WO2009092868A1 - Dispositif et procédé de mesure spatio-colorimétrique d'un objet tridimensionnel - Google Patents

Dispositif et procédé de mesure spatio-colorimétrique d'un objet tridimensionnel Download PDF

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twin
colorimetric
processing unit
light
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PCT/FR2008/000081
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Bernard Fillol
Philippe Gremillet
Jean-Marie Magain
Jean Tretout
Frédéric WEIMANN
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Ijina
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    • G01J3/513—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters having fixed filter-detector pairs

Definitions

  • the invention relates to a device and a non-invasive spatio-colorimetric measurement method of a three-dimensional object in low relief.
  • the present invention relates to the field of spatio-colorimetric diagnosis, also called field of colorimetric metrology.
  • the document No. WO 05/080929 0 has a device for measuring colorimetric characteristics of a tooth in a plurality of points and in two-dimensional space.
  • document No. WO 06/002703 discloses a device composed of several light-emitting diodes emitting light beams of different colors on an object. The light beams are then reflected by the object and then received by a detection system and a central image processing unit. Thus, each point of the image is analyzed so as to determine the spectrum consisting of different color levels corresponding to the different emission wavelengths of the light-emitting diodes. From these color levels, the central processing unit calculates, for each point of the analyzed surface, the corresponding colorimetric coordinates.
  • the device described in this document makes it possible to determine a two-dimensional colorimetric mapping of the analyzed object.
  • the combination of spatial and colorimetric measurements for three-dimensional objects has a wide field of application in the dental field, biometrics, industrial or artistic metrology, etc. More particularly, the fact of simultaneously measuring the spatial coordinates, according to the parameters of the space of the analyzed object, makes it possible to appreciably improve the quality of the results.
  • the value of the colorimetric coordinates depends directly on the position of the measured object vis-à-vis lighting means since the amount of light received by an object decreases proportionally to the square of the distance separating it from these means lighting.
  • the greater the angle defined between the normal to the analyzed object and the emitted light beam the more the quantity of light reflected, in the context of a diffuse reflection, decreases.
  • the approximations made by the devices of the state of the art generate significant errors which at least partially distort the quality of the colorimetric analysis carried out.
  • the present invention aims at overcoming the drawbacks of the state of the art mentioned above by proposing a device and a spatio-colorimetric measurement method of a three-dimensional object making it possible to model the bas-reliefs and the colorimetric coordinates of this object numerically. according to a multitude of points of analysis.
  • the invention also aims to propose a method for calculating the colorimetric mapping of a three-dimensional object taking into account the parameters of the measuring device.
  • the measuring device proposes to combine lighting means with monochromatic detection means, of which at least two twin detection means sensitive to substantially identical wavelength of light wavelength ranges. to determine, by stereoscopic effect, the low relief of the analyzed object.
  • the subject of the invention is a device for the spatio-colorimetric measurements of a three-dimensional object comprising a detection head constituted by means for illuminating the object and at least four means of detecting the light reflected by the object, the device further comprising a data processing unit received by the detection means, wherein at least two twin detection means are sensitive to substantially identical wavelength ranges of light.
  • the use of at least two twin detection means sensitive to substantially identical wavelength ranges of light makes it possible to calculate, by stereoscopy, the distance of the points analyzed with respect to the detection means.
  • the spatial coordinates of the object can be determined according to the three directions of the space and the colorimetric coordinates can be corrected according to the position of the analysis points relative to the detection head (distance and normal to the area).
  • the simultaneous implementation of several monochromatic detecting means, each sensitive and complementary to a part of the visible wavelength domain makes it possible, by means of a calculation algorithm, to compose a digital image color of the analyzed objects. This method provides better accuracy than color matrix photonic sensors and a lower acquisition rate than sequential multi-spectral monochromatic photonic detection systems.
  • twin detection means comprise twin filtration elements associated with at least one photonic matrix sensor
  • the photonic matrix sensor is divided into several zones respectively receiving the light rays coming from each of the twin filtration elements.
  • the zones of the photonic sensor do not need to be synchronized with respect to each other;
  • Photonic matrix sensors are CMOS sensors so that even if a pixel is violently saturated with photons, it has little effect on neighboring pixels.
  • a bilinear interpolation taking into account the colorimetric values of the pixels surrounding a point of analysis is however provided so as to smooth the results obtained;
  • the two twin detection means are sensitive to a wavelength range substantially equal to the wavelength range of the green, which makes it possible to obtain results that are particularly relevant as regards the topology of the objects analyzed;
  • the two primary detection means are sensitive, one at a range of the blue wavelength range, the other at a range of the red wavelength range;
  • the lighting means consist of a central light source around which the detection means are arranged;
  • the lighting means consist of an annular lighting source arranged around the detection means, which is advantageous because the illumination is thus substantially homogeneous for all the points of analysis;
  • the detection head is capped with a partitioning nozzle of predetermined depth so as to reduce the calculation time of the process. Indeed, the iterative calculation is thus performed between a minimum distance corresponding substantially to the depth of the partition end and a maximum distance corresponding to the depth of field of view;
  • the invention also relates to a spatio-colorimetric measurement method of a three-dimensional object comprising the steps of: emitting at least one light radiation to illuminate the object to be analyzed, receiving the light rays reflected by the object on at least four detection means, and transfer the light information collected by the detection means to a processing unit.
  • the light rays reflected by the object are detected by at least two sensing means-sensitive-light-waves of substantially identical wavelength ranges.
  • the method comprises, beforehand, a calibration step of the detection means
  • the processing unit determines, by iterative calculation, the relative position of a plurality of analysis points with respect to the detection head in order to take account of the position of these points with respect to the light source and to the means detection to adjust the colorimetric coordinates of the analyzed object; the processing unit determines, by stereoscopy, the distance of a plurality of analysis points with respect to the detection means;
  • the processing unit determines the coordinates of the normal to the surface of the object, in a plurality of analysis points
  • the iterative calculation of the depth is carried out between a minimum depth, corresponding to the distance between the detection means and the end of a partition tip, and a predetermined maximum depth;
  • the iteration step is substantially equal to the size of the field corresponding to a pixel for the predetermined minimum depth.
  • the measured value is thus substantially isotropic;
  • the processing unit deviates from the analysis points whose intensity of the colorimetric values exceeds a predetermined value by calibration so that the errors due to the specular reflection are identified; the method comprises a step of calculating the colorimetric coordinates of a plurality of weighted analysis points according to the position of said analysis points;
  • the colorimetric coordinates of each point are adjusted by bilinear interpolation so as to respect the linearity of the colorimetry of the analyzed object.
  • FIGS. 2a and 2b schematic representations of a first embodiment of a detection head according to the invention comprising annular lighting means
  • the device makes it possible to carry out a spatio-colorimetric measurement of a three-dimensional object 2, in one embodiment. occurrence of a tooth.
  • any other three-dimensional object 2 low relief that is to say whose topology has no undercut, could also be the subject of such a spatio-colorimetric measurement.
  • the measured three-dimensional object could be a painting, a piece produced in the industry, a ticket, etc.
  • the device according to the invention preferably comprises a detection head 4 and a support case 6 connected to a processing unit 8 of the information coming from the detection head 4.
  • the processing unit 8 is separated from the support housing 6 and connected thereto via communication means 10. This configuration makes it possible in particular to reduce the dimensions of the support housing 6 as well as the production costs of the device measurement. The device is thus compact so that it can be easily handled with one hand by an operator.
  • the processing unit 8 could also be integrated into a more stable support 8 in order to improve the accuracy of the results and to measure larger objects 2.
  • the digital data collected by the detection head 4 are transmitted, by means of communication means.
  • the detection head 4 has dimensions adapted to the size of the three-dimensional object 2 measured so as to reduce the processing time of the information provided by the detection head 4 to the processing unit 8.
  • FIGS. 2a and 2b are diagrammatic representations of a first embodiment of a detection head 4 according to the invention.
  • the detection head 4 comprises central lighting means 14 and four optical detection means 16 arranged around and equidistant from the central lighting means 14.
  • the annular illumination means 14 comprise light sources 14 a broad spectrum in the visible range. It would be conceivable to use more or fewer light sources 14a. Nevertheless, the experimental results have shown that from eight light sources 14a, the resolution at each point of analysis is relatively constant. The illumination provided by the means of i-é € lairage-44-annu ⁇ areas is ongoing and the power is likely to be adjusted to the needs of the measure.
  • the annular illumination means 14 also advantageously comprise a frosted glass 14b, or holographic, located downstream of the light source 14a in order to improve the homogeneity of the illumination.
  • the annular light source 14 could consist of a circular neon tube.
  • the optical detection means 16 consist of an infrared filter 16a eliminating the infrared parasites to which are sensitive CMOS-type photonic sensors (presented below).
  • the infrared filter 16a is a BG40 filter from SCOTT.
  • the detection means 16 further comprise four filter elements 16b, 16c disposed behind the optical elements 16a and in the center of the annular illumination means 14.
  • the elements of filtration 16b, 16c are lenses for both filtering and focusing the light rays from the object analyzed to the photonic sensors (presented below).
  • optical axes of these four filter elements 16b, 16c are substantially parallel to each other and substantially in the same direction as the axis of propagation of the annular illumination means 14.
  • the filter elements 16b, 16c may also have convergent optical axes to the same point, or to different points, or a composition of these different possibilities.
  • a first pair of primary filtration elements 16b consists of a blue filtration lens, reference B440 at the company HOYA, and a red filtration lens, reference DG570 at the company SGHO-TTr-De-prefereneer this pair of filter elements is arranged symmetrically with respect to the central axis of the annular illumination means.
  • the detection means 16 also comprise a pair of twin filtration elements 16c having a substantially identical bandwidth.
  • these twin filter elements 16c are green lenses, for example G550 reference lenses at the company HOYA.
  • These twin filtration elements 16c are advantageously arranged so as to form a symmetry of revolution about the central axis of the annular illumination means 14.
  • a 16 ° photonic sensor subdivided into four quadrants respectively in correspondence with the four filtration elements
  • 16b, 16c is arranged behind the filter elements 16b, 16c so as to receive the light rays propagated through these filtering elements
  • This photonic sensor 16e is preferably a CMOS sensor.
  • the combination of the twin filter elements 16c with the corresponding photonic sensor area 16e forms the twin detection means (16c, 16e).
  • the combination of the primary filter elements 16b with the corresponding photonic sensor area 16e forms the primary detection means (16b, 16e).
  • the detection head 4 consists of detection means 16 having four filter elements 16b, 16c arranged around central lighting means 14, preferably positioned behind a diffusing filter
  • the detection means 16 have two primary filtration elements 16b, respectively of red and blue color, and two twin filtration elements 16c, of green color 16c.
  • the two twin filtration elements 16c are interposed between the two primary filtration elements 16b so as to maintain a symmetry with respect to the axis of revolution of the detection head 4.
  • the twin filtration elements 16c could also be arranged side by side.
  • the detection head 4 comprises four independent and synchronized photonic sensors 16e, also arranged behind the filter elements 16b, 16c so as to receive the light rays propagated through these filter elements 16b, 16c.
  • the detection head 4 is preferably capped with a partition tip 20 of predetermined depth to define a chamber in which the object analyzed is not disturbed by the external light.
  • the depth of the partition tip 20 defines the minimum depth of observation. Indeed, the object 2 analyzed can not be located at a variable distance from the detection means 16 which corresponds to a predetermined tolerance distance forward or backward of the nominal distance of the bulkhead 20.
  • This partitioning tip 20 has a depth of a few centimeters in the context of a portable measuring device or a few meters in the context of a device mounted on a support.
  • the depth of the partitioning tip 20 is five times greater than the depth of the object 2 to be measured.
  • the width and height of the object 2 analyzed are preferably about three times greater than the depth of the object to be measured.
  • the device according to the invention can be maintained through the support housing 6 and actuated by the control circuit 9 of the device.
  • the operator first performs a calibration of the measuring device by placing a white surface against the partition endpiece 20.
  • the duration of the measurement is determined so that the maximum intensity of the or photonic sensors, does not exceed approximately 85% of the maximum admissible intensity.
  • any specular effects will result in an intensity equal to the maximum allowable intensity and may therefore be detectable.
  • the partitioning tip 20 of the measuring device according to the invention is then placed against the object 2 to be analyzed, so that the object is at least partially protected from the external light.
  • the method according to the invention consists, in a second step, in performing at least one measurement, or scanning, non-invasive and of a very short duration. Indeed, this measurement is performed without contact and using lighting means 14 of perfect safety. On the other hand, the measurement time may be less than one-tenth of a second. During this second measurement, the light rays emanating from the illumination means 14 propagate towards the analyzed object 2 before being reflected towards the detection means 16.
  • the twin detection means constituted by the twin filtration elements 16c and the corresponding matrix sensors 16e, make it possible, by stereoscopic calculation in the processing unit 8, to determine the spatial coordinates of the analyzed points of analysis.
  • the twin detection means receive the light reflected on the object under the same spectral conditions.
  • the values obtained by the twin detection means should be equal.
  • the value of the luminous intensity reemitted by a point of the analyzed object can be expressed by the following relations:
  • Lo 0 L Pc D and Lo ⁇ ⁇ Lp where cos (b G ) xd, 2G cos (b D ) xd, ID
  • - Lo 0 represents the value of the light intensity retransmitted by an analysis point, determined from a right sensor
  • - LOG the value of the luminous intensity re-emitted by an analysis point, determined from a left sensor
  • - I_PD the light energy received by the pixel of the right sensor after diffuse reflection on the object
  • - Lp G the light energy received by the pixel of the left sensor after diffuse reflection on the object
  • the method according to the invention provides for iteratively calculating: - for each potential depth of a point of analysis between a minimum depth and a predetermined maximum depth, the depth for which the values of the luminous intensity (LOG, LOD) re-emitted by an analysis point and calculated from the twin detection means, are the closest.
  • the minimum depth advantageously corresponds to the depth of the partitioning endpiece 20 while the maximum depth corresponds to the depth of the field of view.
  • the iteration step is substantially equal to the size of the field corresponding to a pixel for the predetermined minimum depth.
  • the processing unit 8 determines at this stage a pair of data corresponding to the depth of a plurality of analysis points and the light intensity re-emitted by said analysis points corresponding to the length range of the detection means. twins. The processing unit thereby deduces the coordinates (x, y, z) of each analysis point of the measured object. From these data, the processing unit 8 also determines the normal at each analysis point to be able to restore the color at this point of analysis. This operation is done by calculating the average plane passing through each point of analysis.
  • the processing unit 8 finally determines, from the values of the luminous intensity collected by the primary and twin detection means, the colorimetric mapping of the analyzed object. This map is weighted according to the spatial position of the analysis points and in particular the distance of these points of analysis vis-à-vis the detection means 16 and the direction of the normal to the surface of the object in each of these points of analysis.
  • the filter elements 16b, 16c could be composed of lenses combined with color filters.
  • the device according to the invention could also be composed of four pairs of detection means 16 or more, with the aim of improving the quality of the results, in particular on a colorimetric level.
  • CMOS photonic matrix sensors with CDD sensors or any other type of photonic sensor.

Abstract

La présente invention vise un dispositif et un procédé de mesure spatio-colorimétrique d'un objet tridimensionnel permettant de modéliser numériquement les bas reliefs et les coordonnées colorimétriques de cet objet selon une multitude de points d'analyse. Pour ce faire, le dispositif de mesure selon l'invention propose de combiner des moyens d'éclairage avec au moins quatre moyens de détection optiques, dont au moins deux moyens de détection jumeaux sensibles à des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques, de façon à déterminer, par effet stéréoscopique, le bas relief de l'objet analysé. À ce titre l'invention propose un dispositif de mesure spatio-colorimétrique d'un objet (2) tridimensionnel comportant une tête de détection (4) constituée de moyens d'éclairage (14) de l'objet et d'au moins quatre moyens de détection (16) de la lumière-réfléchie-par-l´objet (2), le-dispositif-comportant en outre une unité de traitement 8 des informations reçues par les moyens de détection (16). Au moins deux moyens de détection jumeaux (16c, 16e) sont sensibles à des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE MESURE SPATIO-COLORIMÉTRIQUE D'UN
OBJET TRIDIMENSIONNEL
L'invention se rapporte à un dispositif et un procédé de mesure spatio-colorimétrique non invasive d'un objet tridimensionnel en bas relief.
DOMAINE TECHNIQUE
À ce titre, la présente invention concerne le domaine du diagnostic spatio-colorimétrique, également nommé domaine de la métrologie colorimétrique.
ÉTAT de la TECHNIQUE
II est connu de l'état de la technique différentes solutions permettant d'analyser les caractéristiques colorimétriques d'un objet en deux dimensions. Par exemple, les chirurgiens dentistes et les prothésistes utilisent des appareils permettant de définir, de façon précise, une cartographie colorimétrique de dents afin de produire des prothèses présentant sensiblement les mêmes caractéristiques colorimétriques que les dents d'origine. Pour ce faire, il est nécessaire de relever avec précision la colorimétrie d'une dent selon une pluralité de points d'analyse.
À ce titre, le document n0 WO 05/080929 présente un dispositif permettant de mesurer les caractéristiques colorimétriques d'une dent en une pluralité de points et dans un espace bidimensionnel.
De la même façon, le document n° WO 06/002703 divulgue un dispositif composé de plusieurs diodes électroluminescentes émettant des faisceaux lumineux de couleurs différentes sur un objet. Les faisceaux lumineux sont ensuite réfléchis par l'objet puis reçus par un système de détection et une unité centrale de traitement de l'image. Ainsi, chaque point de l'image est analysé de sorte à déterminer le spectre constitué de différents niveaux de couleurs correspondant aux différentes longueurs d'onde d'émission des diodes électroluminescentes. À partir de ces niveaux de couleurs, l'unité centrale de traitement calcule, pour chaque point de la surface analysée, les coordonnées colorimétriques correspondantes. Ainsi, le dispositif décrit dans ce document permet de déterminer une cartographie colorimétrique bidimensionnelle de l'objet analysé.
Cependant, ces solutions ne sont pas satisfaisantes dans la mesure où le relief, ou topologie, des objets analysés n'est pas pris en compte lors des mesures. De ce fait, les dispositifs de l'état de la technique calculent les coordonnées colorimétriques d'objets considérés comme plans par approximation.
Or, la combinaison de mesures spatiale et colorimétrique pour des objets tridimensionnels présente un large champ d'application dans le domaine dentaire, la biométrie, la métrologie industrielle ou artistique, etc. Plus particulièrement, le fait de mesurer simultanément les coordonnées spatiales, -selon-tπois-direetionsHdertespaee^et.eQlorimétriques de l'objet analysé permet d'améliorer sensiblement la qualité des résultats.
En effet, la valeur des coordonnées colorimétriques dépend directement de la position de l'objet mesuré vis-à-vis de moyens d'éclairage puisque la quantité de lumière reçue par un objet décroît proportionnellement au carré de la distance qui le sépare de ces moyens d'éclairage. De la même façon, plus l'angle défini entre la normale à l'objet analysé et le rayon lumineux émis est important, plus la quantité de lumière réfléchie, dans le cadre d'une réflexion diffuse, diminue. De ce fait, les approximations réalisées par les dispositifs de l'état de la technique génèrent des erreurs importantes qui dénaturent au moins partiellement la qualité de l'analyse colorimétrique réalisée.
Une autre difficulté relative à la mesure colorimétrique provient du choix de l'éclairage de l'objet à analyser. En effet, il est préférable d'utiliser des moyens d'éclairage permettant d'opérer une répartition du flux lumineux suivant des critères géométriques et chromatiques prédéterminés. Mais ce choix dépend de critères de qualité, de coût, d'encombrement, et de durée de vie. La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'état de la technique mentionnés ci-dessus en proposant un dispositif et un procédé de mesure spatio-colorimétrique d'un objet tridimensionnel permettant de modéliser numériquement les bas reliefs et les coordonnées colorimétriques de cet objet selon une multitude de points d'analyse.
L'invention vise également à proposer un procédé de calcul de la cartographie colorimétrique d'un objet tridimensionnel en tenant compte des paramètres du dispositif de mesure.
Pour ce faire, le dispositif de mesure selon l'invention propose de combiner des moyens d'éclairage avec des moyens de détection monochromatiques, dont au moins deux moyens de détection jumeaux sensibles à des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques, de façon à déterminer, par effet stéréoscopique, le bas relief de l'objet analysé.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de mesures spatio-colorimétrique d'un objet tridimensionnel comportant une tête de détection constituée de moyens d'éclairage de l'objet et d'au moins quatre moyens de détection de la lumière réfléchie par l'objet, le dispositif comportant en outre une unité de traitement des informations reçues par les moyens de détection, dans lequel au moins deux moyens de détection jumeaux sont sensibles à des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques.
L'utilisation d'au moins deux moyens de détection jumeaux sensibles à des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques permet de calculer, par stéréoscopie, la distance des points analysés par rapport aux moyens de détection. Ainsi, les coordonnées spatiales de l'objet peuvent être déterminées selon les trois directions de l'espace et les coordonnées colorimétriques peuvent être corrigées en fonction de la position des points d'analyse par rapport à la tête de détection (distance et normale à la surface). Par ailleurs, la mise en oeuvre simultanée de plusieurs moyens de détections monochromatiques, sensibles chacun et de façon complémentaire à une partie du domaine des longueurs d'ondes du visible, permet, au moyen d'un algorithme de calcul, de composer une image numérique couleur des objets analysés. Ce procédé apporte une meilleur précision que les capteurs photoniques matriciels couleurs et un vitesse d'acquisition inférieure aux systèmes de détection photoniques monochromatiques multi-spectraux séquentiels.
Selon des modes de réalisation particuliers :
- les deux moyens de détection jumeaux comportent des éléments de filtration jumeaux associés à au moins un capteur matriciel photoniques ;
- le capteur matriciel photonique est divisé en plusieurs zones recevant respectivement les rayons lumineux provenant de chacun des éléments de filtration jumeaux. Ainsi, les zones du capteur photonique n'ont pas besoin d'être synchronisées l'une par rapport à l'autre ;
- les capteurs matriciels photoniques sont des capteurs CMOS de telle sorte que même si un pixel est violemment saturé de photons, cela a peu d'incidence sur les pixels voisins. Une interpolation bilinéaire tenant compte des valeurs colorimétriques des pixels entourant un point d'analyse est toutefois prévue de manière à lisser les résultats obtenus ;
- les deux moyens de détection jumeaux sont sensibles à une plage de longueur d'onde sensiblement égale au domaine des longueurs d'ondes du vert, ce qui permet d'obtenir des résultats particulièrement pertinents quant à la topologie des objets analysés ;
- les deux moyens de détection primaires sont sensibles, l'un à une plage du domaine des longueurs d'ondes du bleu, l'autre à une plage du domaine des longueurs d'ondes du rouge ; - les moyens d'éclairage sont constitués d'une source de lumière centrale autour de laquelle sont disposés les moyens de détection ;
- les moyens d'éclairage sont constitués d'une source d'éclairage annulaire disposée autour des moyens de détection, ce qui est avantageux car l'éclairage est ainsi sensiblement homogène pour l'ensemble des points d'analyse ;
- la tête de détection est coiffée d'un embout de cloisonnement de profondeur prédéterminée de manière à réduire le temps de calcul du procédé. En effet, le calcul itératif est ainsi réalisé entre une distance minimale correspondant sensiblement à Ia profondeur de l'embout de cloisonnement et une distance maximale correspondant à Ia profondeur de champ d'observation ;
Selon un autre aspect, l'invention concerne également un procédé de mesure spatio-colorimétrique d'un objet tridimensionnel comportant les étapes suivantes : émettre au moins un rayonnement lumineux pour éclairer l'objet à analyser, recevoir les rayons lumineux réfléchis par l'objet sur au moins quatre moyens de détection, et transférer les informations lumineuses recueillies par les moyens de détection vers une unité de traitement. Les rayons lumineux réfléchis par l'objet sont détectés par au moins deux moyens de détection -jumeaux sensibles-à-des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques.
Selon des modes de réalisation particuliers :
- le procédé comporte préalablement une étape d'étalonnage des moyens de détection ;
- l'unité de traitement détermine, par calcul itératif, la position relative d'une pluralité de points d'analyse par rapport à la tête de détection afin de tenir compte de la position de ces points par rapport à la source lumineuse et aux moyens de détection pour ajuster les coordonnées colorimétriques de l'objet analysé ; l'unité de traitement détermine, par stéréoscopie, la distance d'une pluralité de points d'analyse par rapport aux moyens de détection ;
- l'unité de traitement détermine les coordonnées de la normale à la surface de l'objet, en une pluralité de points d'analyse ;
- le calcul itératif de la profondeur est réalisé entre une profondeur minimale, correspondant à la distance entre les moyens de détection et l'extrémité d'un embout de cloisonnement, et une profondeur maximale prédéterminée ;
- le pas d'itération est sensiblement égal à la taille du champ correspondant à un pixel pour la profondeur minimale prédéterminée. La valeur mesurée est ainsi sensiblement isotrope ;
- l'unité de traitement écarte des points d'analyse dont l'intensité des valeurs colorimétriques dépasse une valeur prédéterminée par étalonnage de sorte que les erreurs dues à la réflexion spéculaire soient identifiées ; - le procédé comporte une étape de calcul des coordonnées colorimétriques d'une pluralité de points d'analyse pondérée selon la position desdits points d'analyse ;
- les coordonnées colorimétriques de chaque point sont ajustées par interpolation bilinéaire de sorte à respecter la linéarité de la colorimétrie de l'objet analysé.
DESGR-IP-TIQN-DÉTAILLÉE-
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures qui illustrent respectivement :
- la figure 1 , une représentation schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention ;
- les figures 2a et 2b, des représentations schématiques d'un premier mode de réalisation d'une tête de détection selon l'invention comportant des moyens d'éclairage annulaire ;
- les figures 3a et 3b, des représentations schématiques d'un deuxième mode de réalisation d'une tête de détection selon l'invention comportant des moyens d'éclairage centraux ; - la figure 4, une représentation schématique du fonctionnement des moyens de détection jumeaux. H est à noter que le terme de mesure isotrope signifie que la résolution de la mesure est sensiblement la même selon les trois directions de l'espace.
Un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention va maintenant être décrit en référence à la figure 1. Dans cet exemple de réalisation, le dispositif permet de réaliser une mesure spatio-colorimétrique d'un objet tridimensionnel 2, en l'occurrence une dent.
Bien entendu, tout autre objet tridimensionnel 2 bas relief, c'est- à-dire dont la topologie ne présente aucune contre dépouille, pourrait également faire l'objet d'une telle mesure spatio-colorimétrique. Par exemple, l'objet tridimensionnel 2 mesuré pourrait être une peinture, une pièce produite dans l'industrie, un billet, etc.
Le dispositif selon l'invention comporte de préférence une tête de détection 4 et un boîtier de support 6 relié à une unité de traitement 8 des informations provenant de la tête de détection 4.
L'unité de traitement 8 est séparée du boîtier de support 6 et reliée à celui-ci par l'intermédiaire de moyens de communication 10. Cette configuration permet notamment de réduire les dimensions du boîtier de support 6 ainsi que les coût de production du dispositif de mesure. Le dispositif est ainsi compact de sorte à pouvoir être aisément manipulé d'une seule main par un opérateur. L'unité de traitement 8 pourrait également être intégrée dans un support 8 plus stable afin d'améliorer la précision des résultats et de mesurer des objets 2 plus volumineux.
Avantageusement, les données numériques recueillies par Ia tête de détection 4 sont transmises, par le biais de moyens de communication
10, à une unité de traitement 8 permettant reconstituer par calcul itératif les coordonnées spatio-colorimétriques de l'objet analysé. Ces moyens de communication 10 peuvent alternativement être filaire ou bien sans fil. H est à noter que la tête de détection 4 présente des dimensions adaptées à la taille de l'objet tridimensionnel 2 mesuré de sorte à réduire le temps de traitement des informations fournies par la tête de détection 4 à l'unité de traitement 8.
Les figures 2a et 2b sont des représentations schématiques d'un premier mode de réalisation d'une tête de détection 4 selon l'invention.
Dans cet exemple, la tête de détection 4 comporte des moyens d'éclairage 14 centraux et quatre moyens de détection optiques 16 disposés autour et à égale distance des moyens d'éclairage 14 centraux.
Les moyens d'éclairage 14 annulaires comportent des sources de lumière 14a large spectre dans le domaine du visible. Il serait envisageable d'utiliser plus ou moins de sources de lumière 14a. Néanmoins les résultats expérimentaux ont montré qu'à partir de huit sources lumineuses 14a, la résolution en chaque point d'analyse est relativement constante. L'éclairage fourni par les-moyens-dié€lairage-44-annu}aires est donc continu et la puissance est susceptible d'être ajustée aux besoins de la mesure. Les moyens d'éclairage 14 annulaire comportent également avantageusement un verre dépoli 14b, ou holographique, situé en aval de la source de lumière 14a afin d'améliorer l'homogénéité de l'éclairage.
Selon une variante de réalisation, la source de lumière 14 annulaire pourrait être constituée d'un tube de néon circulaire.
Avantageusement, les moyens de détection optique 16 sont constitués d'un filtre infrarouge 16a éliminant les parasites infrarouges auxquels sont sensibles les capteurs photoniques de type CMOS (présentés ci-après).
Selon un mode de réalisation le filtre infrarouge 16a est un filtre BG40 de la société SCOTT.
Les moyens de détection 16 comportent en outre quatre éléments de filtration 16b, 16c disposés derrière les éléments d'optique 16a et au centre des moyens d'éclairage 14 annulaires. De préférence, les éléments de filtration 16b, 16c sont des lentilles permettant à la fois de filtrer et de focaliser les rayons lumineux provenant de l'objet analysé vers les capteurs photoniques (présentés ci-après).
Les axes optiques de ces quatre éléments de filtration 16b, 16c sont sensiblement parallèles entre eux et sensiblement selon la même direction que l'axe de propagation des moyens d'éclairage 14 annulaires.
Toutefois, selon plusieurs variantes, les éléments de filtration 16b, 16c peuvent également présenter des axes optiques convergents vers un même point, ou bien vers des points différents, ou encore une composition de ces différentes possibilités.
Une première paire d'éléments de filtration primaires 16b est constituée d'une lentille de filtration bleue, de référence B440 chez la société HOYA, et d'une lentille de filtration rouge, de référence DG570 chez la société SGHO-TTr-De-préféreneer-eette-paire-d-éléments de filtration est disposée de façon symétrique par rapport à l'axe centrale des moyens d'éclairage 14 annulaire.
Par ailleurs, les moyens de détection 16 comportent également une paire d'éléments de filtration jumeaux 16c présentant une bande passante sensiblement identique. Avantageusement, ces éléments de filtration jumeaux 16c sont des lentilles de couleur verte, par exemple des lentilles de référence G550 chez la société HOYA. Ces éléments de filtration jumeaux 16c sont avantageusement disposés de façon à former une symétrie de révolution autour de l'axe centrale des moyens d'éclairage 14 annulaires.
Un capteur photonique 16e, subdivisé en quatre quadrants respectivement en correspondance avec les quatre éléments de filtration
16b, 16c, est disposé derrière les éléments de filtration 16b, 16c de façon à recevoir les rayons lumineux propagés au travers de ces éléments de filtration
16b, 16c. Ce capteur photonique 16e est de préférence un capteur CMOS. La combinaison des éléments de filtration jumeaux 16c avec la zone du capteur photonique 16e correspondant forme les moyens de détection jumeaux (16c, 16e). De la même façon, la combinaison des éléments de filtration primaires 16b avec la zone du capteur photonique 16e correspondant forme les moyens de détection primaires (16b, 16e).
Selon un deuxième mode de réalisation décrit en référence aux figures 3a et 3b, la tête de détection 4 est constituée de moyens de détection 16 présentant quatre éléments de filtration 16b, 16c disposés autour de moyens d'éclairages 14 centraux, de préférence positionnés derrière un filtre diffusant
14b de type holographique.
Selon cet exemple de réalisation, les moyens de détection 16 présentent deux éléments de filtration primaires 16b, respectivement de couleur rouge et bleu, et deux éléments de filtration jumeaux 16c, de couleur verte 16c.
Avantageusement-les-deux-éléments de filtration jumeaux 16c sont intercalés entre les deux éléments de filtration primaires 16b de façon à conserver une symétrie par rapport à l'axe de révolution de la tête de détection 4. Toutefois, les éléments de filtration jumeaux 16c pourraient également être disposés côte à côte.
Dans cet exemple de réalisation, la tête de détection 4 comporte quatre capteurs photoniques 16e, indépendants et synchronisés, également disposés derrière les éléments de filtration 16b, 16c de façon à recevoir les rayons lumineux propagés au travers de ces éléments de filtration 16b, 16c.
La tête de détection 4 est de préférence coiffée d'un embout de cloisonnement 20 d'une profondeur prédéterminée permettant de définir une chambre dans laquelle l'objet analysé n'est pas perturbé par la lumière extérieure. La profondeur de l'embout de cloisonnement 20 définie la profondeur minimale d'observation. En effet, l'objet 2 analysé ne peut être situé à une distance variable vis-à-vis des moyens de détection 16 qui correspond à une distance de tolérance prédéterminée en avant ou en arrière de la distance nominale de l'embout de cloisonnement 20.
Cet embout de cloisonnement 20 présente une profondeur de quelques centimètres dans le cadre d'un dispositif de mesure portatif ou bien quelques mètres dans le cadre d'un dispositif monté sur un support.
Avantageusement, la profondeur de l'embout de cloisonnement 20 est cinq fois supérieure à la profondeur de l'objet 2 à mesurer. De la même façon, la largeur et la hauteur de l'objet 2 analysé sont, de préférence, environ trois fois supérieures à la profondeur de l'objet à mesurer.
En phase d'utilisation, le dispositif selon l'invention peut être maintenu par le biais du boîtier de support 6 et actionné grâce au circuit de commande 9 du dispositif.
De préférence, l'opérateur réalise dans un premier temps un étalonnage du dispositif de mesure en plaçant une surface blanche contre l'embout de cloisonnement 20. La durée de la prise de mesure est déterminée de façon à ce que l'intensité maximale du ou des capteurs photoniques, n'excède pas environ 85% de l'intensité maximale admissible. Ainsi, lors de la prise de mesure, les éventuels effets spéculaires se traduiront par une intensité égale à l'intensité maximale admissible et pourront donc être détectables.
L'embout de cloisonnement 20 du dispositif de mesure selon l'invention est ensuite placé contre l'objet 2 à analyser, de sorte que l'objet se trouve au moins partiellement protégé de la lumière extérieure.
Le procédé selon l'invention consiste, dans un second temps, à réaliser au moins une prise de mesure, ou numérisation, non invasive et d'une très courte durée. En effet, cette mesure est réalisée sans contact et en utilisant des moyens d'éclairage 14 d'une parfaite innocuité. D'autre part, le temps de mesure peut être inférieure au dixième de seconde. Lors de cette deuxième mesure, les rayons lumineux, émanant des moyens d'éclairage 14, se propagent vers l'objet 2 analysé, avant d'être réfléchis vers les moyens de détection 16.
Ainsi, ces rayons lumineux réfléchis traversent successivement l'élément d'optique 16a, puis les éléments de filtration 16b, 16c avant d'atteindre le ou les capteurs matriciels photoniques 16e. Une information optique correspondant à un point d'analyse est donc recueillie par chacun des pixels constituant les capteurs matriciels photoniques 16f. Ces informations sont ensuite transmises vers l'unité de traitement 8, par l'intermédiaire de moyens de communication 10 avec une unité centrale 12, afin d'en déduire la cartographie spatio-colorimétrique de l'objet 2 analysé.
Les moyens de détection jumeaux, constitués par les élément de filtration jumeaux 16c et les capteurs matriciels 16e correspondants, permettent, par calcul stéréoscopique dans l'unité de traitement 8, de déterminer les-eoordonnées spatiales de-ehaeuïhdes-points analysés.
En effet, les moyens de détection jumeaux reçoivent la lumière réfléchie sur l'objet dans les mêmes conditions spectrales. Dans ce cas, les valeurs obtenues par les moyens de détection jumeaux devraient être égales.
Dans le cadre d'un dispositif de mesure selon l'invention présentant les caractéristiques représentées sur la figure 4, la valeur de l'intensité lumineuse réémise par un point de l'objet analysé peut être exprimée par les relations suivantes :
Lo0 = LPc D et Lo Ό ≈ Lp où cos(bG) x d, 2G cos(bD) x d, ID
- Lo0 représente la valeur de l'intensité lumineuse réémise par un point d'analyse, déterminée à partir d'un capteur droit ; - LOG, la valeur de l'intensité lumineuse réémise par un point d'analyse, déterminée à partir d'un capteur gauche ;
- I_PD, l'énergie lumineuse reçue par le pixel du capteur droit après réflexion diffuse sur l'objet ; - LpG, l'énergie lumineuse reçue par le pixel du capteur gauche après réflexion diffuse sur l'objet ;
- bo, l'angle entre la normale du capteur droit en un pixel et le rayon issu de l'objet ;
- bû, l'angle entre la normale du capteur gauche en un pixel et le rayon issu de l'objet ;
- d2D, la longueur du trajet lumineux depuis le point d'analyse jusqu'au pixel correspondant sur le capteur droit ; et
- d2G, la longueur du trajet lumineux depuis le point d'analyse jusqu'au pixel correspondant sur le capteur droit.
Par conséquent, le procédé selon l'invention prévoit de calculer de-manière-itérative:,-pour chaque profondeur potentielle d'un point d'analyse comprise entre une profondeur minimale et une profondeur maximale prédéterminées, la profondeur pour laquelle les valeurs de l'intensité lumineuse (LOG, LOD) réémises par un point d'analyse et calculées à partir des moyens de détection jumeaux, sont les plus proches.
Il est à noter que la profondeur minimale correspond avantageusement à la profondeur de l'embout de cloisonnement 20 tandis que la profondeur maximale correspond à la profondeur du champ d'observation. De préférence, le pas d'itération est sensiblement égal à la taille du champ correspondant à un pixel pour la profondeur minimale prédéterminée.
L'unité de traitement 8 détermine à ce stade un couple de données correspondant à la profondeur d'une pluralité de points d'analyse et à l'intensité lumineuse réémise par lesdits points d'analyse correspondant à la plage de longueur des moyens de détection jumeaux. L'unité de traitement en déduit ainsi, les coordonnées (x,y,z) de chaque point d'analyse de l'objet mesuré. À partir de ces données, l'unité de traitement 8 détermine également la normale en chaque point d'analyse pour être en mesure de restituer la couleur en ce point d'analyse. Cette opération se fait par calcul du plan moyen passant par chaque point d'analyse.
L'unité de traitement 8 détermine enfin, à partir des valeurs de l'intensité lumineuse recueillie par les moyens de détection primaires et jumeaux, la cartographie colorimétrique de l'objet analysé. Cette cartographie est pondérée en fonction de la position spatiale des points d'analyse et notamment de la distance de ces points d'analyse vis-à-vis des moyens de détection 16 ainsi que de la direction de la normale à la surface de l'objet en chacun de ces points d'analyse.
II est éventuellement possible de réaliser plusieurs séries de mesure de façon à accroître la précision des résultats.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus. Notamment, l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes des dispositif et procédé décrits susmentionnés sans sortir du cadre de l'invention.
Notamment, bien qu'il soit préférable d'utiliser des lentilles de filtration monochromatiques, les éléments de filtrations 16b, 16c pourraient être composés de lentille combinées à des filtres de couleur. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention pourrait également être composé de quatre paires de moyens de détection 16 ou plus, dans Ie but d'améliorer la qualité des résultats, notamment sur le plan colorimétrique.
D'autre part, il serait également envisageable de remplacer les capteurs matriciels photoniques CMOS par des capteurs CDD ou tout autre type de capteur photonique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure spatio-colorimétrique d'un objet (2) tridimensionnel comportant une tête de détection (4) constituée de moyens d'éclairage (14) de l'objet et d'au moins quatre moyens de détection (16) de la lumière réfléchie par l'objet (2), le dispositif comportant en outre une unité de traitement 8 des informations reçues par les moyens de détection (16), caractérisé en ce qu'au moins deux moyens de détection jumeaux (16c, 16e) sont sensibles à des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel les deux moyens de détection jumeaux (16c, 16e) comportent des éléments de filtration jumeaux (16c) associés à au moins un capteur matriciels photoniques (16e).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur matriciel photonique (16e) est divisé en plusieurs zones recevant respectivement les rayons lumineux provenant de chacun des éléments de filtration jumeaux (16c).
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les capteurs (16e) matriciels photoniques sont des capteurs CMOS.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les deux moyens de détection jumeaux (16c, 16e) sont sensibles à une plage de longueur d'onde sensiblement égale au domaine des longueurs d'ondes du vert.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les deux moyens de détection primaires (16b, 16e) sont sensibles, l'un à une plage du domaine des longueurs d'ondes du bleu, l'autre à une plage du domaine des longueurs d'ondes du rouge.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens d'éclairage (14) sont constitués d'une source de lumière (14a) centrale autour de laquelle sont disposés les moyens de détection (16).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens d'éclairage (14) sont constitués d'une source d'éclairage (14a) annulaire disposée autour des moyens de détection (16).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la tête de détection (4) est coiffée d'un embout de cloisonnement (20) de profondeur prédéterminée.
10. Procédé de mesure spatio-colorimétrique d'un objet (2) tridimensionnel comportant les étapes suivantes :
h — émettre-au moins-un-rayonnement lumineux pour éclairer l'objet (2) à analyser, ii. recevoir les rayons lumineux réfléchis par l'objet (2) sur au moins quatre moyens de détection (16), iii. transférer les informations lumineuses recueillies par les moyens de détection (16) vers une unité de traitement (8),
caractérisé en ce que les rayons lumineux réfléchis par l'objet (2) sont détectés par au moins deux moyens de détection jumeaux (16c, 16e) sensibles à des plages de longueurs d'onde lumineuse sensiblement identiques.
11. Procédé selon la revendication 10, comportant préalablement une étape d'étalonnage des moyens de détection (16).
12. Procédé selon la revendication 10 ou 11 , dans lequel l'unité de traitement (8) détermine, par calcul itératif, la position relative d'une pluralité de points d'analyse par rapport à la tête de détection (4).
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'unité de traitement (8) détermine, par stéréoscopie, la distance d'une pluralité de points d'analyse par rapport aux moyens de détection (16).
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, dans lequel l'unité de traitement (8) détermine les coordonnées de la normale à la surface de l'objet (2), en une pluralité de points d'analyse.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel le calcul itératif de la profondeur est réalisé entre une profondeur minimale, correspondant à la distance entre les moyens de détection (16) et l'extrémité d'un embout de cloisonnement (20), et une profondeur maximale prédéterminée.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, dans lequel le — pas— d'itération — est— sensiblement égal à la taille du champ correspondant à un pixel pour la profondeur minimale prédéterminée.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, dans lequel l'unité de traitement (8) écarte des points d'analyse dont l'intensité des valeurs colorimétriques dépasse une valeur prédéterminée par étalonnage.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, comportant une étape de calcul des coordonnées colorimétriques d'une pluralité de points d'analyse pondérées selon Ia position desdits points d'analyse.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, dans lequel les coordonnées colorimétriques de chaque point sont ajustées par interpolation bilinéaire.
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