FR2548796A1 - Dispositif optique pour determiner la position et la forme de la surface d'un objet - Google Patents

Abstract

CE DISPOSITIF COMPORTE UN GENERATEUR LASER 1, DES MOYENS 11 POUR FAIRE VARIER LA LONGUEUR D'ONDE DU RAYONNEMENT DU GENERATEUR LASER SUIVANT UNE RAMPE CROISSANTE, UN SYSTEME OPTIQUE 8 POUR CONCENTRER LE RAYONNEMENT A PROXIMITE DE L'OBJET, UN RECEPTEUR 16 DISPOSE POUR RECEVOIR UN SIGNAL LUMINEUX RENVOYE PAR L'OBJET 10 ET REFLECHI SUR UNE LAME OPTIQUE 6, ET UN CIRCUIT DE TRAITEMENT 17 APTE A MESURER LE TEMPS COMPRIS ENTRE LE DEBUT DE LA VARIATION DE LONGUEUR D'ONDE ET L'INSTANT DE RECEPTION DU SIGNAL LUMINEUX PAR LE RECEPTEUR. APPLICATION A LA ROBOTIQUE.

Description

Dispositif optique pour déterminer la position d'un objet

La présente invention concerne un dispositif optique pour déterminer la position d'un objet.

On connaît un dispositif optique pour déterminer la position d'un objet, du type comportant un générateur d'un rayonnement laser, un système optique convergent d'émission disposé à la sortie du générateur pour diriger le rayonnement du générateur vers l'objet suivant au moins un axe, un récepteur photoélectrique sensible au rayonnement laser, un système optique de réception pour diriger vers le récepteur une partie du rayonnement laser diffusée par l'objet

et un circuit de traitement relié à la sortie électrique du récepteur.

Un dispositif de ce type est décrit dans la demande de brevet 15 français publiée sous le numéro 2508160 le 24 12 1982 Dans ce dispositif, le récepteur est disposé suivant un axe moyen de réception coupant l'axe du système optique d'émission au voisinage de l'emplacement de l'objet dont la position est à déterminer Le réceepteur comporte au moins deux détecteurs photoélectriques de misure qui délivrent des signaux 20 électriques lorsque l'objet se rapproohe du dispositif Le dispositif comporte en outre un détecteur photoeéleetrique de uontr 3 le orienté vers l'objet Le circuit de traitement comporte un circuit logique capable, à partir des signaux délivrés par les détecteurs de mesure, de désigner un de ceux-ci pour effectuer la mesure Le circuit de traitement comporte de 25 plus un circuit diviseur apte à déterminer le rapport entre l'amplitude

du signal électrique délivré par le détecteur de mesure désigné et l'amplitude du signal électrique délivré par le détecteur de contr 8 le Le circuit de traitement eomporte enfin un circuit de caleul capable de déterminer à partir du rapport mesuré la distance entre l'objet et le J O dispositif.

Le dispositif décrit ci-dessus présente deux inconvénients.

Il est relativement complexe De plus, il est difficile de l'adapter à la détermination d'une pluralité de points de l'objet, c'est-àdire à la reconnaissance de la forme de la surface de l'objet.

La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients.

-2 Elle a pour objet un dispositif optique pour déterminer la position d'un objet, du type spécifié plus haut, caractérisé en ce que le générateur comporte un émetteur laser à fréquence de rayonnement commandable, le dispositif comporte en outre des moyens pour faire varier la fréquence du rayonnement de l'émetteur laser en fonction du temps suivant une loi prédéterminée, ledit système optique d'émission étant chromatique, ce système optique d'émission étant capable de focaliser le rayonnement du laser dans un volume de concentration situé sur l'axe, 10 ladite loi étant prédéterminée de manière à déplacer en fonction du temps le volume de concentration le long dudit axe vers l'objet, la surface de l'objet renvoyant vers le système optique de réception un signal lumineux lorsque le volume de concentration rencontre cette surface, le récepteurdélivrant un signal électrique lorsqu'il -reçoit le signal 15 lumineux et que le circuit de traitement est relié auxdits moyens pour faire varier la fréquence du rayonnement de l'émetteur laser et comporte une horloge pour mesurer l'intervalle de temps compris entre le début de la variation de fréquence et ltinstant o le reécepteur délivre le signal 20 électrique, cet intervalle de temps étant représentatif de la position

dudit volume de concentration au moment o la surface de l'objet intercepte ce volume.

Plusieurs formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en réfé25 rence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les figures 2 A, 2 B et 2 C sont des diagrammes illustrant le fonctionnement du dispositif représenté sur la-figure 1 et la figure 3 représente schématiquement et partiellement un autre

mode de réalisation du dispositif selon l'invention.

Sur la figure 1 est représenté un émetteur laser 1 à fréquence de rayonnement commandable, du type de celui décrit dans l'article "High speed direct single-frequency modulation with large tuning rate and fre35 quency excursion in cleaved-coupled-cavity semiconductor lasers" (W T. -3 Tsang et al), extrait de la revue des Etats Unis d'Amérique "Applied Physies Letters" volume 42, N O 8, 15 avril 1983, pages 650 à 652 L'émetteur laser 1 est un composant semi-conducteur à contr 8 le électronique de fréquence; il comprend deux diodes couplées 2 et 3 jouant respecti5 vement les rtles de laser proprement dit et de modulateur Le faisceau laser émis par l'émetteur laser 1 est d'abord canalisé dans un guide d'onde 4 suivant un axe 5, puis traverse une lame optique 6 partiellement réfléchissante, inclinée à 45 degrés sur l'axe 5 L'énergie laser ayant traversé la lame 6 est canalisée suivant l'axe 5 dans un autre 10 guide d'onde 7 avant d'être reçue sur un système optique convergent d'émission 8 qui la concentre en un point 9 disposé sur l'axe 59 à proximité d'un objet 10 dont la position est a déterminer Un circuit d'alimentation 11 comprend deux parties 12 et 13 reliées respectivement

aux diodes 2 et 3.

La lame 6 est située dans un plan de bout par rapport au plan de la figure 1, de manière à pouvoir renvoyer, suivant un axe 14 situé dans le plan de la figure 1, l'énergie laser se propageant suivant l'axe 5 et provenant de l'objet 10 Cette énergie est canalisée dans un guide d'onde 15 suivant l'axe 14 vers la surface sensible d'un récepteur pho20 toélectrique 16 la sortie électrique du récepteur 16 ainsi que la

partie 13 du circuit 11 sont reliées à un circuit de traitement 17.

Le dispositif décrit ci-dessus et représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante.

La partie 12 du circuit d'alimentation 11 fournit à la diode 2 un 25 courant constant, tandis que la partie 13 du circuit 11 fournit à la diode 3 (qui joue le rôle de modulateur) une suite relaxée de rampes de

courant linéaires croissantes.

La figure 2 A représente la variation en fonction du temps t de

l'intensité I fourni par le circuit 13 à la diode 3, ce courant I 30 variant entre les valeurs extrêmes I 1 et 12 dans chaque rampe.

On sait que, dans ces eonditions, la longueur d'onde L du rayonnement émis par le l'émetteur laser 1 varie proportionnellement au courant I entre les limites L 1 et L 2 eomme indiqué sur le diagramme de la figure 23, dans lequel le temps est porté en abscisse à la même échelle 35 que celle de la figure 2 A. Le système optique 8 est constitué par une lentille chromatique, par exemple en verre dont l'indice de réfraction varie en fonction de la longueur d'onde du rayonnement qui la traverse Le système optique 8 concentre le rayonnement de l'émetteur laser 1 en un point de concen5 tration 9 dont la position sur l'axe 5 varie en fonction de la longueur

d'onde, d'un point 18 situé entre la lentille 8 et le point 9 à un point 19 situé au delà de l'objet 10, le point 18 correspondant à la longueur d'onde minimale L 1 et le point 19 à la longueur d'onde maximale L 2.

Lorsque le courant I augmente de I 1 à I 2, le point de concentration de l'énergie laser se déplace sur l'axe 5 du point 18 vers l'objet 10 qu'il rencontre en un point 20 de sa surface A eet instant, l'énergie laser concentrée est diffusée par la surface de l'objet Une partie de cette énergie formant un signal lumineux traverse en sens 15 inverse le système optique 8 et le guide d'onde 7, puis est réfléchie suivant l'axe 14 par la lame partiellement réfléchissante 6 Après traversée du guide d'onde 15, le signal lumineux est reçu par le récepteur

photoélectrique 16 qui délivre en réponse un signal électrique.

La figure 2 C est un diagramme qui représente la variation de l'am20 plitude J du courant électrique délivré par le récepteur 16 en fonction du temps t, l'échelle des temps étant identique à celle des diagrammes 2 A et 2 B On voit sur le diagramme 2 C que le récepteur 16 délivre un signal

électrique 21 au temps to.

Le temps to correspond à l'instant o le point de concentration de 25 l'énergie laser arrive sur la surface de l'objet En se rapportant à la figure 2 B, on voit que l'instant t correspond à une longueur d'onde L o o

du rayonnement laser, comprise entre L 1 et L 2.

Or on sait que la distance D entre les points 18 et 19 est parcourue par le point de concentration en un temps qui est égal à la 30 durée T d'une rampe de courant Il en résulte que la distance X entre le point 18 et le point 20 (voir figure 1) est donnée par l'expression suivante: to

X = D

T Le circuit de traitement 17 eomporte une horloge capable de mesurer le temps to 0, et en déduit la valeur de X. La valeur de X est representative de la position du point 20 sur l'axe 5 par rapport au dispositif, puisque la distance du point 18 à la lentille 8 de ce dispositif est connue. Bien entendu, la m 3 sure qui vient d'étre décrite s'effeetue pour ehaque rampe de-eourant délivrée par le circuit 13 Lorsque l'objet 10 se déplace par rapport au dispositlif, par exemple en se rapproehant progressiverment du dispositif suivant l'axe 5, on obtient done en fone10 tion du temps une séq uenea d'informations représentatives de la position

de l 1 'objet 10 au eours de son déplaeement.

Dans certains eas> il est neécessaire d'obtenir des informations non seulement sur la position d'un point de la surface de l'objet, mais aussi sur la position de différents points r de reconnaitre la forme 15 de cette surface Pour eela on peut adjoindre au dispositif déerit cidessus un système 22 capable de commander une dviation systématique de l'axe 5 Ce système est disposé entre la lentille 8 et l'objet 10 de façon que l'axe dévié 23 balaie la surface de l'objet 10 Le système 22 peut comporter des miroirs dont l'orientation est eommandée par des 20 moteurs Un tel système peut par exemple provoquer un balayage par ligne

analogue à celui d'une eaméra de télévision.

Dans l'exemple deécrit ei-dessus, le circuit 13 provoque une modulation continue de fréuenee (ou de la longueur d'onde) du rayonnement émis par l'émetteur laser 1 Cette modulation peut aussi s'effeetuer par 25 impulsions, chaque ramie continue de ecurant illustrée par la figure 2 A se présentant alors sous la forme d'une suite discrète de points alignés, de manière à former une succession de points de concentration d'énergie

laser se rapproehant progressivement de la surface de l'objet.

l y a lieu de noter que les "points" de concentration sont en 30 réalité des petis volumes quasiment eylindriques centrés sur l'axe 5 La dimension axiale de ces volumes est égale à L

-2 A étant l'angle sous lequel on voit la lentille 8 du point 9.

A 2 A titre indicatif, le laser I émet à une longueur d'onde d'un micron, la lentille 8 ayant un diamètre de 3 em, et la distance du point 9 -6 à la lentille est égale au mètre Dans ces conditions, la dimension axiale du volume de concentration, qui est une mesure de la sensibilité du dispositif, est de l'ordre de 1 mm Si l'on admet qu'il est possible de faire varier la longueur d'onde du laser dans une plage de 0,015 5 micron, comme il est dit dans l'artiele américain eité, la distance entre

les points 18 et 19 (figure 1) est de l'ordre de dix centimètres.

Lorsque l'émetteur laser 1 émet une suite d'impulsions lumineuses de longueurs d'onde eroissantes, l'homme du métier peut avantageusement déterminer la cadence des impulsions de façon que les volumes de concen10 tration successifs obtenus soient juxtaposés sans présenter entre eux de

parties communes.

A titre indicatif, si on désire obtenir la forme d'un objet dont le volume est contenu à l'intérieur d'une sphère de 10 centimètres de diamètre, il est nécessaire, dans le cas de l'exemple numérique donné ci15 dessus, de prévoir une durée T des rampes de courant (voir figure 2 A) de l'ordre de 10 7 seconde pour reconnaître la forme de l'objet en une seconde, la puissance de l'émetteur laser étant d'environ 1 mw et la

fréquence du balayage étant de l'ordre de 1000 Hertz.

Il est possible de réaliser des systèmes électromécaniques eapa20 bles d'effectuer des balayages aussi rapides.

La figure 3 montre un autre dispositif selon l'invention capable de reconnaltre la forme d'un objet: ce dispositif présente l'avantage

de ne comporter que des éléments fixes.

Sur la figure 3 est visible un émetteur laser 24, du type à fré25 quence de rayonnement commandable, connecté à un circuit d'alimentation non représenté, analogue au circuit 11 de la figure 1 Un guide d'onde optique 35 est placé à la sortie de l'émetteur laser 24 Le faisceau divergent 25 du rayonnement sortant de l'extrémité libre du guide d'onde 35 est reçu par une lentille 26 à section rectangulaire pour 30 former un faisceau parallèle 27 Un système optique 28, constitué par un réseau rectangulaire de N lentilles convergentes identiques reçoit le faisceau 27 C'est ainsi que la portion 29 du faisceau 27 traverse la lentille 30 du réseau 28 pour être concentrée en un point 31 situé sur un axe 32 L'axe 32 coupe en un point 37 la surface d'un objet 39 dont la 35 position est à déterminer, le point 37 étant au delà du point 31 La -7

portion 33 du faisceau 27 traverse la lentille 34 pour être concentrée en un point 38 situé sur un axe 36, le point 38 étant juste à l'intersection de l'axe 36 avec l'objet 39.

Les lentilles constituant le système optique 28 sont ehromatiques.

Elles sont par exemple formées d'un verre dont l'indice de réfraction varie avee la longueur d'onde du rayonnement qui les traverse Lorsque la longueur d'onde de l'émetteur laser 1 erolt suivant la courbe 2 B, chaque point de concentration se déplace sur la surface de l'objet le long des axes tels que 32 et 36 Lorsque le point de concentration situé sur l'axe 10 36 atteint le point 38, la surface de l'objet renvoie un signal lumineux qui traverse en sens inverse la lentille 34 et se trouve renvoyé à angle droit par une lame semi réflécehisante 40 disposée entre la lentilie 26 et le réseau 28 Le faisceau renvoyé 44 est concentré par une autre lentille 41 sur un déteeteur 43 d'un récepteur photoélectrique 42 15 constitué par une mosaique de N détecteurs Chaque détecteur tel que 43 de la mosaique 42 est ainsi assoeié à une lentille telle que 34 du réseau

de lentilles 28.

Bien entendu les lentilles 26 et 41 sont aehromatiques; elles

sont par exemple eontituées d'un verre dont l'indice de réfraction ne 20 varie pas avec la longueur d'onde du rayonnement qui les traverse.

Le cireuit d'alimentation du générateur laser 24 et la sortie électrique du réseau de détecteurs 42 sont reliés à un circuit de traitement Ce eircuit caleule, pour chaque déteeteur de la mosaique 42, le temps eompris entre le début de la variation de fréquence du rayonnement 25 du générateur laser et l'instant o le détecteur délivre le signal électrique en réponse au signal lumineux qu'il reçoit Ces différents temps sont représentatifs de la distance entre le dispositif et différents points de la surface de l'objet 39 Un tel dispositif est capable de mesurer la position de 100 points de la surface d'un objet placé à une 30 distance de l'ordre de 30 centimètres Le dispositif illustré par la figure 3 présente l'avantange de pouvoir être réalisé par des méthodes

de fabrication collectives à un prix de revient relativement modéré.

Le dispositif selon la présente invention peut être appliqué notamment dans le domaine de la robotique. 35 -8

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Claims (6)

REVENDICATIONS

1/ Dispositif optique pour déterminer la position d'un objet, comportant un générateur d'un rayonnement laser, un système optique convergent d'émission disposé à la sortie du généra5 teur pour diriger le rayonnement du générateur vers l'objet suivant au moins un axe, un récepteur photoélectrique sensible au rayonnement laser, un système optique de réception pour diriger vers le récepteur une partie du rayonnement laser diffusée par l'objet et un circuit de traitement relié à la sortie électrique du récepteur, caractérisé sur ce que le générateur comporte un émetteur laser ( 1) à fréquence de rayonnement commandable, le dispositif comporte en outre des moyens ( 11) pour faire varier la 15 fréquence du rayonnement de l'émetteur laser en fonction du temps suivant une loi prédéterminée, ledit système optique d'émission ( 8) étant chromatique, ce système optique d'émission étant capable de focaliser le rayonnement du laser dans un volume de concentration ( 9) situé sur l'axe ( 5), ladite loi étant prédéterminée de manière à déplacer en fonction du 20 temps le volume de concentration le long dudit axe vers l'objet ( 10), la surface de l'objet renvoyant vers le système optique de réception ( 6) un signal lumineux lorsque le volume de concentration rencontre cette surface, le récepteur ( 16) délivrant un signal électrique lorsqu'il reçoit le signal lumineux et que le circuit de traitement ( 17) est relié auxdits moyens ( 11) pour faire varier la fréquence du rayonnement de l'émetteur laser et comporte une horloge pour mesurer l'intervalle de temps (to) compris entre le début de la variation de fréquence et l'instant o le récepteur délivre le signal électrique, cet intervalle de temps étant représentatif de la 30 position dudit volume de concentration au moment o la surface de l'objet

intercepte ce volume.

2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique de réception comporte une lame optique ( 6) partiellement réfléchissante inclinée sur ledit axe ( 5) et disposée entre le générateur ( 1) 35 -9 et le système optique d'émnission ( 8 > pou r renvoyer vers le réeepteur ( 16) le signal lumineux ayant traversé en sens inverse le système

optiaue d'émision.

3/ Dispositif selor la revendieation en ectpris 5 eo ce ique lesdits moyens ( 11) pour faire varier la frqegu ce du rayoeent aser du gnrateur en fonnetioi du temps permettent de faire crotre la lorgueur

d' onde di rayonnement iingairement en fonetion du temps.

4/ is;'ositif selon la re-vendication 1, earaet 4 risi en ee,ue lesdits moyens (t i 1) pour faire varier la frgquenee du ray Cnneen laser du gen 510 rateur;n fonetion du temps permettent de foraer unse su eession desdits voluames ce rapproehant de la surface de l'cbjet siavant ledit cx progresslvement en "nection du tseps 5 / isos l selon la rztndieaon 1, araetérils en e qu qi 1 eomporte, entre le systèma opptiq e sd 7 dissio et l Acbjet, des moye-s 1 eoommandables { 22) de déflexion dudit axe, relils audit circuit de trai ternent ( 17), ees moyens étant eapables ds provoque un balayage de la

surface de l'objet par ledit axe.

6/ Dispositif selon la revendieation 2, caractrisé ei ee quill eomporete entre le générateur et la lame optique, des royens optiqIus aehrona20 tiques ( 26) aptes à former un falseeau paralllle eapable de eouvrir une surface dudit objet, que ledit système optique -omprend un:-s,;au ( 28) de N lentilles eoavergentes capables de aonecanrer le ra aonc:ean du génerateur laser dans N volumes le long de N axes, et que le réeepteur eomprend une nmosaique ( 42) de N photoddteeteurs, ehaeun de esc photod, 25 teeteurs ( 43) étant assoeié à une lentille ( 34) du réseau, de sorte qu'un Photodéteeteur quelconque ( 43) reçoit apres riflexion sur la lame optique ( 40) le signal lumineux renvoyé par la portion ( 38) de la surface de l'objet ( 39) qui intercepte le volume de rayonnement eoneentré

par la lentille ( 34) associ 'e à ee photodéteetsur ( 43).

7/ Dispositif selon la revenarieation 1, earaeterise en ee que l'émetteur laser ( 1) est du type à semi-conducteur et à eontr 8 le dleetronique de fréquenee.