FR2739196A1 - Capteur tridimentsionnel sur 360 degres a mesures ponctuelles d'eclairement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif passif qui permet de saisir un couple d'images d'une scène de 2 points de vue différents, avec un champ de vision pouvant atteindre 360 deg. verticalement et horizontalement. Il se compose d'un boîtier (1) sur lequel est fixé un moteur pas à pas (2), celui-ci supporte et entraîne en rotation un deuxième moteur pas à pas (5) par l'intermédiaire d'une équerre (4). Ce balayage mécanique sur 2 axes assure une description en lignes et colonnes de la scène à une photodiode (17), située dans le boîtier (13). Un dispositif optique constitué d'une lentille (9), d'un diaphragme (14) et d'un sténopé (18) permet une mesure ponctuelle de flux lumineux par la photodiode (17). Le dispositif peut-être destiné à l'inspection automatique et l'identification de formes en 3 dimensions.

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.

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).

- 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ceci est valable pour chaque paire de lignes horizontales.

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.

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.

Les figures annexées illustrant l'invention sont les suivantes:
LA FIGURE 1 représente le dispositif selon l'invention en
vue de face.

LA FIGURE 2 représente le dispositif selon l'invention en
vue de gauche.

LA FIGURE 3 représente en coupe le boîtier contenant le
dispositif opto-électronique de mesure ainsi
que son ensemble d'amplification.

LE SCHEMA 4 représente l'amplificateur du dispositif opto
électronique.

LA FIGURE 5 représente les conditions fonctionnelles à
respecter pour reconstruire une image à partir
de mesures ponctuelles d'éclairement.

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.

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.

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).

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).

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).

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.

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.

- 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).

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).

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).

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).

- 2 AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS AD795JN (28) et (30) de
précision à entrée FET spécifiquement conçu pour la
préamplification de photodiodes et la conversion
courant-tension.

- 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.

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.

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).

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.

Le calculateur traite les images (lissage, détection de contours...) pour extraire les coordonnées tridimensionnelles des objets d'une scène.

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.

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).

Le dispositif selon l'invention peut être destiné à 1' inspection automatique et l'identification de formes en 3 dimensions.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1) Dispositif passif qui permet de saisir un couple d'images d'une scène de 2 points de vue différents et avec un champ de vision pouvant couvrir des angles de 3600 verticalement et horizontalement. Les images numériques obtenues subissent un traitement informatique (externe à la présente invention) pour reconstituer une vision en 3 dimensions d'objets. Ce dispositif est caractérisé par un balayage mécanique sur 2 axes assuré par 2 moteurs pas à pas (2) et (5) de précision. Ce balayage permet une description en lignes et colonnes de la scène à une photodiode (17) située à l'intérieur du boîtier (13). Le moteur pas à pas (2) fixé au boîtier (1) supporte et entraîne en rotation le deuxième moteur pas à pas (5) par l'intermédiaire d'une équerre (4).Le moteur pas à pas (5) est accouplé à un boîtier cylindrique (13) de faibles dimensions et son couvercle (8) par l'intermédiaire d'une équerre (7). Le boîtier (13) est excentré de l'axe du moteur (2), de plus les axes de ces 2 moteurs (2) et (5) forme un angle droit.

Un dispositif optique constitué d'une lentille (9), d'un diaphragme (14) et d'un sténopé (18) permet une mesure ponctuelle d'éclairement par la photodiode (17).

2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'angle de prise en compte du flux lumineux par la photodiode (17) est égal à l'angle compris entre 2 pas consécutifs des moteurs (2) et (5). Cet angle de mesure d'éclairement est ajusté par un sténopé (18), placé sur la fenêtre ou se situe la surface sensible de la photodiode (17).

3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un ensemble optique à mise au point fixe, constitué d'une lentille (9) à focale réduite et d'un diaphragme (14) de faible ouverture. Une image nette se forme exactement au niveau du sténopé (18) pour des objets situés de quelques dizaines de centimètres à l'infini. Le trou de très faible diamètre du sténopé (18) est situé à la distance focale de la lentille (9) et en coincidence avec son axe optique.

4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une photodiode (17) à fenêtre plate, boîtier métallique et incorporant un filtre de correction couleur, elle reçoit un flux lumineux à mesurer à travers l'orifice circulaire du sténopé (18). Une deuxième photodiode (15) de mêmes caractéristiques que la photodiode précédente (17) ne reçoit aucun rayonnement lumineux.

5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par un fonctionnement des photodiodes (15) et (17) en mode photovoltaique sans source de polarisation externe. Chacune est connectée à un convertisseur courant-tension, constitué d'un amplificateur opérationnel (28) et (30) de précision (à entrée FET) et d'une résistance de très forte valeur ohmique. Après une réduction de bande passante par des filtres passent bas passifs (29) et (31), la différence de potentiel est amplifiée fortement par un amplificateur d instrumentation (32) de haute précision.

6) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par un blindage électromagnétique relié au potentiel OV et constitué d'une mince feuille d'aluminium (26) qui entoure de toute part le boîtier (13) et les rebords du couvercle (8). Les boîtiers métalliques des photodiodes (15) et (17) sont reliés à la masse (OV) par l'intermédiaire de leurs cathodes.