FR2932562A1

FR2932562A1 - Dispositif de projection de lumiere structuree au moyen de vcsel et de composants optiques diffractifs de phase.

Info

Publication number: FR2932562A1
Application number: FR0803291A
Authority: FR
Inventors: Sylvain Becker; Hafidi Idriss El; Joel Fontaine; Ana Helman; Bernard Kress; Bruno Serio; Patrice Twardowski
Original assignee: Universite Louis Pasteur Strasbourg I
Current assignee: Universite Louis Pasteur Strasbourg I
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-18
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: WO2009153446A2; WO2009153446A4; WO2009153446A3; FR2932562B1

Abstract

Ce dispositif de projection de lumière structurée sous la forme de franges ou d'autres motifs au moyen de sources laser comprend une tête optique (1) comprenant trois éléments successifs montés sur un support, à savoir une source laser (10) comprenant des VCSEL (9), un élément optique diffractif de collimation (11) et un élément optique diffractif de structuration de la lumière (12). La source laser comprend au moins une matrice de VCSEL, réalisée en combinant M barrettes (14) de N VCSEL afin d'obtenir (M x N) VCSEL. Les éléments optiques diffractifs sont des éléments optiques diffractifs de phase qui transforment la lumière émise par la source laser en un motif de lumière structurée (2). Ils sont constitués de matrices de (M x N) sous-éléments optiques diffractifs montés devant un chaque VCSEL et sont solidarisés à la source laser pour former une tête optique intégrée.

Description

La présente invention concerne un dispositif de projection de lumière structurée au moyen de sources lasers, telles que les diodes lasers à cavité verticale émettant par la surface (désignées par l'acronyme anglais VCSEL : vertical-cavity surfaceemitting lasers) et d'éléments diffractifs. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une tête optique de projection de lumière structurée sous la forme de franges ou d'autres motifs et pouvant être utilisée pour réaliser une numérisation ou une mensuration tridimensionnelle de sujets en volume, tels que par exemple un objet ou un corps humain. Par projection de lumière structurée, on entend la création d'une figure de diffraction en champ lointain, cette figure étant sous la forme d'un motif. De nos jours, la mesure et le contrôle tridimensionnels de volume se font habituellement par projection de lumière structurée sous la forme de franges sur le sujet analysé puis les franges déformées par le sujet sont enregistrées au moyen d'une caméra optique et analysées par des techniques de traitement d'image afin de remonter à une structure en trois dimensions du sujet à modéliser.

Dans l'art antérieur, la projection de franges se fait habituellement au moyen de systèmes optiques comportant des sources lasers classiques en balayage ou un projecteur avec une source blanche. Actuellement, _Les techniques de mesure de volume tridimensionnel par structuration spatiale de lumière peuvent se classer en trois familles : la projection de franges par une lumière spatialement cohérente dont le faisceau de sortie est divisé en deux faisceaux lumineux que l'on fait interférer sur le volume étudié de façon à produire des franges d'interférence déformées (WO2005049840) ;

. la projection de franges par un dispositif optique comme par exemple un vidéoprojecteur ; les franges étant préalablement définies et crées à l'aide du vidéoprojecteur, la source étant une lumière blanche incohérente spatialement et polychromatique (US2002126295) ; et la projection d'une ligne ou frange unitaire par une lumière cohérente spatialement que l'on déplace de façon régulière sur le volume tridimensionnel à mesurer. Ces franges ou motifs déformés sont repris par une ou plusieurs caméras optiques de type CCD (à couplage de charges) ou CMOS et le traitement des images permet d'extraire les dimensions du volume tridimensionnel étudié. Il existe des techniques dérivées de celles-ci comme la projection avec plusieurs couleurs, la projection de grilles ou encore la projection avec changement de polarisation (DE19743811, US5003187, DE3938714, EP1531318). Parmi les techniques de reconstruction du profil tridimensionnel les plus répandues, on peut citer la projection de franges Moiré et le décalage de phase.

Ces techniques souffrent cependant de nombreux désavantages. Pour les systèmes à laser classique, le temps d'acquisition est très long, généralement supérieur à dix secondes, le balayage nécessite un déplacement mécanique, la calibration est longue et délicate, une mise au point des éléments optiques est nécessaire et les énergies lumineuses employées sont à la limite des normes de sécurité. En effet, le problème inhérent aux sources lasers classiques est celui des normes de sécurité. La norme internationale IEC 60825-1 ainsi que la norme européenne correspondante EN 60825-1 précisent l'exposition maximale permise (EMP) en

fonction de la longueur d'onde et de la nature de la source (pulsée ou continue). Au dessous de ce seuil, il est considéré que la radiation laser ne présente pas de danger pour l'oeil et ne produit pas d'effets nuisibles à court ou à long terme. Les systèmes à source blanche permettent de respecter aisément les normes de sécurité, mais ils présentent de nombreux inconvénients tels qu'un temps d'acquisition trop long, généralement de l'ordre de quelques secondes, un contraste de franges trop faible et un angle de projection limité. En outre, ces systèmes utilisent des lentilles et nécessitent donc une mise au point optique. L'énergie mise en oeuvre est de plus très importante, provoquant des problèmes de dissipation thermique et de bruit. Le but de l'invention est de fournir un nouveau dispositif de projection de lumière structurée qui permette notamment une grande vitesse d'acquisition, une absence de mise au point et un fort contraste des motifs projetés tout en respectant les normes de sécurité. Pour résoudre ces problèmes techniques, le dispositif selon l'invention propose d'utiliser des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, également appelées VCSEL et des éléments optiques diffractifs de phase. Les VCSEL sont des sources laser à faible coût et qui peuvent être produites de façon matricielle. Associer des VCSEL avec des éléments optiques diffractifs de phase à relief de surface permettant une grande flexibilité dans les distributions d'intensité projetées et pouvant être répliqués à faible coût sur des substrats plastiques permet d'obtenir une tête optique de projection de lumière structurée peu coûteuse et présentant de nombreux avantages. Parmi ces avantages, on peut notamment citer les atouts suivants :

. La tête optique selon l'invention est un dispositif intégré qui ne comporte pas de pièces fragiles au réglage délicat et qui offre une grande robustesse d'utilisation. . Aucune mise au point optique n'est nécessaire avant utilisation car tous les éléments optiques sont intégrés et alignés de manière fixe au moment de la fabrication du dispositif de projection. Le dispositif de projection de lumière structurée selon l'invention ne nécessite pas de cabine dédiée. Il est facilement transportable. Le dispositif selon l'invention présente une faible consommation électrique car les VCSEL présentent un faible courant de seuil.

Le dispositif selon l'invention présente une dissipation thermique efficace car les VCSEL sont montés sur un support (silicium ou autre) qui est un bon conducteur thermique. Le dispositif de projection constitue une source lumineuse avec une fréquence de modulation élevée. En utilisation, il permet donc une grande vitesse d'acquisition. Parce qu'il comprend plusieurs VCSEL, le dispositif de projection selon l'invention permet une minimisation du bruit. en faisant la moyenne des mesures provenant de différentes sources de la matrice. Par le choix des sources VCSEL et de filtres sur les caméras, le contraste des motifs optiques est fortement amélioré et il est possible de faire des mesures sur des sujets de couleur quelconque. . La projection des motifs est réalisée avec un grand angle, car au lieu de déformer l'image d'un objet périodique, on structure dans la zone utile de mesure une distribution d'intensité de sources lasers de façon périodique grâce à des éléments optiques diffractifs.

. Les VCSEL émettant un faisceau lumineux gaussien, circulaire et moyennement divergent (typiquement 8°), avec une distribution d'intensité circulaire sans la nécessité d'utiliser des optiques de correction comme par exemple de transformation d'un faisceau de forme elliptique en faisceau de forme circulaire, ce qui permet la formation de motifs de diffraction de bonne qualité. . Du point de vue de la sécurité, le dispositif de l'invention est parfaitement satisfaisant. En effet, le système de l'invention permet la dispersion d'énergie d'une source d'environ 1 mW sur une surface de l'ordre du m2, respectant ainsi aisément les normes de sécurité.

Par dispositif de projection intégré on entend un dispositif de projection dont tous les éléments constituants, à savoir les sources VCSEL et les éléments optiques, sont assemblés de manière à former un tout unitaire monobloc.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, description faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : . la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un dispositif de numérisation d'un sujet en trois dimensions ; . la figure 2 est une vue de détail schématique en coupe verticale d'une barrette de douze VCSEL selon l'invention ; . la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un exemple de l'implantation avec les connexions électriques d'une barrette de douze VCSEL selon l'invention ; . la figure 4 est une vue schématique de dessus d'une matrice de (3 x 12) VCSEL selon l'invention ; et . la figure 5 est une vue schématique éclatée des éléments matriciels constitutifs de l'invention.

Le dispositif selon la présente invention va maintenant être décrit de façon détaillée en référence aux figures 1 à 5. Les éléments équivalents représentés sur les différentes figures porteront les mêmes références numériques. On définira dans la suite de cette description les notions de haut et de bas, d'inférieur et de supérieur, etc. en fonction de l'orientation adoptée par le dispositif représenté sur les différentes figures. Il est évident que cette orientation ne sera pas forcément conservée en utilisation. L'invention se rapporte à une tête optique 1 projetant des motifs de lumière structurée 2. Son utilisation préférée se situe dans le domaine de la numérisation d'un sujet 3 en trois dimensions, bien qu'elle puisse être utilisée dans d'autres domaines. La figure 1 représente de façon schématique un dispositif de numérisation 4 d'un sujet 3 en trois dimensions avec ses éléments constitutifs. Une unité d'alimentation et de commande électrique 5, par exemple sous la forme d'une carte électronique de commande et de synchronisation, définit les séquences des motifs 2 projetées par la tête optique 1 et synchronise la projection avec l'acquisition d'une ou plusieurs caméras 6. L'acquisition des images numériques est réalisée par une ou plusieurs caméras numériques 6. Pour une analyse du volume complet, on utilise préférentiellement quatre caméras 6 ou plus et deux têtes optiques 1 ou plus, alors que deux caméras 6 et une tête optiques 1 sont suffisantes pour analyser un demi-volume. Les images déformées par le sujet 3 sont ensuite collectées par un système d'acquisition 7, par exemple par une carte d'acquisition déterminée en fonction du choix des caméras 6. Les données numériques sont ensuite traitées au sein d'une unité

de traitement d'image 8 (par exemple un ordinateur) en utilisant un algorithme d'analyse adéquat qui permet d'obtenir la forme tridimensionnelle du sujet 3 et de visualiser le sujet 3 en trois dimensions.

L'invention se rapporte à une tête optique 1 améliorée, à savoir un nouveau dispositif de projection de lumière structurée 2 comportant des diodes lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) 9. Comme on le voit sur la figure 2, la tête optique 1 selon l'invention comprend successivement trois éléments montés sur un support : une source laser 10, un élément optique diffractif de collimation 11 et un élément optique diffractif de structuration de la lumière 12.

Le premier élément est la source laser 10 proprement dite. Cette source laser 10 comprend des VCSEL 9, se présentant préférentiellement sous la forme d'au moins une matrice 13 de VCSEL 9. Les VCSEL 9 sont généralement disponibles sous la forme de barrettes 14 comportant plusieurs (N) VCSEL 9 qui peuvent être adressés indépendamment. Une matrice 13 est réalisée en combinant M barrettes 14 afin d'obtenir (M x N) VCSEL VMN disposés sur un plan comme représenté sur les figures 4 et 5. Il est aussi possible de fabriquer les VCSEL 9 directement sous forme de matrice 13 de façon monolithique sur le même substrat. Sur la figure 4, nous avons représenté le cas préféré où la matrice 13 de VCSEL 9 comprend trois barrettes 14 de douze VCSEL 9. Les VCSEL VMN de la matrice 13 peuvent être monochromatiques ou de longueurs d'onde variable, selon l'application envisagée. Un exemple d'implantation d'une barrette 14 de VCSEL 9 est représenté en coupe sur la figure 2 et en plan sur la figure 3. Sur ces figures, la barrette 14 de VCSEL 9 est collée sur une couche de matière

conductrice thermique et électrique 15, par exemple de l'indium. Elle est ensuite positionnée sur un support 16 dont la matière est un bon conducteur thermique, par exemple du silicium ou une céramique avec un coefficient thermique adapté au substrat des VCSEL. L'alimentation électrique de chaque VCSEL de la barrette 14 est réalisée par des connexions électriques 17 réalisées en une matière conductrice électrique, par exemple en or, et raccordées à une alimentation électrique adaptée (non représentée). Cette matière conductrice peut par exemple être déposée en couche mince par les différentes techniques connues en microélectronique. Comme représenté sur la figure 3, les connexions électriques 17 sont prévues de sorte que chaque VCSEL 9 de la barrette 14 puisse être raccordé à l'unité d'alimentation et de commande électrique 5 globale, ou à une deuxième unité d'alimentation et de commande électrique spécifique 18 distincte, qui est avantageusement prévue afin de permettre de commander et de moduler individuellement chaque VCSEL 9. Les second et troisième éléments 11, 12 sont des éléments optiques diffractifs de phase qui ont la fonction de transformer la lumière émise par la source en un motif de lumière structurée 2 qui va éclairer le sujet 3 à analyser. Habituellement, ce motif lumineux projeté 2 est formé de franges périodiques 19, c'est-à-dire de bandes parallèles. Il peut également se présenter sous la forme de figures géométriques ou de symboles divers. De nos jours, il est parfaitement possible de projeter une lumière structurée 2 présentant des motifs extrêmement fins et/ou complexes. Le premier élément diffractif 11 est un élément optique de phase qui distribue l'intensité laser de manière uniforme ou de manière non-uniforme à symétrie de révolution et plus élevée sur les bords du

faisceau lumineux de chaque VCSEL afin d'obtenir en champ lointain sur la zone utile éclairée du sujet 3 une distribution en intensité des motifs 2 la plus uniforme possible. Nous désignerons ce premier élément diffractif par le terme d'élément diffractif de collimation 11. On place cet élément diffractif de collimation 11 devant chaque VCSEL 9 de la source laser 10. Dans le cas où on utilise une barrette 14 comptant N VCSEL 9, l'élément diffractif de collimation 11 est composé de N sous-éléments diffractifs de collimation 21 réalisant la distribution d'intensité comme indiqué dans le paragraphe ci-dessus.

Dans le cas préféré où la source laser 10 est constituée de matrices 13 réalisées en combinant M barrettes 14, c'est-à-dire (M x N) VCSEL 9, l'élément diffractif de collimation 11 est lui-même préférentiellement constitué d'au moins une matrice 20 de (M x N) sous-éléments optiques diffractifs de collimation 21, CMN disposés sur un plan comme cela est représenté sur la figure 5. On rappelle que le faisceau sortant d'une source laser telle qu'un VCSEL 9 est divergent et présente une distribution d'intensité Gaussienne. Sans collimation préalable, le motif projeté 2 par le deuxième élément diffractif 12 ne serait pas uniforme sur toute la surface du sujet 3 et compliquerait l'analyse numérique des données. Dans le cas de la projection de franges sinusoïdales, dans la direction perpendiculaire au profil sinusoïdal d'intensité, l'intensité reste constante. Pour les motifs binaires du code Gray on définit des zones claires et des zones sombres . Typiquement, une zone claire est constituée par une sous grille plus ou moins dense de motifs lumineux alors qu'une zone sombre n'en contient que très peu, idéalement aucune. Par des

moyens d'analyse et de traitement des images, on détermine par la suite pour chaque pixel de l'image enregistrée s'il appartient à une zone claire ou sombre.

Le premier élément diffractif 11 sert donc de lentille de collimation pour chaque VCSEL 9 et ses caractéristiques en termes de longueur d'onde, d'ouverture numérique, focale etc. sont adaptées à la source laser 10 utilisée.

L'élément diffractif de collimation 11 peut par exemple être réalisé par lithographie optique et intégré de façon monolithique sur le VCSEL 9 ou fabriqué séparément puis monté en correspondance des VCSEL 9 de la source laser 10 comme représenté sur la figure 2. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément diffractif de collimation 11 est de type lentille de Fresnel. Il est d'abord fabriqué par micro-lithographie sur un substrat en quartz qui peut ensuite servir de maître pour la réplication sur un substrat en plastique à bas coût positionné sur la surface émettrice du VCSEL 9. Sur la figure 2, correspondant à un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément diffractif de collimation 11 est monté sur des plots 22 à distance des VCSEL 9, cette distance correspondant sensiblement à la distance focale. Ces plots 22 sont préférentiellement réalisés en résine (par exemple en résine SU8 de chez MicroChem) qui est déposée par centrifugation (spinning), ce qui permet d'ajuster la hauteur du dépôt. On dépose ainsi une couche d'environ 500 pm de résine sur la matrice 13 de VCSEL 9. Cette couche est éliminée par endroit par lithographie afin de libérer localement les VCSEL 9 et les contacts électriques 17. Les zones de résine restantes forment alors des plots 22 qui servent avantageusement à monter l'élément diffractif de

collimation il à une distance précise des VCSEL 9. L'élément diffractif de collimation 11 est préférentiellement collé sur les plots en résine 22, par exemple au moyen d'une colle adaptée, ou en utilisant une technique de collage par pression à une température supérieure à la température de la transition vitreuse de la résine. Le second élément diffractif 12, placé après l'élément diffractif de collimation 11, réalise la projection en champ lointain sur la zone utile éclairée du sujet 3 des motifs de lumière structurée 2, comme par exemple des franges périodiques 19 de type décalées ou de type code Gray. Nous désignerons ce second élément diffractif 12 par le terme d'élément diffractif de structuration de la lumière 12. Dans le cas préféré où la source optique 1 est constituée de matrices 13 réalisées en combinant (M x N) VCSEL 9, l'élément diffractif de structuration 12 est lui-même préférentiellement constitué d'au moins une matrice 23 de (M x N) sous-éléments optiques diffractifs de structuration de la lumière 14, SMN disposés sur un plan comme cela est représenté sur la figure 5. Ainsi, un sous-élément optique diffractif de structuration de la lumière 24, SMN est préférentiellement monté devant chaque VCSEL 9, VMN de la source laser 10 après l'élément optique diffractif de collimation 11. En effet, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la matrice 23 de sous-éléments optiques diffractifs de structuration de la lumière 24 est conçue de façon à inclure les séquences nécessaires pour la projection des motifs de décalage de phase (S11, S12, S13, etc.). La même séquence peut être répliquée plusieurs fois dans la matrice 23 de sous-éléments optiques diffractifs de structuration de la lumière 24, SMN afin de réduire l'effet du speckle

(ou tavelures), comme expliqué ci-après. A titre d'exemple, on peut considérer une séquence constituée de trois motifs de décalage de phase 2 générés par les sous-éléments diffractifs S,1, S12 et S13. En posant S31=S11, S32=S12, S33-S,3 on obtient la même séquence avec une distribution de speckle différente. Le bruit dù au speckle est réduit en faisant la moyenne de plusieurs images du même motif 2 provenant de VCSEL 9 distincts. La moyenne est effectuée soit au niveau de la projection, par exemple en allumant simultanément les VCSEL V11 avec V31, V,2 avec V32 etc., soit au niveau de l'acquisition d'image en intégrant plusieurs images correspondant au même motif.

L'aspect important de cette configuration utilisant des matrices 13 de VCSEL 9 est l'amélioration du rapport du signal sur bruit par projection du même motif 2 par des VCSEL 9 différentes. Dans ce cas les effets de diffusion de la source cohérente sont réduits en projetant plusieurs fois le même motif 2 et en collectant les motifs correspondants déformés par le sujet 3. L'amélioration de ce rapport signal/bruit suit le comportement en n"/2 où n est le nombre de mesures réalisées par un enregistrement sur caméra 6 (durant le temps d'intégration pour une image). Dans le cas de l'utilisation de VCSEL 9 de forte puissance (> 100 mW) avec une grande densité (espacement entre les VCSEL < 100 pm), il est préférable de ne pas utiliser simultanément deux VCSEL 9 adjacents pour éviter les éventuels effets de type crosstalk thermique. Il suffit alors d'en tenir compte dans le dessin de la matrice 23 de sous-éléments optiques diffractifs de structuration de la lumière 24 et d'espacer suffisamment les sous-éléments de structuration de la lumière 24 qui vont fonctionner simultanément. La configuration matricielle de

l'élément diffractif de structuration 12 offre en effet une grande flexibilité dans le dessin et on peut envisager un grand nombre de configurations possibles. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, tout comme l'élément diffractif de collimation 11, l'élément diffractif de structuration 12 servant à la projection des motifs 2 est d'abord fabriqué par micro-lithographie sur un substrat en quartz qui peut ensuite servir de maître pour la réplication sur un substrat en plastique à bas coût. L'élément diffractif de structuration 12 peut alors être collé sur la surface externe de l'élément diffractif de collimation 11 par exemple au moyen d'une colle optique.

On peut également envisager un mode de réalisation particulièrement avantageux par lequel l'élément diffractif de collimation 11 et celui de structuration 12 seraient fabriqués d'une seule pièce monobloc, idéalement obtenue à bas coût par moulage en matière plastique transparente. Dans ce cas, on obtient un seul élément diffractif intégrant à la fois la fonction de collimation et celle de structuration. Dans le cas où la tête optique 1 est prévue pour être utilisée dans le cadre d'une analyse basée sur la technique de décalage de phase, il convient de projeter plusieurs motifs 2 décalés d'une certaine valeur de la phase comprise entre 0 et 2n. Ceci est réalisé en projetant, par exemple, des franges périodiques 19 sinusoïdales avec un décalage de 0, n/2, t et 3n/2. L'avantage de l'utilisation de VCSEL 9 disposés de façon matricielle et adressables individuellement est, dans ce cas, évident. Pour chaque VCSEL 9 de la matrice 13, un motif différent 2 peut être projeté avec une fréquence limitée par la vitesse de modulation des sources (de l'ordre de 10 Gbps pour les VCSEL) et celle du système d'acquisition 7. On obtient ainsi un système de

projection des séquences de lumière structurée fonctionnant à haute vitesse. Il est évident que la même configuration permet de projeter des motifs plus complexes tels que des franges avec une rupture de périodicité (codes Gray) ou autres sans sortir ni de la portée ni du cadre de l'invention. Selon le système de traitement d'image prévu, l'utilisation de motifs complexes pourrait améliorer la résolution des mesures.

Ainsi, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, un ou plusieurs éléments optiques diffractifs spécifiques 11, 12 sont associés à chaque VCSEL 9 de la matrice 13 pour réaliser les fonctions précitées selon les caractéristiques des sources (profil d'intensité, ouverture numérique, longueur d'onde, etc.), la distribution d'intensité souhaitée sur le sujet 3 et l'application envisagée. En solidarisant préférentiellement les éléments optiques diffractifs 11, 12 à la matrice 13 de VCSEL 9, on obtient avantageusement des têtes optiques 1 de projection de lumière structurée 2 intégrées, peu coûteuses, faciles à produire et ne nécessitant aucun réglage préalable avant utilisation, les différents réglages optiques ayant été effectués lors de la fabrication de l'ensemble. Les têtes optiques 1 selon le mode de réalisation préféré de l'invention sont donc totalement nouvelles et offrent des avantages incomparables par rapport à l'art antérieur.

L'utilisation des éléments diffractifs 11, 12 produisant une image 2 en champ lointain, projetée sur le sujet 3 à analyser, est avantageuse car le positionnement du sujet 3 par rapport à la tête optique 1 n'est pas critique. Il n'y a donc pas besoin d'effectuer de réglages ou une mise au point avant de commencer la mesure. Une séquence d'images sans sujet servant de référence pour les caméras 6 peut cependant

être nécessaire pour calibrer le système. Dans le cas d'une utilisation de l'invention pour la numérisation d'un sujet 3 en trois dimensions, tel que représenté sur la figure 1, au moins une, préférablement deux ou plusieurs caméras numériques 6 sont positionnées de façon à collecter les images des motifs déformés par le sujet 3. L'utilisation des caméras 6 qui enregistrent les motifs de façon synchronisée avec les sources 10 permet de reconstruire numériquement le profil en trois dimensions du sujet 3. On peut dans ce cas prévoir un système de synchronisation de l'acquisition des images par les caméras 6 et de la modulation des VCSEL 9 de la matrice 13 par l'unité d'alimentation et de commande électrique 5, 18 des VCSEL 9. Selon l'application souhaitée, les paramètres tels que la vitesse et le temps d'acquisition, la projection de plusieurs motifs simultanément, ou du même motif plusieurs fois, l'ajustement de l'intensité et des longueurs d'onde (pour des sources polychromatiques) sont ajustables afin d'améliorer la résolution, le contraste et le rapport signal sur bruit. L'extraction du profil tridimensionnel à partir de la déformation de motifs de lumière structurée 2 se fait au sein d'une unité de traitement d'image 8 en utilisant un algorithme de déroulement de la phase (unwrapping). Des algorithmes optimisés peuvent être utilisés pour réduire considérablement le temps de mesure et permettre une acquisition en temps réel. Il est évidemment possible d'implémenter différents algorithmes de déroulement de la phase. Avec un tel système, le temps d'acquisition est typiquement inférieur à 500 ms pour le volume complet correspondant à la taille d'un humain, ce qui permet une visualisation quasiment en temps réel du sujet. En outre, en raison du fort contraste obtenu

grâce à l'invention, il est possible de faire des mesures sur des sujets de couleur quelconque. Un tel système comprenant une tête optique 1 selon l'invention permet donc des mesures précises et rapides. Ainsi, grâce à une projection de motifs 2 selon une période adaptée et une ou plusieurs caméras d'acquisition 6 présentant une résolution suffisante, il est possible d'obtenir une précision de la mesure tridimensionnelle de l'ordre du millimètre avec des séquences de mesure de l'ordre de la seconde, ce qui est environ dix à cent fois plus rapide que les systèmes actuels. Bien que conçue avantageusement pour projeter une lumière structurée utilisée pour réaliser une numérisation ou une mensuration tridimensionnelle de sujets 3 en volume, la tête optique 1 selon l'invention peut néanmoins servir à de nombreuses autres applications. En effet, une matrice 13 de VCSEL 9 associée à des éléments diffractifs 11, 12 selon l'invention pourrait par exemple également servir à la reconnaissance faciale pour des applications sécuritaires. De même, la tête optique 1 de l'invention peut être employée pour réaliser un afficheur couleur qui permet d'afficher une image composée d'une matrice de pixels, chaque pixel étant généré par la combinaison de trois faisceaux monochromatiques (par exemple de longueur d'onde correspondant aux couleurs rouge, bleu et vert). Dans ce cas, un ou deux éléments diffractifs sont placés devant chaque source et ont pour fonction de superposer ou de juxtaposer les trois faisceaux pour former le pixel. La couleur souhaitée est obtenue par la modulation en intensité de chacune des trois sources. Cette application nécessite des VCSEL émettant dans le visible qui ne sont pas encore commercialisés. La tête optique 1 de l'invention peut

également être employée pour des applications d'éclairage nécessitant une distribution d'intensité spécifique. Dans ce cas, le ou les éléments diffractifs placées en regard de la source, sont conçus afin d'obtenir à la distance d'utilisation, la distribution d'intensité souhaitée. L'éclairage peut être monochromatique ou polychromatique, dans ce dernier cas on utilise comme auparavant des sources VCSEL émettant dans le visible. L'éclairage peut aussi être variable dans le temps en pilotant les différentes sources de façon dynamique. En outre, la tête optique 1 de l'invention peut être employée pour projeter des motifs lumineux utilisables par exemple pour des applications artistiques et de divertissement. Dans ce cas, le ou les éléments diffractifs placés en regard de la source, sont conçus afin d'obtenir à la distance d'utilisation, les motifs souhaités. On peut, comme indiqué ci-dessus, obtenir un comportement statique ou dynamique. De manière évidente, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation préférentiels décrits précédemment et représentés sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes et utilisations sans sortir ni de la portée, ni du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de projection de lumière structurée sous la forme de franges ou d'autres motifs au moyen de sources laser, caractérisé en ce qu'il comporte une tête optique (1) comprenant successivement : . une source laser (10) comprenant des VCSEL (9), . un élément optique diffractif de collimation (11), et . un élément optique diffractif de structuration de la lumière (12) ; caractérisé en ce que les éléments optiques diffractifs (11, 12) sont des éléments optiques diffractifs de phase transformant la lumière émise par la source laser (10) en un motif de lumière structurée (2) ; et en ce que ces éléments optiques diffractifs (11, 12) sont solidarisés à la source laser (10) de manière à former une tête optique (1) intégrée.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source laser (10) comprend au moins une matrice (13) de VCSEL (9).
3. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la matrice (13) de VCSEL (9) est réalisée en combinant M barrettes (14) de N VCSEL (9) afin d'obtenir (M x N) VCSEL (9, VMN).
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque VCSEL (9) est raccordé à une unité d'alimentation et de commande électrique (5, 18) permettant de le commander et de la moduler individuellement.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le motif de lumière structuré (2) est formé de franges périodiques (19).
6. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les franges périodiques (19) sont de type décalées ou de type codeGray.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le motif de lumière structuré (2) est une figure géométrique ou des symboles divers.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément optique diffractif de collimation (11) est un élément optique de phase qui distribue l'intensité laser de manière uniforme sur les bords du faisceau lumineux de chaque VCSEL.
9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément optique diffractif de collimation (11) est un élément optique de phase qui distribue l'intensité laser de manière non-uniforme à symétrie de révolution sur les bords du faisceau lumineux de chaque VCSEL.
10. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément diffractif de collimation (11) est constitué d'au moins une matrice (20) de (M x N) sous-éléments optiques diffractifs de collimation (21, CMN) et en ce qu'un sous-élément optique diffractif de collimation (21, CMN) est monté devant chaque VCSEL (9, VN,N) de la source laser (10).
11. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément diffractif de structuration de la lumière (12) est constitué d'au moins une matrice (23) de (M x N) sous-éléments optiques diffractifs de structuration de la lumière (24, SMN) et en ce qu'un sous-élément optique diffractif de structuration de la lumière (24, SMN) est monté devant chaque VCSEL (9, VMN) de la source laser (10), après l'élément optique diffractif de collimation (11).
12. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la matrice (23) de sous-éléments optiques diffractifs de structuration de la lumière (24, SMN) comporte les séquences nécessaires pour la projection des motifs de décalage de phase. 19
13. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments optiques diffractifs (11, 12) sont fabriqués par micro- lithographie sur un substrat en quartz servant ensuite de maître pour la réplication sur un substrat en plastique.
14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments optiques diffractifs (11, 12) forment un ensemble d'une seule pièce monobloc.
15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément diffractif de collimation (11) est monté sur des plots (22) à distance des VCSEL (9), cette distance correspondant sensiblement à la distance focale.
16. Dispositif selon la revendication précédente et la revendication 2, caractérisé en ce que les plots (22) sont réalisés en résine déposée par centrifugation sur la matrice (13) de VCSEL (9), cette couche de résine étant ensuite éliminée par endroit par lithographie afin de libérer localement les VCSEL (9) et les contacts électriques (17) nécessaires à leur alimentation, les zones de résine restantes formant alors les plots (22).
17. Dispositif selon la revendication 15 caractérisé en ce que l'élément diffractif de collimation (11) est collé sur les plots (22).
18. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément diffractif de structuration (12) est collé sur la surface externe de l'élément diffractif de collimation (11).
19. Application d'un dispositif de projection de lumière structurée selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un système optique de numérisation ou de mensuration tridimensionnelle de sujets en volume.