FR3010182A1 - Methode et dispositif de determination de la position et de l'orientation d'une surface speculaire formant un dioptre - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une méthode de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un dioptre consistant à : • éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide d'au moins un point source lumineux diffus non polarisé (1), • acquérir à travers un dispositif de formation d'image (2) une image (J) permettant la détermination d'informations polarimétriques de la ou les réflexions du point de source sur le dioptre à déterminer, • localiser dans l'image (3), toute réflexion (13, 15) du point source (1) lumineux par le dioptre à déterminer (6), et pour chaque réflexion localisée : - calculer le rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'image (2) ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation, - calculer le rayon lumineux réfléchi (8) sur le dioptre à déterminer (6) et déduire du rayon lumineux (8) réfléchi sur le dioptre à déterminer (6), de son paramètre de polarisation, de la position connue du point source (1), la position et l'orientation (5) de l'élément de surface (4).

Description

La présente invention concerne le domaine du contrôle dimensionnel de surfaces spéculaires formant des dioptres présentés par divers objets tels que, par exemple, des emballages en verre, des substrats en verre ou silicium, des pièces métalliques polies, des réflecteurs de phares, des vitres, des pare-brises de véhicules ou des verres ophtalmiques. L'invention concerne plus particulièrement la mesure tridimensionnelle d'objets transparents comportant plusieurs dioptres superposés tels que, par exemple, les parois de récipients en verre ou des couches empilées de verre feuilleté.

Une application de la présente invention est de pouvoir reconstituer en trois dimensions, la surface extérieure d'un objet mais également la surface interne d'un objet et en particulier un récipient en verre permettant ainsi de mesurer l'épaisseur de la paroi en verre et de connaitre la répartition de verre.

Il est connu dans l'état de la technique, diverses méthodes pour reconstruire en trois dimensions une surface spéculaire d'un objet, comme le montre des états de l'art tels que « Transparent and Specular Object Reconstruction » publié dans Computer Graphics Forum 2010 par Ivo Ihrke, Kiriakos N. Kutulakos, Hendrik P. A. Lensch, Marcus Magnor, and Wolfgang 20 Heidrich. Par exemple l'article ayant pour titre « Shape from Distorsion : Range Scanning of Mirroring Objects » publié dans SIGGRAPH 2002 : conference abstracts and applications (2002) by M. Tarini, H. P. A. Lensch, M. Goesele, H. P. Seidel edited by D. Roble décrit une méthode de reconstruction 25 tridimensionnelle de surfaces spéculaires dont le principe est d'observer la réflexion d'un motif lumineux connu. Moyennant des hypothèses de continuité de la surface, cette technique procède par intégration pour remonter à la forme de l'objet. Cette méthode est complexe en termes de calculs, et elle ne fonctionne correctement qu'avec une grande densité de 30 points de mesures, sur des surfaces sans discontinuité notoire et en disposant de valeurs initiales correctes au départ de l'intégration. Cette méthode qui nécessite des calculs complexes s'avère difficile à mettre en oeuvre dans un milieu industriel. De plus cette technique n'est pas adaptée pour mesurer plusieurs surfaces superposées dans des milieux transparents. L'article ayant pour titre « Shape from polarization: a method for solving zenithal angle ambiguity » (Christophe Stolz, Mathias Ferraton, Fabrice Mériaudeau, Optics Letters 37, 20 (2012) 4218 décrit une méthode de reconstruction tridimensionnelle de surfaces utilisant une source lumineuse diffuse étendue et une information de polarisation de la lumière réfléchie sur l'objet. On déduit de la polarisation, l'orientation des normales à la surface spéculaire externe d'un objet. La méthode nécessite donc une étape d'intégration pour remonter aux surfaces tridimensionnelles. Cette méthode ne fonctionne correctement qu'avec une grande densité de points de mesures, sur des surfaces sans discontinuité notoire et en disposant de valeurs initiales correctes au départ de l'intégration. Cette méthode qui nécessite des calculs complexes s'avère difficile à mettre en oeuvre dans un milieu industriel. De plus, cette technique n'est pas adaptée à mesurer plusieurs surfaces superposées dans des milieux transparents. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des techniques antérieures en proposant une méthode pour reconstruire une surface spéculaire pouvant être obtenue avec un nombre de points restreint ou peu denses, évitant d'avoir recours à une grande densité de points de mesure, voire même de fournir la positon et l'orientation de la surface au voisinage d'un seul de ses points.. Un autre objet de l'invention est de proposer une méthode permettant la reconstruction de surfaces spéculaires superposées en vue de mesurer l'épaisseur d'objets multicouches. Un autre objet de l'invention est de proposer une méthode permettant la reconstruction de surfaces spéculaires d'objets présentant des courbures fortes ou étant mal positionnés en vue de permettre des contrôles en ligne. Pour atteindre de tels objectifs, l'objet de l'invention concerne une méthode de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet comportant un ou plusieurs dioptres superposés.

Selon l'invention, la méthode consiste à : - éclairer le dioptre à déterminer à l'aide d'au moins un point source lumineux diffus non polarisé, la position dudit point source étant connue dans l'espace, acquérir à travers un dispositif de formation d'image au moins une image permettant la détermination d'informations polarimétriques de la ou les réflexions du point de source sur le dioptre à déterminer, - localiser dans l'image, toute réflexion du point source lumineux par le dioptre à déterminer, et pour chaque réflexion localisée : 10 - calculer le rayon lumineux arrivant sur le dispositif de formation d'image ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation, - calculer le rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, à partir du rayon lumineux arrivant sur le dispositif de formation d'image 15 éventuellement en calculant ses déviations et les modifications de polarisation induites par la traversée de tout autre dioptre connu situé entre le dioptre à déterminer et le dispositif de formation d'image, - déduire du rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, de son paramètre de polarisation, de la position connue du point source, et de 20 tout dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer, la position et l'orientation de l'élément de surface au point d'incidence sur le dioptre à déterminer. De plus, la méthode selon l'invention peut consister en outre en combinaison d'au moins l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles 25 suivantes à : - éclairer e dioptre à déterminer à l'aide de plusieurs points source lumineux de positions connues dans l'espace et identifiables dans l'image, de manière à ce qu'en analysant les réflexions de chaque point source lumineux, on détermine la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface 30 répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer, - éclairer le dioptre à déterminer à l'aide d'une ou de plusieurs lignes lumineuses permettant de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis le long de la(les) réflexion(s) de la(les) ligne(s) sur le dioptre à déterminer, déplacer l'objet relativement à la source et/ou au dispositif de formation d'images, et à acquérir durant le déplacement, plusieurs images successives, permettant par ce balayage de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer, - reconstruire à partir de plusieurs éléments de surface, la forme tridimensionnelle d'au moins une portion de surface d'un dioptre de l'objet. déterminer pour une série de dioptres superposés, la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, par la même méthode, calculé par approximation les positions et orientations des éléments de surfaces des dioptres successivement traversés par les rayons, déterminer pour une série de dioptres superposés, la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, reconstruit la forme tridimensionnelle des portions de surface des dioptres successivement traversés par les rayons, - à partir de la détermination de la position et l'orientation de deux éléments de surface de deux dioptres successifs, à déterminer l'épaisseur du matériau transparent séparant les deux éléments de surface des deux dioptres, - déterminer la répartition en épaisseur du matériau transparent situé entre les portions de surface de deux dioptres consécutifs en déterminant la forme tridimensionnelle d'une portion du premier dioptre et la forme tridimensionnelle d'une portion du deuxième dioptre, - acquérir comme image permettant la détermination d'informations polarimétriques, une image contenant en tout point la valeur d'intensité d'au moins deux composantes du vecteur de polarisation de la lumière reçue.

Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet comportant un ou plusieurs dioptres superposés, le dispositif comportant : - une source lumineuse diffuse et pluridirectionnelle éclairant le dioptre et comportant au moins un point source de position connue, - un dispositif de formation d'images apte à fournir au moins une image permettant la détermination d'informations polarimétriques de la lumière reçue, et positionné de manière à recevoir les réflexions du point source sur le dioptre à déterminer, - et une unité de traitement d'image. Selon l'invention, l'unité de traitement : - localise dans l'image toute réflexion du point source lumineux par le dioptre à déterminer, et en ce que, pour chaque réflexion localisée, l'unité de traitement : - calcule le rayon lumineux arrivant sur le dispositif de formation d'image, ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation, - calcule le rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, à partir du rayon lumineux arrivant sur le dispositif de formation d'images en calculant ses déviations et les modifications de polarisation induites par la traversée de tout autre dioptre connu situé entre le dioptre à déterminer et le dispositif de formation d'images, déduit du rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, de son paramètre de polarisation, de la position connue du point source, et de tout dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer, la position et l'orientation de l'élément de surface au point d'incidence sur le dioptre à déterminer. De plus, le dispositif selon l'invention peut présenter en outre en combinaison d'au moins l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes : - la source lumineuse présente plusieurs points lumineux de positions connues, lesdits points étant un ensemble de sources ponctuelles disjointes ou un ensemble de points remarquables de motifs géométriques bidimensionnels portés sur une surface émettrice de lumière, - la source lumineuse présente au moins une ligne lumineuse, - un système de déplacement de l'objet relativement à la source et/ou au dispositif de formation d'images, - le dispositif d'acquisition d'images fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'au moins deux surfaces sensibles exposées simultanément, la première recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une deuxième direction, - le dispositif d'acquisition d'images fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'une surface sensible exposées au moins deux fois, la première fois recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième fois recevant des rayons filtrés par le polariseur orienté selon une deuxième direction, l'orientation de l'axe du polariseur pouvant être modifiée par exemple mécaniquement par rotation ou électriquement en commandant un dispositif à cristaux liquides, - le dispositif d'acquisition d'images comporte une surface sensible matricielle sur laquelle est placé un filtre matriciel dont les filtres unitaires sont orientés selon au moins N directions différentes, N étant supérieur ou égal à 2, de manière à mesurer des paramètres de polarisation de la lumière arrivant sur le capteur, en combinant N pixels voisins. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est un schéma de principe dans le cas où il n'y a aucun dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer. La Figure 2 est un schéma de principe, dans le cas où un dioptre connu est interposé entre la source et le dioptre à déterminer.

La Figure 3 est un schéma du principe de mesure dans le cas où aucun dioptre connu n'est interposé entre la source et le dioptre à déterminer. La Figure 4 est un schéma du principe de mesure dans le cas où il y a un dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer. La Figure 5 est un schéma dans lequel la source présente plusieurs points de positions connus pour la détermination de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer. La Figure 6 est un ensemble de points remarquables appartenant à 10 des motifs géométriques d'une source lumineuse. La Figure 7 est un schéma illustrant le déplacement de l'objet relativement à la source et/ou à la caméra qui permet par balayage de déterminer plusieurs éléments de surface sur le dioptre à déterminer. La Figure 8 est un schéma illustrant la reconstruction d'une portion de 15 surface d'un dioptre à partir de plusieurs éléments de surface. La Figure 9 est un schéma illustrant la reconstruction de deux dioptres superposés appartenant à un objet. La Figure 10 est un exemple d'un tracé de rayon pour le calcul dans le cas où aucun dioptre connu n'est interposé entre la source et le dioptre à 20 déterminer. La Figure 11 est un exemple d'un tracé de rayon pour le calcul dans le cas où un dioptre connu est interposé entre la source et le dioptre à déterminer. La Figure 12 est un exemple de graphique montrant l'évolution de la 25 fonction donnant la valeur absolue de la différence entre le degré de polarisation du rayon réfléchi sur le dioptre à déterminer et le degré de polarisation hypothèse, en fonction de la distance. L'objet de l'invention concerne un procédé et un dispositif I permettant le contrôle dimensionnel ou la mesure d'un élément de surface d'un objet A, 30 par l'observation de réflexions lumineuses dites spéculaires. La réflexion est dite spéculaire lorsque le rayon lumineux incident donne naissance à un rayon lumineux réfléchi selon une unique direction selon la loi de Snell- Descartes pour la réflexion. Dans le texte qui suit, est considéré comme surface spéculaire, tout dioptre tel que la réflexion et la réfraction de la lumière utilisée sont considérées comme spéculaires, c'est-à-dire tels que les effets de la diffusion et de l'absorption ne sont pas à prendre en compte.

L'objet A présente ainsi une ou plusieurs surfaces spéculaires superposées formant chacune un dioptre. Un dioptre est une surface ou interface séparant deux milieux d'indice optique (réel et/ou imaginaire) différents. Pour chaque dioptre, il peut être défini un élément de surface correspondant à une surface élémentaire autour d'un point, qui est définie par les coordonnées du point et la normale à la surface en ce point. Une portion de surface ou d'un dioptre d'un objet correspond à la prise en compte de plusieurs éléments de surface. La forme tridimensionnelle d'un dioptre correspond à une portion de surface ou surface entière définie par ses équations paramétriques, ou bien une description par éléments finis, c'est-à-dire qu'on prend en compte les coordonnées 3D des points appartenant à la surface et/ou les orientations des éléments de surface qui la composent, ou leurs normales ou encore les courbures. Par orientation d'un élément de surface, il faut comprendre l'équation dans l'espace à trois dimensions de la normale à la surface ou encore les 3 composantes du vecteur normal à la surface. De même, tout calcul d'un rayon lumineux signifiera la détermination de l'équation de la droite géométrique ou du segment de droite portant ledit rayon lumineux. Pour la clarté de l'exposé concernant le formalisme de Stokes-Mueller, on pourra se référer par exemple au livre intitulé « Polarized Light » de Dennis H.Goldstein (Polarized Light, CRC Press; 3rd edition, 16 Décembre 2010 ISBN-10: 1439830401). Dans l'exemple de réalisation illustré à la Fig. 1, le dispositif I selon l'invention permet la détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet A 30 comportant un unique dioptre. Dans l'exemple de réalisation illustré à la Fig. 2, le dispositif I selon l'invention permet la détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet A comportant deux dioptres superposés. D'une manière générale, le dispositif I selon l'invention comporte : - une source lumineuse diffuse et pluridirectionnelie non polarisée B éclairant le dioptre de l'objet A à déterminer ou à caractériser, cette source lumineuse comportant au moins un point source 1 de position connue dans l'espace, - un dispositif de formation d'images 2 apte à fournir au moins une image 3 permettant la détermination d'informations polarimétriques de la lumière reçue, et positionné de manière à recevoir les réflexions du point source 1 sur le dioptre à déterminer, et permettant la détermination d'informations de positions des points de réflexion spéculaire du point source 1 sur le dioptre à déterminer, - et une unité de traitement d'images non représentée et reliée au dispositif de formation d'images 2. La source lumineuse diffuse B est une source émettant de la lumière non polarisée dans un cône d'émission plus ou moins important. Cette source lumineuse B qui peut être réalisée de toute manière appropriée est de nature divergente, non collimatée, ponctuelle et non polarisée. Cette source lumineuse B comporte un unique point source 1 comme illustré à la Fig. 1 ou plusieurs points sources 1 comme illustré à la Fig. 5. La position des différents points sources 1 est connue dans l'espace. Par exemple, ces différents points sources sont réalisés par un ensemble de sources ponctuelles disjointes comme des diodes électroluminescentes ou par un ensemble de points remarquables 20 (Fig. 6) de motifs géométriques bidimensionnels portés par une surface émettrice de lumière. Ces points remarquables 20 sont des points définis sans équivoque par exemple par l'angle d'une forme géométrique comme carré, rectangle ou triangle, le centre d'un cercle de petite taille. Il faut comprendre que le point source 1 est remarquable dans la mesure où, si l'on analyse par des moyens informatiques une image directe ou indirecte de la source, il devient facile de trouver le point et de déterminer sa position x, y dans l'image.

Selon une autre variante de réalisation, la source lumineuse B présente au moins une ligne lumineuse. Le dispositif de formation d'images 2 comporte une caméra apte à fournir au moins une image permettant la détermination d'informations polarimétriques de la lumière reçue. Par informations polarimétriques, on entend au moins le degré de polarisation du rayon lumineux. En tant qu'image permettant la détermination d'informations polarimétriques, on peut prendre une image contenant en tout point la valeur d'intensité d'au moins deux composantes du vecteur de polarisation de la lumière reçue. Par composantes du vecteur de polarisation on désigne les intensités des projections du vecteur polarisation résultant de l'effet d'un polariseur orienté selon des directions différentes, de préférence choisies de manière à optimiser la précision de calcul des paramètres de polarisation. Il est à noter que la détermination de l'état de polarisation au moyen de seulement deux composantes, de préférence orthogonales, est incomplète sauf à faire une hypothèse comme par exemple que l'orientation de la surface à déterminer est connue dans une direction ou dimension de l'espace. Il est donc avantageux de prendre en compte pour la détermination d'informations polarimétriques au moins trois composantes du vecteur de polarisation de la lumière reçue. Selon un exemple de réalisation, le dispositif d'acquisition d'images 2 fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'au moins deux surfaces sensibles exposées simultanément, la première recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une deuxième direction. Selon un autre exemple de réalisation, le dispositif d'acquisition drimages 2 fournit pour chaque pixel, au moins deux composantes de polarisation, à l'aide d'une surface sensible exposée au moins deux fois, la première fois recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième fois recevant des rayons filtrés par le polariseur orienté selon une deuxième direction, l'orientation de l'axe du polariseur pouvant être modifiée par exemple mécaniquement par rotation ou électriquement en commandant un dispositif à cristaux liquides. Selon un autre exemple de réalisation, le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte une surface sensible matricielle sur laquelle est placé un filtre matriciel dont les filtres unitaires sont orientés selon au moins N directions différentes, N étant supérieur ou égal à 2, de manière à mesurer des paramètres de polarisation de la lumière arrivant sur le capteur, en combinant N pixels voisins. L'homme du métier saura aisément adapter les exemples de réalisation 10 du dispositif d'acquisition d'images 2 à l'obtention d'un nombre de composantes supérieur à deux afin de déterminer plus complètement et plus précisément les informations polarimétriques. Les caractéristiques du dispositif d'acquisition d'images 2 sont connues telles que notamment l'ensemble des paramètres intrinsèques et 15 extrinsèques d'une caméra que l'homme du métier sait définir et obtenir par étalonnage a priori, puis utiliser dans les calculs géométriques dans l'espace, par exemple le modèle de Zhang décrit dans la publication (Z. Zhang. A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11):1330-1334, 2000. 20 Les caractéristiques du dispositif d'acquisition d'images 2 comprennent donc par exemple : les directions de polarisation du ou des filtres, la position du centre optique et la focale de l'objectif, - la direction de l'axe optique, 25 - la résolution en pixels par mm, l'orientation et le sens de lecture du/des capteurs optoélectroniques. Bien entendu, la configuration du dispositif I c'est-à-dire la position du point source 1 et les caractéristiques du dispositif d'acquisition d'images 2, dont sa position sont adaptées en fonction de l'objet A afin que le dispositif 30 d'acquisition puisse observer les réflexions spéculaires des rayons lumineux incident émis par la source lumineuse B et se produisant sur le ou les dioptres de l'objet A. En particulier, dans le cas de dioptres superposés, les réflexions sur chaque dioptre doivent être distinctes dans l'image J et les angles d'incidence sur les dioptres, du rayon lumineux incident émis par la source lumineuse B doivent correspondre à un degré de polarisation facilement mesurable, typiquement entre 20°et 55° pour du verre.

Pour la compréhension de l'invention, il est pris en compte l'absence ou la présence de dioptres entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer. En effet, le principe de l'invention permet de déterminer ou caractériser un dioptre soit si aucun dioptre n'est interposé entre la source lumineuse B et ce dioptre à déterminer, soit si un ou plusieurs dioptres 10 connus sont interposés entre la source lumineuse B et ce dioptre à déterminer, ce ou ces dioptres étant connus par la méthode selon l'invention ou soit par une méthode différente. Par dioptre connu, on entend la connaissance des indices optiques des deux côtés du dioptre et la géométrie et la position d'un élément de sa surface, d'une portion de sa surface ou sa 15 forme tridimensionnelle complète. Les Fig. 1 et 3 illustrent le principe de l'objet de l'invention pour lequel aucun dioptre n'est interposé entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer ou à caractériser 6. Le rayon incident provenant du point source 1 est réfléchi sur un élément de surface spéculaire 4 du dioptre à 20 déterminer 6, en un point d'incidence 12, pour donner naissance à un rayon réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6. L'angle formé entre le rayon incident et la normale 5 de l'élément de surface 4 est égal à l'angle formé entre le rayon réfléchi 8 et la normale 5 de l'élément de surface 4. L'image J acquise par le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte un point lumineux c'est-à- 25 dire la réflexion 13 du point de source 1 par le dioptre à déterminer 6. Cette réflexion 13 dans l'image correspond directement au point d'incidence 12 vu par le dispositif d'acquisition d'images 2. Cette réflexion 13 dans l'image est obtenue par le rayon 3 arrivant sur le dispositif d'acquisition d'images 2 et qui présente un degré de polarisation p. 30 Les Fig. 2 et 4 illustrent le principe de l'objet de l'invention pour lequel un dioptre connu 9 est interposé entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer ou à caractériser 6. Selon cette variante de réalisation, l'image] acquise par le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte plusieurs points lumineux correspondant aux réflexions lumineuses sur le dioptre connu 9 et le dioptre à déterminer 6. Ainsi, rimage J comporte une réflexion 15 sur le dioptre connu 9 et la réflexion 13 sur le dioptre à déterminer 6.

Un rayon incident provenant du point source 1 est réfléchi sur un élément de surface spéculaire 18 du dioptre connu 9, en un point d'incidence 14, pour donner naissance à un rayon réfléchi 81 sur le dioptre connu 9. L'angle formé entre le rayon incident et la normale 51 de l'élément de surface 18 est égal à l'angle formé entre le rayon réfléchi 81 et la normale 51 de l'élément de surface 18. L'image J acquise par le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte le point lumineux c'est-à-dire la réflexion 15 du point de source 1 par le dioptre connu 9. Cette réflexion 15 dans l'image correspond directement au point d'incidence 14 vu par le dispositif d'acquisition d'images 2.

Un autre rayon incident provenant du point source 1 est dévié par le dioptre connu 9 en un point d'incidence 19, pour être transmis sur l'élément de surface spéculaire 4 du dioptre à déterminer 6, en un point d'incidence 12, pour donner naissance à un rayon réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6 et présentant un degré de polarisation pr. L'angle formé entre le rayon incident transmis et la normale 5 de l'élément de surface 4 est égal à l'angle formé entre le rayon réfléchi 8 et la normale 5 de l'élément de surface 4. Le rayon réfléchi 8 subit une déviation au niveau du dioptre connu 9, en un point de transmission 16. L'image J acquise par le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte également re point lumineux c'est-à-dire la réflexion 13 du point source 1 par le dioptre à déterminer 6. Cette réflexion 13 dans l'image correspond directement au point de transmission 16 du dioptre connu 9 et vu par le dispositif d'acquisition d'images 2. La Fig. 3 illustre le principe de l'invention dans le cas où aucun dioptre n'est interposé entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer ou à caractériser 6. L'unité de traitement des images localise dans l'image, toute réflexion 13 du point de source lumineuse par le dioptre à déterminer 6.

L'unité de traitement des images calcule le rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation d'image 2 ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation p. Il est à noter que le point d'incidence 12 sur le dioptre à déterminer 6 est situé le long de ce rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation d'image 2. En effet, même si la position du point source 1 produisant le rayon incident associé est connue, l'orientation du rayon incident n'est pas connue de sorte qu'il existe une infinité de positions possibles pour le point d'incidence 12 compte tenu de l'ambiguïté du couple normale / position, Mais il existe en revanche une seule position d pour une orientation donnée de la normale 5, ou bien une seule orientation de la normale 5 pour une position d donnée le long du rayon. Dans la suite de la description, le point d'incidence 12 sur le dioptre à déterminer 6 est considéré comme situé à une distance d le long du rayon réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6. Il est à remarquer que dans l'exemple illustré à la Fig.3 le rayon lumineux réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6 correspond au rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation d'images 2. Aussi, à partir du rayon réfléchi 8 à savoir le rayon 3 arrivant sur le dispositif de formation d'image 2, de son degré de polarisation p et de la position connue du point source 1, l'unité de traitement en déduit la position d et l'orientation 5 de l'élément de surface 4 au point d'incidence 12 sur le dioptre à déterminer 6. La position en trois dimensions du point d'incidence 12 est ainsi déterminée. La Fig. 10 illustre un exemple d'une méthode pour déterminer la 25 distance d. Pour chaque distance hypothèse dhi on calcule le rayon incident issu de la source lumineuse 1, puis au point d'incidence, l'orientation de la normale de l'élément de surface de dioptre correspondant à cette hypothèse, puis, en utilisant par exemple le formalisme de Stokes-Mueller, le degré de polarisation hypothèse phi du rayon réfléchi selon cette hypothèse. La 30 distance d retenue est celle pour laquelle le degré de polarisation hypothèse phi est égal au degré de polarisation réel mesuré p.

La Fig. 12 est un exemple de graphique montrant l'évolution de la fonction donnant la valeur absolue de la différence entre le degré de polarisation pr du rayon réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6 et le degré de polarisation hypothèse ph, en fonction de la distance d.

Cette fonction admet un minimum situé à la distance d qui correspond à la distance réelle de l'élément de surface appartenant au dioptre à déterminer 6. Pour l'exemple, on a positionné 4 éléments de surface correspondant à quatre distances d : dl, d2, 1:13 et d4, associés à quatre degrés de polarisation hypothèse n n Phi e-h2 Ph3 Ph4. Sur la Fig. 10, on voit 4 distances et quatre degrés de polarisation. Le minimum de la fonction est situé en d=d2. Donc cette distance d2 correspond à la position réelle de l'élément de surface 4 c'est à dire du point d'incidence 12. Il existe donc une solution unique d dans l'intervalle considéré, permettant la détermination exacte de d et également, tous les rayons et degrés de polarisation étant déterminés, on connait également la normale à l'élément de surface du dioptre au point de réflexion situé à la distance d. Dans l'exemple illustré à la Fig. 3, la source lumineuse B comporte un unique point source 1. Bien entendu, comme illustré à la Fig. 5, il peut être prévu d'éclairer le dioptre à déterminer 6, à l'aide d'une source lumineuse B comportant plusieurs points source 1 dont les positions sont connues dans l'espace et identifiables dans l'image. Selon cette variante de réalisation, les réflexions 13 de chaque point source 1 sont analysées comme décrits précédemment, et la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface 4 répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer 6 sont déterminées selon la méthode conforme à l'invention. Il est à noter que selon une autre variante de réalisation, il peut être envisagé d'éclairer le dioptre à déterminer 6, à l'aide d'une ou de plusieurs lignes lumineuses permettant de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis le long de la(les) réflexion(s) de la (les) ligne(s) sur le dioptre à déterminer 6. Dans ce mode de réalisation, on prend en considération la ou les lignes lumineuses comme un ou des ensembles de points sources remarquables 1 et on analyse les lignes lumineuses obtenues sur la caméra 2 en les considérant également comme des ensembles de points images 15 ou 13, alors qu'en réalité la ligne et ses images étant au moins localement continues, la méthode ne fonctionne correctement que pour certains types de surface, par exemple dont la courbure est faible selon la direction parallèle à la ligne lumineuse. La Fig. 7 illustre un autre mode de réalisation pour déterminer plusieurs éléments de surface 4 du dioptre à déterminer 6 dans lequel l'objet A est déplacé relativement par rapport à la source lumineuse B et/ou au dispositif de formation d'images 2. Durant le déplacement de l'objet A, plusieurs images successives sont acquises, permettant par ce balayage, de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface 4 répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer 6. Bien entendu, les éléments de surface 4 sont choisis pour reconstruire la forme tridimensionnelle d'au moins une portion voire de la totalité du dioptre à déterminer 6, comme illustré à la Fig. 8. La Fig. 4 illustre le principe de l'invention dans le cas où un dioptre connu 9 est interposé entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer ou à caractériser 6. L'unité de traitement des images localise dans l'image 3, toute réflexion 13 du point source 1 lumineux par le dioptre à déterminer 6.

L'unité de traitement des images calcule le rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation d'image 2 ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation p. L'unité de traitement calcule le rayon lumineux réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6 au point d'incidence 12, à partir du rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation d'images 2 et en calculant ses déviations et, par exemple avec le formalisme de Stokes-Muelier, les modifications de polarisation pr induites par la traversée du dioptre connu 9 situé entre le dioptre à déterminer 6 et 4e dispositif de formation d'images 2. L'objet de l'invention consiste ensuite à déduire du rayon lumineux 8 réfléchi sur le dioptre à déterminer 6, de son paramètre de polarisation pr, de la position connue du point source 1, et du dioptre connu 9 interposé entre le point source 1 et le dioptre à déterminer 6, la position d et l'orientation 5 de l'élément de surface 4 au point d'incidence 12 sur le dioptre à déterminer 6. La Fig. 11 illustre un exemple d'une méthode pour déterminer la distance d sur le rayon lumineux 8. Pour chaque distance hypothèse dhi on calcule le rayon incident issu de la source lumineuse 1, en prenant en compte sa déviation par le dioptre connu 9, puis au point d'incidence, l'orientation de la normale de l'élément de surface de dioptre à déterminer 6 correspondant à cette hypothèse, puis, en utilisant par exemple le formalisme de Stokes-Muelier, le degré de polarisation hypothèse phi du rayon réfléchi selon cette hypothèse. La distance d retenue est celle pour laquelle le degré de polarisation hypothèse phi est égal au degré de polarisation calculé pr. Comme décrit précédemment en relation des Fig. 10 et 12, cette méthode permet de déterminer la position réelle de l'élément de surface 4 au point d'incidence 12. Bien entendu, le principe de l'invention peut être mis en oeuvre pour caractériser un objet comportant deux dioptres superposés non connus à priori. Selon cet exemple et tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 9, la méthode consiste à caractériser d'abord le dioptre externe c'est- à-dire le dioptre qui est traversé en premier par le rayon incident puis ensuite le dioptre interne en considérant que le dioptre externe est connu. Ainsi, pour déterminer l'élément de surface 12 appartenant au dioptre interne 6, on détermine d'abord l'élément de surface 18 du premier dioptre traversé par les rayons en prenant en compte la réflexion 15 sur ce premier dioptre, On fait ensuite l'approximation que ce dioptre est localement plan et on le considère connu pour permettre de déterminer l'élément de surface 12 appartenant au deuxième dioptre 6. En pratique, on observe dans l'image acquise, les réflexions 13, 15 du point source 1 sur les deux dioptres, on détecte la position dans l'image de ces réflexions et on mesure le degré de polarisation associé à chaque réflexion, on se sert des données issues de la réflexion sur le premier dioptre pour déterminer un élément de surface de ce premier dioptre, puis on fait l'hypothèse que le premier dioptre est localement plan et on se sert des données issues de la deuxième réflexion pour déterminer à la fois la normale au point de ce deuxième dioptre et la position tridimensionnelle de ce point. La caractérisation du dioptre externe est réalisée selon la technique décrite en relation des Fig. 1 et 3 alors que la caractérisation du dioptre interne est réalisée selon la technique décrite en relation des Fig. 2 et 4. Plus précisément, comme expliqué précédemment, le procédé vise à détecter la position de la première réflexion 15 dans l'image), ce qui permet de calculer le rayon lumineux 81 arrivant sur le dispositif d'acquisition d'images 2 et provenant de l'élément de surface 18 du premier dioptre, au point d'incidence 14. Ce point d'incidence 14 est situé quelque part le long de ce rayon lumineux 3. Pour lever l'ambiguïté normale/position, on mesure le degré de polarisation associé à cette première réflexion permettant de calculer l'orientation de cet élément de surface 18 à savoir sa normale pour lever l'indétermination. La position tridimensionnelle du point d'incidence 14 est calculée. Pour la seconde réflexion 13 dans l'image 3, on détecte la position du point lumineux correspondant à la seconde réflexion dans l'image et on calcule le rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif d'acquisition d'images 2. On fait l'hypothèse que la surface externe est localement plane. Cette hypothèse est vérifiée lorsque la distance entre tous les points 19, 14, 16 (à savoir les points d'incidence 19, 14 et le point de transmission 16) est faible et que le rayon de courbure local de cette surface est grand. Cette hypothèse permet de considérer une portion de surface externe locale 17 comme l'extension autour du point d'incidence 14 de l'élément de surface 18 puis de calculer l'intersection du rayon 3 arrivant sur le dispositif de formation d'image avec cette surface locale à savoir le point de transmission 16, du rayon réfléchi par l'élément de surface 4 du dioptre interne.

Comme la surface 17 est considérée comme localement plane, on considère que la normale est la même au point d'incidence 14 et au point de transmission 16. Connaissant l'indice de réfraction, il est ainsi possible de calculer le rayon réfléchi 8 par le dioptre interne 6. Là encore, le point d'incidence 12 sur le dioptre interne 6 est situé quelque part le long de ce rayon lumineux. Comme déjà expliqué, il existe une ambiguïté entre la normale et la position au point d'incidence 12.

On mesure le degré de polarisation associé à cette deuxième réflexion. Le degré de polarisation mesuré pour le rayon entrant dans le dispositif d'acquisition d'images 2 correspond au passage successif de trois interfaces. Chaque passage d'interface ou de dioptre influe sur le degré de polarisation final en comptant que les transmissions influent beaucoup moins que la réflexion. Il apparaît donc impossible de mesurer directement l'orientation de la surface interne car on ne connait pas l'influence de la première transmission. Pour prendre en compte cette transmission, on procède par optimisation comme expliqué précédemment afin de déterminer la distance d entre le point de transmission 16 et le point d'incidence 12. On peut alors obtenir la position du point d'incidence en trois dimensions et la normale à ce point d'incidence. D'une manière générale, pour une série de dioptres superposés, la méthode consiste à déterminer la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, par la même méthode, calculé par approximation les positions et orientations des éléments de surfaces des dioptres successivement traversés par les rayons. Selon un autre exemple de réalisation, pour une série de dioptres superposés, la méthode consiste à déterminer la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, reconstruit la forme tridimensionnelle des portions de surface des dioptres successivement traversés par les rayons, ce qui permet au lieu d'utiliser l'hypothèse de surface localement plane, de prendre en compte ladite forme tridimensionnelle de la surface 9 autour des points 19, 14, 16 (à savoir les points d'incidence 19, 14 et le point de transmission 16) conduisant à une meilleure précision notamment lorsque la courbure n'est pas négligeable. L'objet de l'invention consiste ainsi à reconstituer le chemin tridimensionnel parcouru par les rayons lumineux issus de la source lumineuse en s'aidant de la mesure du degré de polarisation pour lever les indéterminations. Cette technique permet de s'affranchir de la mesure de l'angle de polarisation de la lumière. Cette technique nécessite de connaître l'indice de réfraction du matériau constitutif de l'objet, à la fois pour calculer les rayons réfractés et pour avoir un modèle reliant le degré de polarisation et l'orientation de l'élément de surface du dioptre. Bien entendu, la méthode selon l'invention qui permet la détermination de la position et l'orientation de deux éléments de surface de deux dioptres successifs, permet de déterminer l'épaisseur du matériau transparent séparant les deux éléments de surface des deux dioptres.

De même, la méthode selon l'invention permet de déterminer la répartition en épaisseur du matériau transparent situé entre les portions de surface de deux dioptres consécutifs en déterminant la forme tridimensionnelle d'une portion du premier dioptre et la forme tridimensionnelle d'une portion du deuxième dioptre.20

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1 - Méthode de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet (A) comportant un ou plusieurs dioptres superposés caractérisée en ce qu'elle consiste à : - éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide d'au moins un point source lumineux diffus non polarisé (1), la position dudit point source 1 étant connue dans l'espace, - acquérir à travers un dispositif de formation d'image (2) au moins une image (3) permettant la détermination d'informations polarimétriques de la ou les réflexions du point de source sur le dioptre à déterminer, - localiser dans l'image (3), toute réflexion (13, 15) du point source (1) lumineux par le dioptre à déterminer (6), et pour chaque réflexion localisée : - calculer le rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'image (2) ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation (p), - calculer le rayon lumineux réfléchi (8) sur le dioptre à déterminer (6) , à partir du rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'image (2) éventuellement en calculant ses déviations et les modifications de polarisation (pr) induites par la traversée de tout autre dioptre connu (9) situé entre le dioptre à déterminer (6) et le dispositif de formation d'image (2), - déduire du rayon lumineux (8) réfléchi sur le dioptre à déterminer (6), de son paramètre de polarisation (pr), de la position connue du point source (1), et de tout dioptre connu (9) interposé entre la source (1) et le dioptre à déterminer (6), la position (d) et l'orientation (5) de l'élément de surface (4) au point d'incidence sur le dioptre à déterminer.
2. 2 - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle consiste à éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide de plusieurs points source (1) lumineux de positions connues dans l'espace et identifiables dans l'image, de manière à ce qu'en analysant les réflexions de chaque point source (1)lumineux, on détermine la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer (6).
3. 3- Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle consiste à éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide d'une ou de plusieurs lignes lumineuses permettant de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis le long de la(les) réflexion(s) de la(les) ligne(s) sur le dioptre à déterminer.
4. 4- Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle consiste à déplacer l'objet (A) relativement à la source (1) et/ou au dispositif de formation d'images (2), et à acquérir durant le déplacement, plusieurs images successives, permettant par ce balayage de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer.
5. 5 - Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle consiste à reconstruire à partir de plusieurs éléments de surface, la forme tridimensionnelle d'au moins une portion de surface d'un dioptre de l'objet.
6. 6 - Méthode selon une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle consiste, pour une série de dioptres superposés, à déterminer la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, par la même méthode, calculé par approximation les positions et orientations des éléments de surfaces des dioptres successivement traversés par les rayons.
7. 7 - Méthode selon une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle consiste pour une série de dioptres superposés, à déterminer la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, reconstruit la forme tridimensionnelle des portions de surface des dioptres successivement traversés par les rayons.
8. 8- Méthode selon les revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle consiste, à partir de la détermination de la position et l'orientation de deuxéléments de surface de deux dioptres successifs, à déterminer l'épaisseur du matériau transparent séparant les deux éléments de surface des deux dioptres.
9. 9 - Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle consiste, à déterminer la répartition en épaisseur du matériau transparent situé entre les portions de surface de deux dioptres consécutifs en déterminant la forme tridimensionnelle d'une portion du premier dioptre et la forme tridimensionnelle d'une portion du deuxième dioptre. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle consiste 10 à acquérir comme image permettant la détermination d'informations polarimétriques, une image contenant en tout point la valeur d'intensité d'au moins deux composantes du vecteur de polarisation de la lumière reçue. 11 - Dispositif de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet (A) comportant un ou plusieurs dioptres superposés, le dispositif comportant : - une source lumineuse (B) diffuse et pluridirectionnelle éclairant le dioptre et comportant au moins un point source (1) de position connue, - un dispositif de formation d'images (2) apte à fournir au moins une image (3) permettant la détermination d'informations polarimétriques de la lumière reçue, et positionné de manière à recevoir les réflexions du point source sur le dioptre à déterminer, - et une unité de traitement d'image, caractérisé en ce que l'unité de traitement : - localise dans l'image (3) toute réflexion (13, 15) du point 25 source lumineux par le dioptre à déterminer, et en ce que, pour chaque réflexion localisée, l'unité de traitement : - calcule le rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'image (2), ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation, 30 - calcule le rayon lumineux réfléchi (8) sur le dioptre à déterminer, à partir du rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'images (2) en calculant ses déviations et les modifications depolarisation induites par la traversée de tout autre dioptre connu situé entre le dioptre à déterminer (6) et le dispositif de formation d images (2), - déduit du rayon lumineux réfléchi (8) sur le dioptre à déterminer (6), de son paramètre de polarisation, de la position connue du point source (1), et de tout dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer, la position et l'orientation de l'élément de surface au point d'incidence sur le dioptre à déterminer. 12 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la source lumineuse (B) présente plusieurs points lumineux de positions connues, lesdits points étant un ensemble de sources ponctuelles disjointes ou un ensemble de points remarquables de motifs géométriques bidimensionnels portés sur une surface émettrice de lumière. 13 - Dispositif selon les revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la source lumineuse (B) présente au moins une ligne lumineuse. 14 - Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13 caractérisé en ce qu'il comporte un système de déplacement de l'objet (A) relativement à la source (B) et/ou au dispositif de formation d'images (2). 15 - Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition d'images (2) fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'au moins deux surfaces sensibles exposées simultanément, la première recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une deuxième direction. 16 Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition d'images (2) fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'une surface sensible exposées au moins deux fois, la première fois recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième fois recevant des rayons filtrés par le polariseur orienté selon une deuxième direction, l'orientation de l'axe du polariseur pouvant être modifiée par exemple mécaniquement par rotation ou électriquement en commandant un dispositif à cristaux liquides.17 - Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition dimages (2) comporte une surface sensible matricielle sur laquelle est placé un filtre matriciel dont les filtres unitaires sont orientés selon au moins N directions différentes, N étant supérieur ou égal à 2, de manière à mesurer des paramètres de polarisation de la lumière arrivant sur le capteur, en combinant N pixels voisins.