FR2739196A1 - Accurate three dimensional measurement of luminous intensity - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif passif qui permet la saisie d'un couple d'images de 2 points de vues différents avec un champ de vision pouvant atteindre 3600 verticalement et horizontalement. Les éléments constitutifs essentiels sont un balayage mécanique et un dispositif optoélectronique de mesure d'éclairement. Les images numériques obtenues subissent un traitement informatique, pour trouver les coordonnées tridimensionnelles d'objets. Le principe de base utilisé se nomme la stéréovision et permet le calcul de distances entre le dispositif et des objets à l'aide de 2 images décalées issues de la même scène. La constitution de la présente invention permet une simplification ainsi qu une réduction des moyens matériels (capteurs, calculateur) nécessaire à la mise en oeuvre de la stéréovision. The present invention relates to a passive device which allows the capture of a couple of images from 2 different viewpoints with a field of view of up to 3600 vertically and horizontally. The essential components are a mechanical sweep and an optoelectronic device for measuring illumination. The digital images obtained undergo computer processing, to find the three-dimensional coordinates of objects. The basic principle used is called stereovision and allows the calculation of distances between the device and objects using 2 offset images from the same scene. The constitution of the present invention allows a simplification as well as a reduction of the material means (sensors, computer) necessary for the implementation of stereovision.
I1 existe plusieurs types de capteurs tridimensionnels faisant intervenir un systéme de vision. On peut distinguer les capteurs actifs mettant en oeuvre une source lumineuse (comme un laser) en supplément de l'éclairage ambiant, et les capteurs passifs ne faisant pas intervenir de source supplémentaire. Tout d'abord les capteurs 3D actifs peuvent être subdivisé en 2 catégories:
- La première catégorie est fondée sur l'utilisation
d'un télémètre laser à balayage qui établit la distance
de points matériels d'une scène par la mesure du temps
de propagation du faisceau lumineux, ou par le déphasage
en amplitude entre le faisceau émis et réfléchi (cas
d'un laser modulé en amplitude).There are several types of three-dimensional sensors involving a vision system. We can distinguish active sensors using a light source (such as a laser) in addition to ambient lighting, and passive sensors which do not involve an additional source. First of all, the active 3D sensors can be subdivided into 2 categories:
- The first category is based on use
a scanning laser rangefinder that establishes the distance
material points of a scene by measuring time
propagation of the light beam, or by phase shift
in amplitude between the emitted and reflected beam (case
amplitude modulated laser).
- La seconde catégorie utilise une ou plusieurs caméras
vidéos et permet en suréclairant un certain nombre de
points de la scène de déterminer leurs coordonnées
tridimensionnelles par triangulation. L'ensemble de
la scène peut être étudié en faisant bouger la source
de lumière.- The second category uses one or more cameras
videos and allows by highlighting a number of
scene points to determine their coordinates
three-dimensional by triangulation. All
the scene can be studied by moving the source
from light.
Les capteurs actifs utilisant des sources lumineuses supplémentaires (laser), sont sensibles à l'éclairage ambiant et ne conviennent pas pour des objets réflechissants. De plus, ils ont les inconvénients de poser des problèmes vis à vis des êtres humains et d'être limités en termes de distances et de champ de vision.Active sensors using additional light sources (laser), are sensitive to ambient lighting and are not suitable for reflective objects. In addition, they have the disadvantages of posing problems with regard to human beings and of being limited in terms of distances and field of vision.
Les autres méthodes sont des techniques passives et donc ne font pas intervenir de source lumineuse supplémentaire:
- Les capteurs tridimensionnels passifs sont constitués
généralement de plusieurs caméras vidéos (2 ou 3) qui
saisissent la scène de plusieurs points de vue, le relief
d'objets est reconstitué par un traitement d'images. La
méthode permettant de fournir une description en 3
dimensions se nomme la stéréovision. Le problème réside
dans la mise en correspondance des images, c'est a dire
la détermination des couples de points issus des mêmes
points réels de la scène. La connaissance de la disparité
entre chaque paire de points et les caractéristiques du
système optique de prise de vue permettent le calcul des
coordonnées tridimensionnelles des objets.The other methods are passive techniques and therefore do not involve an additional light source:
- Passive three-dimensional sensors are made up
usually several video cameras (2 or 3) which
capture the scene from several points of view, the relief
of objects is reconstructed by image processing. The
method for providing a description in 3
dimensions is called stereovision. The problem is
in the image matching, that is to say
determining the pairs of points from the same
real points of the scene. Knowledge of disparity
between each pair of points and the characteristics of the
optical system of shooting allow the calculation of
three-dimensional coordinates of objects.
Pour les capteurs passifs, la complexité du traitement des images nécessite des moyens de calculs informatiques considérables (ordinateur à architecture paralléle, cartes spécialisées dans le traitement d'images...). Ils ont de plus un champ de vision réduit puisque seulement une partie de la scène est commune sur les rétines électroniques des caméras.For passive sensors, the complexity of image processing requires considerable computing resources (computer with parallel architecture, cards specialized in image processing, etc.). They also have a reduced field of vision since only part of the scene is common on the cameras' electronic retinas.
Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. I1 comporte selon une première caractéristique d'un balayage mécanique sur 2 axes assuré par 2 moteurs pas à pas de précision. Un premier moteur pas à pas fixé à un large boîtier cylindrique supporte et entrain en rotation un deuxième moteur pas à pas par l'intermédiaire d'une équerre en aluminium. Ce deuxième moteur est accouplé à un boitier cylindrique de faibles dimensions, lequel contient un dispositif opto-électronique. Ce dispositif constitué d'une lentille, d'un diaphragme et d'une photodiode munie d'un sténopé permet une mesure ponctuelle d'éclairement
Le plus petit boîtier est excentré de l'axe de rotation du premier moteur pas à pas, de plus les axes entre ces 2 moteurs forme un angle droit.La structure de la présente invention permet la saisie de 2 images de 2 points de vues différents à l'aide d'une seule photodiode. De plus les images saisies peuvent couvrir des angles de champ de 3600 verticalement et horizontalement.The device according to the invention overcomes these drawbacks. According to a first characteristic, it comprises a mechanical scanning on 2 axes provided by 2 precision stepping motors. A first stepper motor fixed to a large cylindrical housing supports and drives in rotation a second stepper motor via an aluminum bracket. This second motor is coupled to a cylindrical housing of small dimensions, which contains an opto-electronic device. This device consisting of a lens, a diaphragm and a photodiode provided with a pinhole camera allows a point measurement of illumination
The smallest box is offset from the axis of rotation of the first stepper motor, moreover the axes between these 2 motors form a right angle. The structure of the present invention allows the capture of 2 images from 2 different points of view. using a single photodiode. In addition, the captured images can cover field angles of 3600 vertically and horizontally.
Selon une deuxième caractéristique, l'angle (infime) de la scène pris en compte par la photodiode de mesure est égal à l'angle compris entre 2 pas consécutifs d'un moteur pas à pas. Cette caractéristique fondamentale de la présente invention permet de restituer fidèlement une scène à partir de multiples mesures ponctuelles d'intensité lumineuse. According to a second characteristic, the (minute) angle of the scene taken into account by the measurement photodiode is equal to the angle between 2 consecutive steps of a stepping motor. This fundamental characteristic of the present invention makes it possible to faithfully reproduce a scene from multiple point measurements of light intensity.
Cete structure permet aussi une simplification des moyens de calculs à mettre en oeuvre pour l'élaboration de la stéréovision. En effet, puisque les points à apparier pour reconstituer le relief d'une scène se situent sur les mêmes lignes horizontales dans chacune des 2 images. Par exemple les points de la ligne n04 de la première image correspondent uniquement à des points de la ligne n04 de la seconde image.This structure also allows a simplification of the calculation means to be used for the development of stereovision. Indeed, since the points to be paired to reconstruct the relief of a scene are located on the same horizontal lines in each of the 2 images. For example, the points of line n04 of the first image correspond only to points of line n04 of the second image.
Ceci est valable pour chaque paire de lignes horizontales.This is valid for each pair of horizontal lines.
Selon une troisième revendication, la présente invention posséde un ensemble optique à mise au point fixe. Une lentille de focale réduite et un diaphragme de faible ouverture confére à l'image une très grande profondeur de champ. According to a third claim, the present invention has an optical assembly with fixed focus. A reduced focal lens and a small aperture diaphragm give the image a very large depth of field.
Selon une quatrième, cinquième et sixième revendication, une photodiode à boîtier métallique cylindrique et à fenêtre plate incorporant un filtre de correction couleur, reçoit un flux lumineux à mesurer à travers un sténopé. Ce dispositif opto-électronique de mesure d'éclairement posséde une deuxième photodiode de mêmes caractéristiques que la photodiode précédente, mais ne recevant aucun rayonnement lumineux. De plus les photodiodes fonctionnent en mode photovoltaique, sans source de polarisation externe. Une caractéristique importante de ce mode de fonctionnement est une réduction accrue du bruit de SCHOTTKY (fluctuation aléatoire de courant) et ainsi la possibilité de mesurer de très faibles flux lumineux. Enfin chaque photodiode est connectée à un convertisseur courant-tension, constitué d'un amplificateur opérationnel de précision à entrée FET (Field Effect Transistor) et d'une résistance de très forte valeur ohmique. Après une réduction de bande passante par des filtres passent bas passifs, la différence de potentiel est amplifiée des centaines de fois par un amplificateur d'instrumentation de haute précision. Pour éliminer les interférences électromagnétiques et le couplage avec le réseau électrique (50 Hz), une mince feuille conductrice entoure de toute part le boîtier contenant les 2 photodiodes et le circuit d'amplification. According to a fourth, fifth and sixth claim, a photodiode with a cylindrical metal case and a flat window incorporating a color correction filter receives a light flux to be measured through a pinhole camera. This opto-electronic device for measuring illumination has a second photodiode with the same characteristics as the previous photodiode, but receiving no light radiation. In addition, the photodiodes operate in photovoltaic mode, without an external polarization source. An important feature of this operating mode is an increased reduction in SCHOTTKY noise (random current fluctuation) and thus the possibility of measuring very low luminous fluxes. Finally, each photodiode is connected to a current-voltage converter, consisting of a precision operational amplifier with FET (Field Effect Transistor) input and a resistor of very high ohmic value. After a bandwidth reduction by passive low pass filters, the potential difference is amplified hundreds of times by a high precision instrumentation amplifier. To eliminate electromagnetic interference and coupling with the electrical network (50 Hz), a thin conductive sheet surrounds the housing containing the 2 photodiodes and the amplification circuit on all sides.
Les figures annexées illustrant l'invention sont les suivantes:
LA FIGURE 1 représente le dispositif selon l'invention en
vue de face. The attached figures illustrating the invention are as follows:
FIGURE 1 shows the device according to the invention in
front view.
LA FIGURE 2 représente le dispositif selon l'invention en
vue de gauche.FIGURE 2 shows the device according to the invention in
left view.
LA FIGURE 3 représente en coupe le boîtier contenant le
dispositif opto-électronique de mesure ainsi
que son ensemble d'amplification.FIGURE 3 shows in section the box containing the
opto-electronic measuring device as well
as its amplification package.
LE SCHEMA 4 représente l'amplificateur du dispositif opto
électronique.DIAGRAM 4 represents the amplifier of the opto device
electronic.
LA FIGURE 5 représente les conditions fonctionnelles à
respecter pour reconstruire une image à partir
de mesures ponctuelles d'éclairement.FIGURE 5 shows the functional conditions at
respect to reconstruct an image from
occasional lighting measurements.
En introduction et en référence aux figures 1, 2 et 3 le dispositif selon 1 invention est composé de 2 éléments essentiels. D'une part d'une photodiode (17) logée dans le boîtier (13), celle-ci assure une mesure ponctuelle de flux lumineux. D'autre part d'un balayage mécanique sur 2 axes, assurant une description en lignes et colonnes de la scène prise en compte par la photodiode (17). Ce balayage est assuré par 2 moteurs pas à pas (2) et (5) de précision (800 pas par tour) sur un champ de vision pouvant atteindre 360" verticalement et horizontalement. In introduction and with reference to Figures 1, 2 and 3 the device according to 1 invention is composed of 2 essential elements. On the one hand, a photodiode (17) housed in the housing (13), this provides a point measurement of light flux. On the other hand, a mechanical scan on 2 axes, ensuring a description in rows and columns of the scene taken into account by the photodiode (17). This scanning is ensured by 2 stepping motors (2) and (5) of precision (800 steps per revolution) on a field of vision which can reach 360 "vertically and horizontally.
En référence aux figures 1 et 2, le dispositif comporte un grand boitier cylindrique (1) servant de bâti au systéme, ainsi que de logement aux cartes électroniques de celui-ci. Referring to Figures 1 and 2, the device comprises a large cylindrical housing (1) serving as a frame for the system, as well as housing the electronic cards thereof.
Sur sa partie supérieure est fixé le moteur pas à pas (2) de balayage en lignes (suivant l'axe Y) du boîtier (13) contenant le dispositif de mesure d'éclairement. Une roue barillet (3) en laiton est vissée d'une part sur l'axe du moteur pas à pas (2) et d'autre part sur une équerre (4) en aluminium. Cet ensemble soutient un second moteur pas à pas (5) assurant un balayage en colonnes (suivant l'axe X) du boîtier (13). L'angle formé par ces 2 axes moteurs est de 90 , de même l'excentrage du moteur pas à pas (5) par rapport à l'axe Y permet la saisie d'un couple d'images de 2 points de vue différents.L'écartement entre chaque image est de 200 millimètres et assure ainsi un compromis entre la précision des calculs de distances (plus l'écart est grand et plus les calculs sont précis) et la rapidité du balayage dû à l'inertie des masses en mouvement (plus l'écart est faible et plus le balayage peut être rapide). Une bague d'arrêt (6) en laiton fixé sur l'axe du moteur pas à pas (5) et sur l'équerre (7) en aluminium, accouple de manière rigide et sans frottements le boîtier (13) au moteur (5). On its upper part is fixed the stepping motor (2) for scanning in lines (along the Y axis) of the housing (13) containing the device for measuring illumination. A brass barrel wheel (3) is screwed on the one hand on the axis of the stepping motor (2) and on the other hand on an aluminum bracket (4). This assembly supports a second stepping motor (5) ensuring column sweeping (along the X axis) of the housing (13). The angle formed by these 2 motor axes is 90, so the eccentricity of the stepping motor (5) relative to the Y axis allows the capture of a couple of images from 2 different points of view. The spacing between each image is 200 millimeters and thus ensures a compromise between the precision of the distance calculations (the larger the gap and the more the calculations are precise) and the speed of the scanning due to the inertia of the moving masses. (the smaller the difference, the faster the scan can be). A brass stop ring (6) fixed on the axis of the stepping motor (5) and on the aluminum bracket (7), rigidly and frictionlessly couples the housing (13) to the motor (5 ).
Le boîtier cylindrique (13), opaque à la lumière est pourvu d'un couvercle (8) muni en son centre d'un dispositif optique à mise au point fixe constitué par une seule lentille (9) et un diaphragme (14) (visible sur la figure 3 uniquement). Les liaisons électriques (10) sont constituées par du câble en nappe souple (7 conducteurs) au pas de 2,54 millimètres et d'une liaison blindée de faible diamètre (3 millimètres).The cylindrical housing (13), opaque to light, is provided with a cover (8) provided in its center with an optical device with fixed focusing constituted by a single lens (9) and a diaphragm (14) (visible in Figure 3 only). The electrical connections (10) consist of flexible sheet cable (7 conductors) with a pitch of 2.54 millimeters and a shielded connection of small diameter (3 millimeters).
Ces liaisons (10) assure l'alimentation des bobinages du moteur pas à pas (5) (4 conducteurs), l'alimentation de l'amplificateur du dispositif de mesure d'éclairement (3 conducteurs), ainsi que la transmission du signal amplifié (fil blindé). Bien que chaque axe moteur puisse tourner sur 3600 (1 tour uniquement), les liaisons (10) ont des points d'ancrage constitués par des passes fils (11) et (12) placés de manière à minimiser les déformations de celles-ci et surtout à les répartir sur toutes leurs longueurs. De même, la position de leurs points d'ancrage ainsi que leurs formes en demi-cercle sont étudiées pour qu'elles ne touchent aucune partie mécanique, même pour une rotation compléte des moteurs pas à pas (2) et (5).These connections (10) supply the windings of the stepping motor (5) (4 conductors), supply the amplifier of the lighting measurement device (3 conductors), as well as the transmission of the amplified signal. (shielded wire). Although each motor axis can rotate on 3600 (1 turn only), the links (10) have anchor points formed by wire passes (11) and (12) placed so as to minimize their deformations and especially to distribute them over all their lengths. Similarly, the position of their anchor points as well as their semicircle shapes are studied so that they do not touch any mechanical part, even for a complete rotation of the stepper motors (2) and (5).
Le fonctionnement de la présente invention est le suivant: l'image d'une scène est reconstituée par un balayage en lignes et colonnes d'un dispositif de mesure. Chaque colonne est découpée en un certain nombre de pas et à chaque avance d'un pas du moteur (5), un ensemble opto-électronique effectue une mesure ponctuelle d'éclairement. Puis à la fin d'une colonne, le moteur pas à pas (2) de balayage en lignes avance d'un pas, le cycle recommence jusqu a avoir saisi tout l'espace désiré. De plus pour obtenir la seconde image d'un autre point de vue indispensable à une vision en relief, les 2 moteurs pas à pas (2) et (5) pivotent de 1800 (cet angle varie suivant les dimensions choisies pour les images) et le cycle décrit ci-dessus recommence. The operation of the present invention is as follows: the image of a scene is reconstructed by scanning in rows and columns of a measuring device. Each column is cut into a certain number of steps and at each advance of one step of the motor (5), an opto-electronic assembly performs a point measurement of illumination. Then at the end of a column, the stepping motor (2) for line scanning advances by one step, the cycle begins again until all the desired space has been entered. In addition to obtain the second image from another point of view essential for a relief vision, the 2 stepper motors (2) and (5) rotate by 1800 (this angle varies according to the dimensions chosen for the images) and the cycle described above begins again.
En remarque sur les figures 1 et 2
- Les éléments de fixations (vis, écrous, rondelles) ont
été omis pour une meilleure lisibilité des dessins,
toutefois leurs emplacements sont visualisés par des
traits pointillés de faible longueur.Note in Figures 1 and 2
- The fastening elements (screws, nuts, washers) have
been omitted for better readability of the drawings,
however their locations are visualized by
short dotted lines.
- Pour une plus grande compréhension les dessins montrent
le dispositif, où chaque axe mécanique des moteurs pas
à pas (2) et (5) a pivoté d'un angle égal à 900 par
rapport à leur position de repos (00). - For a better understanding the drawings show
the device, where each mechanical axis of the motors pitch
with steps (2) and (5) pivoted by an angle equal to 900 by
relative to their rest position (00).
En référence à la figure 3, le boîtier (13) contient un dispositif opto-électronique de mesure ponctuelle d' éclairement, composé principalement d'une photodiode (17). With reference to FIG. 3, the housing (13) contains an opto-electronic device for point-in-time illumination measurement, mainly composed of a photodiode (17).
Ce boîtier (13) est surmonté d'un couvercle (8), sur celuici est fixé une lentille convexe (9) de faibles dimensions et de distance focale 35 millimètres. Elle est associée à un diaphragme (14) d'ouverture f/ll maintenu par collage à celle-ci. Cet ensemble constitue un dispositif optique à mise au point fixe, formant une image nette au niveau du sténopé (18) pour des objets situés de 20 centimètres à l'infini. Le diaphragme (14) de faible ouverture ainsi que la courte focale de la lentille (9) permettent une grande profondeur de champ à l'image. En concordance avec l'axe optique, est positionné la photodiode (17) de mesure, à boîtier cylindrique métallique. De même un élément simple mais indispensable à la mesure ponctuelle d'éclairement est constitué par un sténopé (18).Ce sténopé est un trou de très faible diamètre (0,3 millimètre) percé au centre d'une plaque métallique (épaisseur 0,1 millimètre) et situé à la distance focale de la lentille (9). Le diamètre du sténopé (18) est calculé pour que la mesure d'éclairement s'effectue sur un angle très faible et égal à un pas des moteurs (2) ou (5) ,c'est à dire 0,450 (360 /800 pas). La présence d'une deuxième photodiode (15) ne recevant aucun rayonnement lumineux permet une mesure différentielle pour s'affranchir d'éventuelles variations de températures et de tensions d'alimentations. Du ruban adhésif (16) opaque à la lumière recouvre complètement le dessus de la photodiode (15) et permet la fixation et le positionnement du sténopé (18) sur la fenêtre transparente de la photodiode (17).Les deux photodiodes (15) et (17) sont maintenues en place par un ajustement serré entre leurs boîtiers et un profilé (20) en aluminium de faible épaisseur (1,2 millimètre). La mesure ponctuelle d'éclairement effectué par la photodiode (17) est amplifiée par un dispositif électronique (19). L'ensemble (19) est constitué d'amplificateurs opérationnels en circuit intégré et de quelques éléments passifs (résistances et condensateurs). Le circuit électronique (19) se situe le plus près possible des photodiodes (15) et (17) pour limiter la longueur de leurs liaisons électriques. Un élément primordial au bon fonctionnement de l'ensemble est un blindage électrique. Il est constitué d'une mince feuille (26) d'aluminium entourant complétement le boîtier (13), ainsi que les rebords du couvercle (8). Ce blindage atténue considérablement les bruits d'origines radio-électriques et le couplage avec le réseau électrique (50 Hz) compte tenu de la très faible puissance du signal recueilli par la photodiode (17). Le blindage (26) est au potentiel OV par l'intermédiaire des boîtiers métalliques des photodiodes (15) et (17) (leurs cathodes sont reliées à la masse), en contact avec le support (20) en aluminium. Puis par l'intermédiaire de la rondelle conductrice (22), elle même en liaison avec le fond du boîtier recouvert de la feuille de blindage (26) en aluminium. Cette feuille (26) étant réfléchissante et pour éviter les réflexions lumineuses parasites à l'intérieur du boîtier (13) susceptibles de modifier les mesures, elle est recouverte de papier noir mat (27) à l'exception du fond du boîtier (13).La tige filetée (24), la rondelle (25) et 1' écrou (23) assure simultanément le maintien du support (7) et de l'équerre (20) avec le boîtier (13).This housing (13) is surmounted by a cover (8), on this is fixed a convex lens (9) of small dimensions and focal length 35 millimeters. It is associated with a diaphragm (14) of opening f / ll maintained by bonding thereto. This assembly constitutes an optical device with fixed focus, forming a sharp image at the pinhole (18) for objects located from 20 centimeters to infinity. The diaphragm (14) of small aperture as well as the short focal length of the lens (9) allow a large depth of field in the image. In accordance with the optical axis, the measuring photodiode (17) is positioned, with a metallic cylindrical housing. Likewise, a simple element which is essential for the point measurement of lighting is made up of a pinhole (18) .This pinhole is a very small diameter hole (0.3 millimeter) drilled in the center of a metal plate (thickness 0, 1 millimeter) and located at the focal distance of the lens (9). The pinhole diameter (18) is calculated so that the illumination measurement takes place over a very small angle equal to one step of the motors (2) or (5), i.e. 0.450 (360/800 steps ). The presence of a second photodiode (15) receiving no light radiation allows a differential measurement to overcome any variations in temperature and supply voltages. Light-opaque adhesive tape (16) completely covers the top of the photodiode (15) and allows the pinhole (18) to be fixed and positioned on the transparent window of the photodiode (17) .The two photodiodes (15) and (17) are held in place by a tight fit between their housings and a profile (20) of thin aluminum (1.2 mm). The point measurement of illumination carried out by the photodiode (17) is amplified by an electronic device (19). The assembly (19) consists of operational amplifiers in integrated circuit and of some passive elements (resistors and capacitors). The electronic circuit (19) is located as close as possible to the photodiodes (15) and (17) to limit the length of their electrical connections. An essential element for the proper functioning of the assembly is an electrical shielding. It consists of a thin sheet of aluminum (26) completely surrounding the housing (13), as well as the edges of the cover (8). This shielding considerably attenuates the noises of radioelectric origins and the coupling with the electrical network (50 Hz) taking into account the very weak power of the signal collected by the photodiode (17). The shield (26) is at OV potential via the metal boxes of the photodiodes (15) and (17) (their cathodes are connected to ground), in contact with the support (20) made of aluminum. Then via the conductive washer (22), itself in connection with the bottom of the housing covered with the aluminum shielding sheet (26). This sheet (26) being reflective and in order to avoid parasitic light reflections inside the case (13) liable to modify the measurements, it is covered with black mat paper (27) except for the bottom of the case (13) .The threaded rod (24), the washer (25) and one nut (23) simultaneously maintains the support (7) and the bracket (20) with the housing (13).
En référence à la figure 4, les éléments constitutifs essentiels de l'amplificateur sont:
- 2 PHOTODIODES BPW21 (15) et (17) au silicium de
sensibilité 7 nA par lux, en boîtier métallique (cathode
au boîtier) à fenêtre plate incorporant un filtre de
correction couleur (spectre visible).Referring to Figure 4, the essential building blocks of the amplifier are:
- 2 BPW21 PHOTODIODES (15) and (17) with silicon
sensitivity 7 nA per lux, in metal case (cathode
housing) with flat window incorporating a filter
color correction (visible spectrum).
- 2 AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS AD795JN (28) et (30) de
précision à entrée FET spécifiquement conçu pour la
préamplification de photodiodes et la conversion
courant-tension.- 2 AD795JN OPERATIONAL AMPLIFIERS (28) and (30)
precision with FET input specifically designed for
photodiodes preamplification and conversion
current-voltage.
- 1 AMPLIFICATEUR D'INSTRUMENTATION AMP02FP (32) de haute
précision ayant un gain en tension réglable de 1 à 10000
par l'adjonction d'une simple résistance.- 1 AMP02FP INSTRUMENT AMPLIFIER (32) high
precision with adjustable voltage gain from 1 to 10,000
by adding a simple resistance.
La photodiode (17) reçoit un flux lumineux à mesurer à travers un sténopé (18) et le transforme en un courant proportionnel à l'éclairement reçu sur sa surface sensible. The photodiode (17) receives a light flux to be measured through a pinhole camera (18) and transforms it into a current proportional to the illumination received on its sensitive surface.
Les montages électroniques constitués par les amplificateurs opérationnels (28) et (30) et des résistances de 10 Mohms permettent le fonctionnement des photodiodes (15) et (17) en mode photovoltaique. Aucune source de polarisation externe n'est associé à ces photodiodes qui deviennent alors des générateurs de courant. Une caractéristique essentielle de ce mode de fonctionnement pour la présente invention est l'absence de courant d'obscurité. Il en résulte alors une forte diminution du bruit de SCHOTTKY (fluctuation aléatoire de courant) et donc la possibilité de mesurer de très faibles valeurs d'éclairement.Compte tenu du courant de mesure (dizaines de pA) mis en jeu par la photodiode (17), les amplificateurs opérationnels (28) et (30) ont été choisis pour leurs très faibles valeurs de courant d'entrée (1 pA typique), de bruit et de tension d'offset (100 pV typique). The electronic assemblies constituted by the operational amplifiers (28) and (30) and resistances of 10 Mohms allow the operation of the photodiodes (15) and (17) in photovoltaic mode. No external bias source is associated with these photodiodes which then become current generators. An essential characteristic of this operating mode for the present invention is the absence of dark current. This results in a large reduction in SCHOTTKY noise (random current fluctuation) and therefore the possibility of measuring very low lighting values. Taking into account the measurement current (tens of pA) brought into play by the photodiode (17 ), the operational amplifiers (28) and (30) were chosen for their very low values of input current (1 pA typical), noise and offset voltage (100 pV typical).
La présence d'une deuxième photodiode (15) ne recevant aucun éclairement et de son préamplificateur (30), permettent une mesure différentielle pour s'affranchir des variations de températures ainsi que des tensions d'alimentation, et pour compenser les tensions d'offset. En sortie des amplificateurs opérationnels (28) et (30) des filtres passent bas passifs (29) et (31) de fréquence de coupure 150 Hz réduisent la bande passante du signal préamplifié. Ils attenuent les bruits électriques indésirables générés par les composants électroniques. Puis la différence de potentiel est fortement amplifiée par un amplificateur d'instrumentation (32) de haute précision, ayant un gain en tension fixé à 500 par une résistance de 100 ohms.Compte tenu des faibles tensions (quelques mV) issues des amplificateurs opérationnels (28) et (30), l'amplificateur d'instrumentation (32) posséde un taux de réjection de mode commun élevé (115 dB typique) ainsi qu'une faible tension d'offset (40 MV typique) et une excellente linéarité (0,006 %). Un blindage (26) constitué d'une feuille d'aluminium isole les composants électroniques de toutes les interférences électromagnétiques susceptibles de noyer le signal recueilli par la photodiode (17). En sorti de l'amplificateur d'instrumentation (32), le signal amplifié est envoyé au boîtier (1) (voir figures 1 et 2) via une liaison blindée (10) à un convertisseur analogique-numérique pour y être numérisé. Ce convertisseur sur 8 bits permet la différenciation de 256 niveaux de gris.Un calculateur (externe à la présente invention) basé sur un microprocesseur 68000 recueille les images sous formes de matrices où chaque intensité lumineuse est représentée par un nombre de O à 255.The presence of a second photodiode (15) receiving no illumination and its preamplifier (30), allow a differential measurement to overcome temperature variations as well as supply voltages, and to compensate for offset voltages . At the output of the operational amplifiers (28) and (30) filters pass passive low (29) and (31) cutoff frequency 150 Hz reduce the bandwidth of the preamplified signal. They reduce unwanted electrical noise generated by electronic components. Then the potential difference is greatly amplified by a high precision instrumentation amplifier (32), having a voltage gain fixed at 500 by a resistance of 100 ohms. Taking into account the low voltages (a few mV) coming from the operational amplifiers ( 28) and (30), the instrumentation amplifier (32) has a high common mode rejection rate (115 dB typical) as well as a low offset voltage (40 MV typical) and excellent linearity (0.006 %). A shield (26) made of aluminum foil isolates the electronic components from all electromagnetic interference capable of drowning the signal collected by the photodiode (17). On leaving the instrumentation amplifier (32), the amplified signal is sent to the housing (1) (see FIGS. 1 and 2) via a shielded link (10) to an analog-digital converter to be digitized there. This 8-bit converter allows the differentiation of 256 gray levels. A computer (external to the present invention) based on a 68000 microprocessor collects images in the form of matrices where each light intensity is represented by a number from O to 255.
Le calculateur traite les images (lissage, détection de contours...) pour extraire les coordonnées tridimensionnelles des objets d'une scène.The computer processes the images (smoothing, edge detection, etc.) to extract the three-dimensional coordinates of the objects in a scene.
La figure 5 représente les conditions fonctionnelles à respecter pour saisir fidèlement une image d'une scène à partir de mesures ponctuelles d'éclairement. Sur cette figure la valeur des angles , et la largeur L ont été très exagérées pour une meilleure lisibilité. Ce dessin représente sur un seul plan 2 mesures ponctuelles d'éclairement prises pour 2 pas consécutifs du moteur (5). t correspond à l'angle pris en compte pour la mesure d'éclairement, il est lié à la distance entre la lentille (9) et la surface sensible de la photodiode (17) (voir figure 3) ainsi qu'à la largeur utile
L de sa surface sensible. La largeur L correspond au diamètre du sténopé (18) soit 0,3 millimètre.Par contre l'angle q compris entre 2 pas consécutifs est lié au nombre de pas des moteurs, ainsi pour 800 pas par tour i=(360 /800)=0,45 . Une des conditions importantes est de respecter l'égalité entre l'angle e et pour restituer fidèlement une scène. Ainsi comme on peut le constater sur le dessin de la figure 5, il n'y a pas de chevauchement ou d'écart entre chaque mesure ponctuelle d'éclairement. La présence d'une zone de largeur constante (en hachurée) non prise en compte par la photodiode (17) est négligeable, puisque égale en largeur à L soit 0,3 millimètre.De plus l'égalité = permet le calcul du sténopé (18) (voir figure 3) à installer sur la surface sensible de la photodiode (17) par la formule suivante: L=2.DF.tan(/2) avec: DF=distance focale=35 millimètres
Angle entre 2 pas=0.45" on obtient: L=0,3 millimètre
L'angle pris en compte par la photodiode (17) est de 0,45 , ce qui justifie le terme de mesure ponctuelle d'éclairement.FIG. 5 represents the functional conditions to be respected in order to faithfully capture an image of a scene from point measurements of illumination. In this figure the value of the angles, and the width L have been very exaggerated for better readability. This drawing represents on a single plane 2 punctual lighting measurements taken for 2 consecutive steps of the engine (5). t corresponds to the angle taken into account for the illumination measurement, it is related to the distance between the lens (9) and the sensitive surface of the photodiode (17) (see FIG. 3) as well as to the useful width
L of its sensitive surface. The width L corresponds to the pinhole diameter (18) or 0.3 millimeter. On the other hand, the angle q comprised between 2 consecutive steps is linked to the number of steps of the motors, thus for 800 steps per revolution i = (360/800) = 0.45. One of the important conditions is to respect the equality between the angle e and to faithfully reproduce a scene. Thus, as can be seen in the drawing in FIG. 5, there is no overlap or difference between each point measurement of illumination. The presence of an area of constant width (hatched) not taken into account by the photodiode (17) is negligible, since it is equal in width to L or 0.3 millimeters. In addition, equality = allows the pinhole calculation ( 18) (see figure 3) to be installed on the sensitive surface of the photodiode (17) by the following formula: L = 2.DF.tan (/ 2) with: DF = focal distance = 35 millimeters
Angle between 2 steps = 0.45 "we get: L = 0.3 millimeter
The angle taken into account by the photodiode (17) is 0.45, which justifies the term of point measurement of illumination.
La deuxième condition à respecter en étroite liaison avec la première, est liée à la position des axes de rotation des moteurs (2) et (5) par rapport au sténopé (18). Ainsi les axes de rotation doivent se situer sur la droite n pour que la première condition soit vérifiée pour chacun des moteurs pas à pas (2) et (5).Sur la présente invention, en s'aidant des figures 1, 2 et 3, l'axe de rotation du moteur (5) se situe exactement en coïncidence avec le sténopé (18). Par contre le moteur (2) a son axe de rotation excentrer de 100 millimètres du centre du sténopé (18).The second condition to be observed in close connection with the first, is related to the position of the axes of rotation of the motors (2) and (5) relative to the pinhole (18). Thus the axes of rotation must be located on the right n so that the first condition is verified for each of the stepping motors (2) and (5). On the present invention, with the aid of FIGS. 1, 2 and 3 , the axis of rotation of the motor (5) is located exactly in coincidence with the pinhole (18). On the other hand, the motor (2) has its axis of rotation offset by 100 millimeters from the center of the pinhole (18).
Le dispositif selon l'invention peut être destiné à 1' inspection automatique et l'identification de formes en 3 dimensions. The device according to the invention can be intended for automatic inspection and identification of 3-dimensional shapes.
Claims (6)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR9511541A FR2739196B1 (en) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | THREE-DIMENSIONAL 360 DEGREE SENSOR WITH PUNCTUAL ILLUMINATION MEASUREMENTS |
Applications Claiming Priority (1)
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR2587479A1 (en) * | 1985-09-17 | 1987-03-20 | France Etat Armement | Method and passive optoelectronic telemeters for measuring the distance of a distant object |
EP0379425A1 (en) * | 1989-01-18 | 1990-07-25 | SAT Société Anonyme de Télécommunications | System for determining the position of at least one target by means of triangulation |
GB2257250A (en) * | 1991-06-29 | 1993-01-06 | Camera Alive Limited | Photogrammetric system using one or more digital electronic still cameras |
-
1995
- 1995-09-26 FR FR9511541A patent/FR2739196B1/en not_active Expired - Fee Related
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GB2257250A (en) * | 1991-06-29 | 1993-01-06 | Camera Alive Limited | Photogrammetric system using one or more digital electronic still cameras |
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Publication number | Publication date |
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FR2739196B1 (en) | 1997-11-07 |
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