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" Classification des technologies de numérisation 3D" Pierre Bourdet Professeur Émérite à l’ENS de Cachan Pierre BOURDET - mars 2010 1 Systèmes de Numérisation 3D Très grande diversité de systèmes de mesure par coordonnées Les critères de choix et de performance : Dimension des objets mesurés Formes connues (métrologie contrôle) - inconnues (rétro-conception) Niveau de détail de la forme : densité de points Quelles grandeurs mesurées avec quelle tolérance Exactitude (étalonnage) Répétabilité Accessibilité des surfaces (externes, internes) Environnement Rapidité de préparation, dacquisition et de traitement Coût Etc … Pierre BOURDET - mars 2010 2 Systèmes de Numérisation 3D Respect du principe dAbbe Pour mesurer une longueur en bénéficiant de toute la précision requise de la règle de mesure, il faut placer la longueur dans le prolongement de la règle de mesure Principe d’ABBE direct Pierre BOURDET - mars 2010 Principe d’ABBE reconstitué Documents de Jean-Marie David et Thierry Coorevits 3 Systèmes de Numérisation 3D Avec contact dun palpeur lié à une chaîne de mesure mécanique Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * Sans contact dune cible optique projetée ou posée sur la surface Triangulation Axia le Capteur à faisceau laser * Interférométrie laser * Lumière structurée Télémétrie par temps de vol * Photogrammétrie Chromatique * Par cibles actives (GPS) Mise au point optique Pierre BOURDET - mars 2010 Ima gerie Tomographie * 4 Chaîne de mesure mécanique Guider et mesurer le déplacement relatif palpeur - objet 1 translations Pierre BOURDET - mars 2010 1 rotation - 1 translation 5 Chaîne de mesure mécanique Guider et mesurer le déplacement relatif palpeur - objet Col de cygne Portique 3 translations orthogonales Pierre BOURDET - mars 2010 6 Chaîne de mesure mécanique Guider et mesurer le déplacement relatif palpeur - objet Portique À bras 3 translations orthogonales Pierre BOURDET - mars 2010 7 Chaîne de mesure mécanique Guider et mesurer le déplacement relatif palpeur - objet Cylindro-polaire Pierre BOURDET - mars 2010 Bras articulé 8 Types de palpeur Avec contact dun palpeur lié à une chaîne de mesure mécanique Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * 0.2 mm 0.08 mm Pierre BOURDET - mars 2010 9 Types de palpeur Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Pierre BOURDET - mars 2010 Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * 10 Types de palpeur Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Pierre BOURDET - mars 2010 Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * 11 Types de palpeur Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Pierre BOURDET - mars 2010 Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * 12 Types de palpeur Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * Mesure par balayage de la surface Pierre BOURDET - mars 2010 13 Types de palpeur Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Profil (états de surface) Pierre BOURDET - mars 2010 Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * Cylindricité 14 Types de palpeur Palpeur rigide * Palpeur à déclenchement dynamique * Palpeur à mesure statique * Palpeur mesurant * Palpeur à fibre optique * Matrice - CCD Objectif Fibre optique Source de lumière Pièce à mesurer Palpeur Diamétre : min. 25 μm Pierre BOURDET - mars 2010 15 Systèmes de Numérisation 3D Sans contact dune cible optique projetée ou posée sur la surface Triangulation Axia le Capteur à faisceau laser * Interférométrie laser * Lumière structurée Télémétrie par temps de vol * Photogrammétrie Chromatique * Par cibles actives (GPS) Mise au point optique Pierre BOURDET - mars 2010 Ima gerie Tomographie * 16 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Matrice ou barrette PSD ou CCD Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) d et sont des constantes du capteur Diode laser Angle mesuré (déduit des coordonnées de la matrice CCD) d Lentille Par triangulation on définit, dans un repère lié au capteur, la coordonnée z du point Faisceau laser Le faisceau laser peut être : - une ligne (point d’intersection avec la surface) - un plan (ligne d’intersection avec la surface) Amplitude de mesure Pour définir un forme 3D, nécessité de déplacer la ligne ou le plan laser par rapport à l’objet. z Pierre BOURDET - mars 2010 17 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple : ligne laser - Scanner Soisic Caméra CCD dobservation Connaissant les valeurs des 2 angles de direction ( et ) de la ligne laser et des coordonnées de la tache laser dans la matrice de la camera CCD. Calcul des coordonnées 3D de la tache laser sur lobjet Ligne laser piloté en orientation (2 angles et ) Objet mesuré Pierre BOURDET - mars 2010 18 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple : ligne laser - Scanner Soisic Nuage de points saisis Pierre BOURDET - mars 2010 Reconstruction des formes : logiciel 3Dipsos 19 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple : plan laser - Capteur Kreon Image vidéo brute Réglages : puissance laser, temps dintégration des caméras Échantillonnage en points de la trace laser avec la résolution subpixel Calibration Passage du mode pixel 2D des caméras au système métrique 2D lié au capteur Obtention dun nuage de points 3D : après informations sur positionnement ensemble / objet et assemblage des sections Pierre BOURDET - mars 2010 20 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Par projection de trames en lumière blanche Exemples de série de mires d Camera CCD Projecteur Mires projetées Pierre BOURDET - mars 2010 21 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière Lumière structurée structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Par franges dinterférence Camera CCD Franges dinterférence d Trame de référence Exemples de série de mires Projecteur Trame projetée Trame projetée Trame de référence Franges dinterférence Méthode à effet de Moiré Pierre BOURDET - mars 2010 22 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière Lumière structurée structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemples de matériel Pierre BOURDET - mars 2010 23 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière Lumière structurée structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple de résultat de mesure : capteur Atos de la société GOM Pierre BOURDET - mars 2010 24 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Appareil photo numérique à très Haute définition Pierre BOURDET - mars 2010 25 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple : solution Triptop (société Gom) Préparation de la pièce: Mise en place de vignettes codées et non codées ainsi que des règles de calibration Pierre BOURDET - mars 2010 Photographie des différents points de vue de la pièce 26 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple : solution Triptop (société Gom) Après la photogramétrie Points codés et non codés référencés Avant la photogramétrie Pierre BOURDET - mars 2010 27 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple avec cibles particulières Pierre BOURDET - mars 2010 28 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple photogrammétrie cibles particulières Metris Image guided (Medical vision group) Pierre BOURDET - mars 2010 29 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple combinaison photogrammétrie et capteur à faisceau laser Pierre BOURDET - mars 2010 30 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Exemple photogrammétrie et capteur à faisceau laser autonome (Société Creaforme) EXAscan en action VIUscan en action Handyscan 3D le fruit de 4 éléments Pierre BOURDET - mars 2010 31 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Système Arc Second Emetteur Rotation régulière de deux plans laser lumineux inclinés et Flash lumineux à chaque tour Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) 30° Angle vert. = f (t2 - t1) Angle horiz.= g (t1 ou t2) Cibles réceptrices avec mesure des intervalles de temps Pierre BOURDET - mars 2010 32 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Système Arc Second Emetteur Rotation régulière de deux plans laser lumineux inclinés et Flash lumineux à QuickTime™ et un décompresseur chaque tour sont requis pour visionner cette image. Pierre BOURDET - mars 2010 33 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) Système Arc Second Cibles réceptrices avec mesure des intervalles de temps QuickTime™ et un décompresseur sont requis pour visionner cette image. Pierre BOURDET - mars 2010 34 Mesures optiques - Par triangulation Capteur à faisceau laser Lumière structurée Pierre BOURDET - mars 2010 Photogrammétrie Par cibles actives (GPS) 35 Systèmes de Numérisation 3D Sans contact dune cible optique projetée ou posée sur la surface Triangulation Axia le Capteur à faisceau laser * Interférométrie laser * Lumière structurée Télémétrie par temps de vol * Photogrammétrie Chromatique * Par cibles actives (GPS) Mise au point optique Pierre BOURDET - mars 2010 Ima gerie Tomographie * 36 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Principe de linterférométrie Pierre BOURDET - mars 2010 37 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Laser Tracker (Laser de poursuite) Miroir d’orientation du faisceau Rétroréflecteur (cible mobile) Moteur codeur codeur Moteur Matrice ¨PSD Miroir de référence fixe Lame semi-réfléchissante laser Document Bombardier Pierre BOURDET - mars 2010 38 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Laser Tracker Pierre BOURDET - mars 2010 39 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Principe : Temps de vol Pierre BOURDET - mars 2010 40 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique z Tracker Radar x y Sans cible Pierre BOURDET - mars 2010 41 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Laser Radar Pierre BOURDET - mars 2010 42 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Principe de la mesure chromatique Source de lumière blanche Spectromètre I fibre optique Lame semiréfléchissante Filtre spatial Lentille avec aberration Chromatique Crayon optique Unité de contrôle Surface de l’objet Pierre BOURDET - mars 2010 43 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Exemple de résultats (logiciel MountainsMap® de digital surf) Surface usinées par balayage avec une fraise à bout sphérique Plage de mesure Cheveu 0,13mm 1,2mm 12mm 27mm Pierre BOURDET - mars 2010 Distance de travail 3,3μm 12,7μm 29μm 19,6μm Résolution axiale Exactitude 0,005μm 0,02μm 0,025μm 0,2μm 0,280μm 0,9μm 0,6μm 3μm 44 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Exemple de résultats macrogéométrie ZOOM microgéométrie ZOOM Pierre BOURDET - mars 2010 45 Mesures optiques axiales Interférométrie laser Télémétrie Chromatique Mise au point optique Principe Groupe optique Plan image Contraste Image Plan focal Déplacement Modification de la focale lentille Déplacement de la lentille Surface Pierre BOURDET - mars 2010 46 Systèmes de Numérisation 3D Sans contact dune cible optique projetée ou posée sur la surface Triangulation Axia le Capteur à faisceau laser * Interférométrie laser * Lumière structurée Télémétrie par temps de vol * Photogrammétrie Chromatique * Par cibles actives (GPS) Mise au point optique Pierre BOURDET - mars 2010 Ima gerie Tomographie * 47 Mesures par Tomographie En imagerie médicale : I.R.M. Pierre BOURDET - mars 2010 48 Mesures par Tomographie En mécanique : mode destructif de numérisation Pierre BOURDET - mars 2010 49 Mesures par Tomographie Tomographie rayons X Reconstitution de la forme 3D à partir de la mesure de lignes obtenues dans des plans de coupes Pierre BOURDET - mars 2010 50 Référence : Chap. 2 de louvrage «Spécification géométrique des produits Cotation et Tolérancement ISO», oct 2007 Dunod, collection Technique et Ingénierie, série Conception, auteurs Pierre Bourdet et Fabien Schneider Pierre BOURDET - mars 2010 51
