Suppression d'aberrations optiques des capteurs à triangulation laser en substituant l'objectif à lentilles par une fente

Lapointe-Pinel, Benjamin (2024). Suppression d'aberrations optiques des capteurs à triangulation laser en substituant l'objectif à lentilles par une fente. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 91 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : Ce mémoire présente les différents aspects du fonctionnement des capteurs de distance à triangulation laser: de l'émission du faisceau laser à la capture par caméra, en passant par l'objectif à lentilles, sans oublier le principe de triangulation et les algorithmes d'analyse d'images. Ce mémoire abordera aussi l'utilité, les avantages et désavantages de ces capteurs, ainsi que la recherche actuelle faite pour contourner leurs limitations. De plus, nous proposerons aussi une nouvelle méthode de capture de tache laser qui consiste à remplacer l'objectif à lentilles par une fente suffisamment petite pour exploiter la capture par sténopé et le principe de diffraction. Ainsi, mis à part l'astigmatisme, les aberrations optiques monochromatiques sphériques, de défocalisation, de coma, de courbure de champ et de distorsion sont évitées et la réflexion interne est diminuée au point de pratiquement disparaître. De plus, l'utilisation d'une fente réduit le nombre de pièces optiques dans le montage et simplifie la modélisation de la tache du laser pour en trouver le centre. Nous avons produit des jeux de données de capture d'image avec un objectif à lentilles puis avec une fente sur différents matériaux à l'aide d'un montage où la cible est posée sur une vis sans fin dont sa position est contrôlée par un moteur pas à pas à précision élevée. Avec ces données, nous avons extrait le centre de la tache laser avec différents algorithmes de traitement d'image. Ensuite, nous avons pu évaluer la qualité de l'ajustement de la courbe de triangulation sur les ensembles de points capturés par les deux méthodes. Nous concluons que la fente contourne bel et bien les aberrations optiques et la réflexion interne des objectifs à lentilles, ce qui rend la capture plus précise. De plus, comparée à un objectif à lentilles, la capture par fente demande beaucoup moins de pièces, ce qui diminuera les coûts et simplifierait l'entretien et la calibration. -- Mot(s) clé(s) en français : aberration optique, caméra à sténopé, capteur de distance, capteur de déplacement, capteur, diffraction, laser, lentille, mesure de distance, mesure sans contact, optique à sténopé, optique, triangulation laser, triangulation. --
ABSTRACT : This master's thesis presents the various aspects of the laser triangulation sensors: laser beam emission, camera capture, lenses, triangulation principle and image analysis algorithms. This thesis will also discuss the usefulness, advantages and disadvantages of these sensors, as well as current research being carried out to overcome their limitations. This thesis presents a new capture method for laser triangulation sensors that replaces the lens with a slit---effectively making it a pinhole camera---and exploiting diffraction effects. This new method circumvents optical aberrations such as spherical, defocusing, coma, field curvature, and lens distortion, and reduces lens flare to a point where it can be virtually ignored. Moreover, using a slit reduces the number of optical parts and simplifies the modeling of the laser spot to find its center. To test our proposed method, we generated data sets taking pictures with both a lens and a slit on different materials placed on a worm gear with its position controlled by a high precision step motor. With this data, we extracted the center of the laser spot with different image processing algorithms. It was then possible to assess the goodness of fit of the triangulation curve using the sets of points captured by both methods. We show that not only we circumvent the adverse effects of optical aberrations and lens flare, we obtain a more accurate estimation of the actual known distance of the target. Furthermore, compared to lens, slit capture requires fewer parts, which could cut costs and simplify maintenance and calibration. -- Mot(s) clé(s) en anglais : diffraction, displacement sensor, distance measurement, laser triangulation, laser, lens, non-contact measurement, optical aberration, optics, pinhole camera, pinhole optics, range sensor, sensor, triangulation.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Pigeon, Steven
Information complémentaire :	Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en informatique en vue de l'obtention du grade de maître ès informatique.
Mots-clés :	Lasers; Capteurs; Triangulation; Aberration; Sténopé; Caméras à balayage de fente.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Informatique
Date de dépôt :	08 avr. 2025 19:51
Dernière modification :	08 avr. 2025 19:51
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3249