troisième partie de l'invention, en fonction de la position xi des pixels La présente invention tire profit de l'utilisation dans certains appareils de mesure comme par exemple celui défini dans la demande de brevet io d'invention no 003 03376 du présent inventeur, de dispositifs optoélectroniques (4) schématisés figure 1, de type CCD couleur ou imageur CMOS couleur au lieu de dispositifs noir et blanc utilisés traditionnellement pour analyser un spectre lumineux C'est à dire que tout ou partie des cellules photosensibles du dispositif caméra ou imageur sont dotées 15 individuellement de filtres sélectifs laissant passer la lumière d'une certaine bande spectrale.

On trouve couramment des camera CCD ou des imageurs CMOS dits " couleur " organisés en groupement de 3 pixels, un laissant passer la lumière rouge (1) ,un laissant passer la lumière verte (2)et un laissant passer 20 la lumière bleu (3) Les 3 pixels d'un même groupement peuvent être repartis de différentes manières par exemple les unes ou dessus des autres et les groupements placés de manière linéaire ou matricielle dans le dispositif optoélectronique. Il est parfois possible de trouver un pixel noir, donc non sélectif, accompagnant les groupements de pixel rouge, vert, bleu dans les 25 cameras du commerce.

La figure 2 représente la réponse spectrale typique des cellules d'une camera CCD couleur du commerce.

La présente invention consiste en une procédure de correction automatique des mesures qui tire profit de la connaissance initiale des 30 sensibilités des différents pixels constitutifs du ou des dispositifs optoélectroniques.

En effet la dispersion en sensibilité des pixels des dispositifs optoélectroniques peut atteindre de 20% d'un pixel à l'autre pour une même longueur d'onde, ceci de manière relativement constante au cours de la vie 35 des dispositifs optoélectroniques.

Il est donc judicieux de mesurer la sensibilité de tout ou parti des pixels en fonction d'une ou plusieurs longueurs d'ondes lors de la fabrication Il est donc judicieux de mesurer la sensibilité de tout ou parti des pixels en fonction d'une ou plusieurs longueurs d'ondes lors de la fabrication de l'appareil de mesure ou lors de la fabrication des dispositifs optoélectroniques, de stocker ces informations dans un dispositif mémoire 5 non volatile qui accompagnera le ou les dispositifs optoélectroniques lors de leur utilisation et de corriger les mesures faites avec le ou les dispositifs optoélectroniques à l'aide des informations stockées.

Du fait de la grande quantité d'informations à stocker on aura intérêt à utiliser des méthodes bien connues d'approximation de courbes, disponibles io par exemple dans le logiciel bureautique de type excel, pour représenter la courbe de réponse en sensibilité d'un pixel sous la forme d'une équation mathématique,par exemple Sc1(X) = a13 +bX2 +cX +d dans laquelle Sx" (X,) est la sensibilité du pixel xi en fonction de la longueur d'onde X, et a, b, c,d sont les 4 constantes qu'il suffira de stocker pour pouvoir reconstituer 15 ultérieurement la courbe y=S,(X) . La procédure de correction automatique des mesures consiste, après chaque mesure effectuée, c'est à dire après chaque réalisation d'une image électrique d'un spectre optique à l'aide du dispositif optoélectronique,à multiplier la valeur électrique V(xi) transmise par chaque pixel xi par la 20 sensibilité Sa(X) de chacun des dits pixels et ceci pour la valeur de X. qui est associée à xi de manière prédéterminée. La valeur obtenue, 1(xi), est l'intensité lumineuse reçue par le pixel xi se trouvant à la position xi sur le dispositif optoélectronique l(xi)= Sj(X) x V(xi), S, 1(X) aura été recalculé ou sa valeur directement tirée du dispositif mémoire.

l(xi) est la valeur que l'on cherche à connaître avec le plus de précision possible et la courbe y=l(xi) constitue un spectrogramme.

Dans le cas ou l'appareil de mesure est muni de dispositifs selon la première partie de l'invention, c'est à dire muni de dispositifs 30 optoélectroniques dits couleur, une autre simplification consiste à ne stocker que les informations concernant les pixels bleu et vert sur la partie du ou des dispositifs optoélectroniques sur lesquels sont attendues des longueurs d'ondes inférieures à 525 nm et que les informations concernant les pixels rouge et vert sur la partie du ou des dispositifs optoélectroniques sur lesquels 35 sont attendues des longueurs d'ondes supérieures à 525 nm.525nm est donné à titre d'exemple et peut varier suivant les fournisseurs de dispositif optoélectronique.

Le spectre de lumière l(xi),pour i variant de 1 jusqu'à une quantité prédéterminée de pixels du dispositif optoélectronique,est alors reconstitué par exemple à partir des signaux des pixels bleus pour la bande spectrale inférieure à 475 nm, à partir des signaux des pixels vert pour la bande 5 spectrale 475nm à 425 nm et à partir des signaux des pixels rouge pour la bande spectrale supérieure à 475 nm La troisième partie de cette invention consiste en une procédure de correction automatique des mesures, qui tire profit de l'utilisation des 10 cameras ou imageurs couleur définis dans la lere partie de l'invention pour améliorer la précision de l'appareil selon l'invention. Cette procédure peut être combinée à la procédure définie à la deuxième partie de l'invention.

On rappelle que le principe général de l'appareil selon l'invention 15 consiste dans le fait qu'un faisceau de lumière de longueur d'onde Si est reçu par le ou les pixels d'un groupement noté xi se trouvant à la position xi sur le dispositif optoélectronique de manière prédéterminée lors de la conception et la fabrication de l'appareil.

La relation liant la position xi d'un groupement de pixels rouge, vert, 20 bleu avec la longueur d'onde Xi d'un faisceau lumineux incident sur ce groupement de pixels peut, par exemple, être du type linéaire Xi=axi dans laquelle a est une constante.

La présente invention consiste à utiliser les caractéristiques des pixels 25 de tout ou partie des groupements de pixels constitutifs du ou des dispositifs optoélectroniques pour connaître avec une meilleure précision la longueur d'onde d'un faisceau incident sur tout ou partie des groupement de pixels constitutifs du dispositif optoélectronique sur la courbe de la figure 2 on remarquera qu'il y a une zone de recouvrement des sensibilités des pixels 30 bleu et des pixels vert située environ entre 450 et 550 nm et une zone de recouvrement entre les sensibilités des pixels vert et des pixels rouge située entre 550 et 650 nm.Ces données en longueurs sont dépendantes des types de dispositif optoélectronique et peuvent varier d'un constructeur à l'autre Elles sont donc fournies à titre d'exemple.

Par la suite nous noterons Sbxi(X) la sensibilité du pixel bleu du groupement de pixels xi pour une longueur d'onde X,Srxi(L) la sensibilité du pixel rouge du groupement de pixels xi pour une longueur d'onde X et Svxi(X) la sensibilité du pixel vert du groupement de pixels xi pour une longueur d'onde k.

Nous utilisons le fait que la réponse spectrale de chacun des pixels 5 d'un groupement est constante dans le temps ou évolue de manière identique en fonction du temps ou de la température et que la dérive en température affecte simultanément les pixels d'un même groupement du fait de leur proximité.

Il résulte de ces propriétés que les rapports Sbxi(l)ISvxi(k) et Srxi(X) /Svxi(X) sont constants quels que soient la température et l'age de l'appareil et dépendent uniquement de la longueur d'onde X du faisceau incident sur le groupement de pixel xi. En particulier ces rapports ne dépendent pas de l'intensité du faisceau incident.

La troisième partie de la présente invention consiste à: - connaître les rapports Sbxi(X)/Svxi(X) (8) et Srxi(X)/Svxi(X) (10) de manière précise en fonction d'une ou une 20 pluralité de longueurs d'ondes pour tout ou partie des groupements de pixels constitutifs du ou des dispositifs optoélectroniques de l'appareil de mesure, par exemple par une procédure de test au cours de la fabrication de l'appareil - stocker ces rapports en fonction d'une ou une pluralité 25 de longueurs d'ondes dans un dispositif mémoire lié à l'appareil pour une utilisation ultérieure, par exemple dans une mémoire flash ou une E2prom bien connues des électroniciens recalculer ces rapports après toutes ou une partie des mesures effectuées avec l'appareil - comparer ces rapports aux rapports préalablement stockés dans l'appareil - effectuer les corrections suivant un algorithme prédéfini s'il y a une ou des dérives constatées - Fournir le résultat de la mesure corrigée, avec indication 35 éventuelle de la ou des dérives constatées Exemple non limitatif de procédure de correction automatique selon la troisième partie de l'invention: soit un dispositif optoélectronique dans lequel la relation liant la 5 position xi d'un groupement de pixels rouge, vert, bleu. avec la longueur d'onde Ri d'un faisceau lumineux incident sur ce groupement de pixels est du type linéaire Xi=axi dans laquelle a est une constante.

Une mesure a permis la connaissance des signaux Vb(xi), Vv(xi), Vr(xi) émanant des pixels respectivement bleu, vert, et rouge situés à la o position xi Les rapports Vb(xi)Nv(xi) (7) et Vr(xi)Nv(xi) (9) sont calculés ainsi que les différences, Vb(xi)Nv(xi) - Sbxi(ç)/Svxi(;) notées Abv(xi) (5) pour les pixels du groupement xi correspondants de manière prédéterminée à la bande spectrale 450 nm à 550 nm et Vr(xi)Nv(xi) Srxi(X)/Svxi(X) notées 5 Arv(xi) (6) pour les pixels du groupement xi correspondants de manière prédéterminée à la bande spectrale 550 nm à 650 nm Une droite d'approximation, réalisée à l'aide de méthodes bien connues telle que la méthode des moindres carrés, est calculée à partir des Abv(xi) et des Arv(xi) pour les positions xi appartenant aux bandes 20 spectrales 450nm à 650 nm. Cette droite a pour équation y=cxi +d La relation Xi=axi est alors modifiée,pour cette mesure, par Xi=exi +f e et f étant des constantes qui dépendent des constantes c et d selon une loi empirique qui est déterminée pour chaque famille de dispositif 25 optoélectronique.

Si l'un ou l'autre des Abv(xi) ou Arv(xi) dépasse un seuil prédéterminé la mesure pourra être rejetée et une nouvelle mesure pourra être requise.

Cette procédure est répétée après chaque mesure

Claims (1)

Revendications

1) procédure de correction automatique de mesures effectuées à l'aide d'appareils de mesure ou d'analyse utilisant des dispositifs de détection optoélectronique couleur associés à des moyens de décomposition spectrale de la lumière caractérisée en ce que: -les sensibilités de tout ou partie des pixels sont mesurées en fonction d'une ou plusieurs longueurs d'ondes au cours de la fabrication soit de l'appareil de mesure soit du ou des dispositifs optoélectroniques du dit appareil de mesure -les dites sensibilités mesurées sont stockées dans un dispositif mémoire non volatil lié au dispositif optoélectronique - le résultat des mesures est pondéré par les sensibilités 15 stockées dans le dit dispositif mémoire et ceci à chaque nouvelle mesure 2) procédure de correction automatique de mesures selon la revendication 1 caractérisée en ce que: - pour tout ou parti des pixels du ou des dispositifs optoélectroniques la courbe de réponse en sensibilité d'un pixel est représentée sous la forme d'une équation mathématique obtenue par au moins une méthode classique, disponible dans les logiciels bureautiques couramment utilisés aujourd'hui -les constantes tirées de la dite équation sont stockées dans un dispositif mémoire non volatil lié au dispositif optoélectronique - le résultat des mesures est pondéré par les sensibilités recalculées à partir des constantes stockées dans le dispositif mémoire et ceci pour chaque nouvelle mesure 3) procédure de correction automatique de mesures selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que sont seulement prises en compte les sensibilités des pixels bleu et vert sur la partie du ou des dispositifs optoélectroniques sur lesquels sont attendues de 35 manière prédéterminée des longueurs d'ondes inférieures à 525 nm et les sensibilités des pixels rouge et vert sur la partie du ou des dispositifs optoélectroniques sur lesquels sont attendues des longueurs d'ondes supérieures à 525 nm, caractérisée en ce que le spectre lumineux,résultat de la mesure,est reconstitué à partir des signaux des pixels bleus pour la bande spectrale inférieure à 475 nm, à partir des signaux des pixels vert pour la bande spectrale 475nm à 425 nm et à partir des signaux des pixels rouge pour la bande spectrale supérieure à 475 nm 4) procédé de correction automatique de mesures selon la revendication 1 caractérisé en ce que: - il existe une relation prédéterminée qui relie la position des groupements de pixels sur le ou les dispositifs optoélectroniques et les longueurs d'ondes des faisceaux de lumière incidents sur lesdits pixels - la détermination des rapports des sensibilités des pixel 15 bleu sur la sensibilité des pixels vert et des pixel rouge sur la sensibilité des pixels vert en fonction d'une ou une pluralité de longueurs d'ondes pour tout ou partie des groupement de pixels constitutifs du ou des dispositifs optoélectroniques de l'appareil de mesure est effectuée au cours de la fabrication de l'appareil de 20 mesure avec un équipement de précision connue, dans les bandes spectrales ou il y a recouvrement des sensibilités des pixels bleu et vert et des pixels rouge et vert - ces dits rapports sont stockés dans un dispositif mémoire lié à l'appareil pour une utilisation ultérieure le recalcul des dits rapports est effectué après toutes ou une partie des mesures effectuées avec l'appareil - une comparaison de ces dits rapports aux rapports préalablement stockés dans un dispositif mémoire lié à l'appareil est effectuée - la ou les mesures sont corrigées suivant un algorithme prédéfini en fonction du résultat de la dite comparaison - le résultat de la ou des mesures corrigées grâce au dit algorithme sont fournies à l'utilisateur avec l'indication éventuelle de la dérive constatée