Etude des constructions 2009 S.T.I (Génie Optique) Baccalauréat technologique

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Examen du Secondaire Baccalauréat technologique. Sujet de Etude des constructions 2009. Retrouvez le corrigé Etude des constructions 2009 sur Bankexam.fr.

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• 2009

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• Publié par: bankexam
• Publié le: 05 juin 2010
• Nombre de lectures: 111
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

STI Génie Optiqeu– S seisno2 00Et9 e uds denscocurtnoitoC siffet : cierée 8 DuR pe :h6 :9 rè e1 MEGOEC  

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Aucun document n'est autorisé   Moyens de calcul autorisés :   Calculatrice électronique de poche, y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique, à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage d'imprimante (conformément à la circulaire N°99-018 du 1 février 1999).     Ce sujet comprend 3 dossiers :   - Dossier technique - - - - - - - - - - - - - -(DT1/4 à DT4/4)   - Dossier "questions" - - - - - - - - - - - - -(DQ1/4 à DQ4/4)   Dossier "réponses" - - - - - - - - - - - - -(DR1/9 à DR9/9) -       Les candidats rédigeront les réponses aux questions posées sur le dossier réponses uniquement.     Tous les documents "réponse", même vierge, sont à remettre à la fin de l'épreuve.      

 

 

  BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE   GENIE OPTIQUE   SESSION 2009       Etude des Constructions   Durée : 6heures et 30minutes pour le repas pris sur place   Coefficient : 8

 

     3. Constitution :   La Quickcam Sphèr ’ e est constitu ’ ée de 4 modules :    - S1 : Un module d acquisition d image:    Constitué d'un objectif achromatique, d'une cellule CCD VGA 640 x 480 et d'une carte  électronique.              CCD           Doublet objectif                               - S2 : Un module de déplacement vertical (rotation autour de Oy ) x  Le module optique subit un mouvement de rotation autour d’un axe  horizontal ( O,y ). Le moteur M 1  entraîne le réducteur R 1 . Ce réducteur  est en prise avec le secteur denté SD 1  en liaison encastrement avec y  les coques de la webcam. La rotation du moteur M 1  entraîne une Z    rotation de l’ensemble {moteur M 1 , réducteur R 1 , module optique} par    rapport aux coques de la webcam qui restent fixes.     1. Mise en situation :  axe de rotation (O, y )   La Quickcam Sphère est un périphérique informatique. Elle se raccorde à un ordinateur par     moteur M 1     cordon USB et transmet des images vidéo par internet en temps réel.   La particularité de la Quickcam Sphère est son suivi automatique du visage de l'utilisateur. Cette   réducteur R 1   fonction mécanique de panoramique et d'inclinaison permet à la caméra de se déplacer   physiquement de droite à gauche sur 128° et de haut en bas de 54°.   coques Avec son Capteur CCD VGA, la Quickcam Sphère permet de capturer des vidéos et des photos avec une résolution de 640 x 480 pixels.     axe   liaison pivot On l'achète dans le commerce pour une somme variant de 100 à 150 €.   module optique       y   2. Fonction globale :   La Quickcam Sphère a pour fonction de créer et transmettre des images numériques et de suivre le visage de l'utilisateur lorsque celui-ci se déplace.                              carte électronique      secteur denté SD1     STI Génie Optique – Session 2009 Etude des constructions Coefficient : 8 Durée : 6h Repère : 9ECGOME1 Page DT 1 / 4  

   

  4. Analyse fonctionnelle : y   Diagramme FAST : Il permet d'établir, à partir des fonctions de service, les fonctions techniques puis les solutions technologiques utilisées dans le système étudié. Ici la fonction de service principale fait apparaître 3 fonctions techniques : Ft1, Ft2 et Ft3.         Ft1 : Poser la caméra   sur un bureau  Ft21 : Orienter le    module optique  ti lement ver ca Fp : Transmettre  Ft2 : Suivre le des ima  déplacement du  ges ériques visage de l’utilisateur num    Ft22 : Orienter le    module optique Ft3 : Acquérir une  horizontalement   image vidéo sur ordin teur a           Extrait du cahier des charges fonctionnel : Le C.D.C.F. décrit les différentes fonctions que doit remplir la webcam.     Fonctions de service Critères d'appréciation Niveau d'appréciation Ft21 : Orienter le module  La rotation autour de l'axe balayage  vertical proche optique verticalement  ( O,y ) des  54°   Ft22 : Orienter le module  La rotation autour de l'axe vision horizontale proche optique horizontalement  ( O,x ) des  128 ° Ft3 : Acquérir une image  Fréquence d’acquisition  30 images/s maxi vidéo Taille de l’image  VGA (640 x 480) Plage de netteté  40 mm a l’ ∞   

- S3 : Un module de déplacement horizontal (rotation autour de Ox ) La tête de la webcam subit un mouvement de rotation autour d’un axe vertical ( O,x ). Le moteur M 2 entraîne le réducteur R 2 . Ce réducteur est en prise avec le secteur denté SD 2 en liaison encastrement avec la base fixe de la webcam. La rotation du moteur M 2  entraîne une rotation de l’ensemble {moteur M 2 , réducteur R 2 , module de déplacement vertical, module optique, coques} par rapport à la base fixe.                                 réd   ucteur R 2 fixé   sur coque     axe liaison pivot       moteur M 2       axe de rotation (O, x )     sec   teur denté SD 2                                     base fixe lestée         ’ - S4 : Une base fixe lestée pour stabiliser l ensemble :   La base comporte une pièce de masse importante pour stabiliser la webcam lors du déplacement des différents éléments.  

x

x Z

pO einéG – euqitn iossSetu E0920sec edd urtcnots CoeionsientfficSTI     /4  2 DTe ag PE1GCMO  E9er: eRèp 6h ée : Dur : 8

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6. Extrait de documentation moteur Ces moteurs sont proposés avec différentes vitesses, différentes tensions d´entrée et différents couples de sortie. Ils sont adaptés pour les projets de développement ou éducatifs, ainsi que pour diverses applications telles que les mécanismes de démonstration, d´essai, de mouvement, de maquettiste ou de déplacement simple ou peu coûteux.  Spécifications techniques    tension à vide au rendement max. com co m d a e n   de (V n   o c. m c . .   ) ( v t i r t / e m s i s n e )     co ( u A r ) a   nt  ( v t i r t / e m s i s n e )   co ( u A r ) a   nt  1 C 0 o -3 u  N pl m e     € Prix 238-9692 1,5 8200 0,19 6250 0,62 6,4 2,94 € 238-9709 1,5 4600 0,12 3750 0,53 11,53 5,52 € 238-9721 6 11400 0,1 9800 2,1 77,7 6,51 € 238-9759 6 7500 0,45 6250 2,1 118,2 3,90 € 7. Extrait de documentation vis autotaraudeuses        

Les 2 fonctions techniques : Ft2 et Ft3 qui seront étudiées par la suite sont présentées ci-dessous par leurs diagrammes FAST, qui précisent les solutions technologiques utilisées pour chaque fonction.               Ft21 : Orienter le module optique verticalement                        Ft22 : Orienter le module optique horizontalement                      5. Caractéristiques du doublet objectif :   Description   ( Dia m .  )   R ( a m R y 1 m o   ) n       R ( a m R y 2 m o   ) n     R ( a m R y 3 m o   ) n     T v y e p r e r   e d    e  Dia m D M o g u F b 2 l   e T t S     Achr.   5.0 5.5 -3.0 -18.0  B F a D F 1 1 0 0     R  R 2   1       Verre   Désignation   Indice d ( e n  r d é ) f   raction Nombre  d’Abbe (vd)   BaF10 167.472 1.67 47.2 FD10 173.283 1.73 28.3  

Ft211 : Convertir l é 'é n n er er g g i i e e     m él é e c c a tr n i i q q u u e e     e d n e     Moteur  rotation Ft2121  : Guider en  Guidage en rotation rotation  d’axe O y   Ft212 : Transmettre  Ft2122 : Adapter le l'énergie mécanique  mouvement de rotation  Réducteur d’entrée Ft2123 : Limiter l'amplitude du balayage  Butées mécaniques Ft221 : Convertir  M l'énergie en énergie  oteur mécanique de rotation  Ft2221 : Guider en  da e rotation  r G o u t i atio g n d   ’ e a n x   e O x  

Durée : 6h Repère : 9ECGOME1

Ft222 : Transmettre  Ft2222 : Adapter le l'énergie mécanique  mouvement de rotation  Réducteur d’entrée

R 3  

Ft2223 : Limiter l'amplitude du balayage  Butées mécaniques

  Se– ioss20n  E09éG I einitpO euqST 8 : tnns Cctioicieoeffd seutedtsurc no

 2009 Etude des ocsnrtcuitno soCTISén G Oieqitp– euseS nois

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EM 1CEOG :9 uD 8 : tneiciffee èrep R6h: e ré

P' 1  P' 2

P' 1  P' 2  P' 3  

1.3. Etude de la profondeur de champ :   La profondeur de champ longitudinale est la distance qui sépare les deux points objets limites vus nets par la webcam. Cette profondeur de champ est directement liée à la taille des pixels de la matrice CCD.   objectif CCD  CCD       P 1  P 2  P' P' 2  P 1 P 2   1           1 pixel     Les points entre P 1  et P 2  forment des images nettes sur la matrice CCD. Les faisceaux issus de P1 et P2 ne couvrent qu'un pixel.     e L t e   s  a p p o r i è n s t   s a P v 2   an f t o   r P m 1   e ( n P t 3    p d a e r  s  ex i e m m a p g l e e s )    P 3  P 1  P 2   floues sur la matrice CCD. L’image P’ 3  issue de P 3  couvre plusieurs pixels sur la matrice CCD.       Détermination de la profondeur de champ longitudinal sans diaphragme supplémentaire. Page DR3/9   Remarque : - sur les documents réponses, les pixels de la matrice CCD sont représentés  exagérément grossis pour permettre la mise en évidence des phénomènes.  - la monture de l’objectif joue le rôle de diaphragme.   Q 1.3.1. Déterminer les points P 1 et P 2 , limites du champ longitudinal. Q 1.3.2. Donner la profondeur de champ en mm et quelle en est l’incidence sur les déplacements de la personne filmée.   Le concepteur a rajouté un diaphragme après l'objectif. Page DR4/9   Q 1.3.3. Déterminer les nouveaux points P' 1 et P' 2 qui sont vus nets par la matrice CCD. Q 1.3.4. Déterminer les nouveaux points P 1 et P 2 , limites du champ longitudinal (le point P1 se trouve hors de la feuille). Q 1.3.5. Quelle est l’incidence du diaphragme sur la profondeur de champ ?   Dimentionnement de l'ouverture du diaphragme. Page DR5/9   Q 1.3.6. Déterminer graphiquement l'ouverture du diaphragme pour que la profondeur de champ longitudinal soit infinie. Q 1.3.7. Donner le diamètre d'ouverture réel du diaphragme en mm.

  Présentation générale de l’étude :   Les études proposées porteront sur plusieurs parties de la Quickcam Sphère.   1. Etude de la fonction "Acquérir une image vidéo" : Cette partie consiste à étudier la profondeur de champ de la webcam, la modifier et identifier son influence sur l’éclairement de la CCD. On modifiera la conception existante pour améliorer les performances précédentes.   2. Etude de la fonction "Suivre le déplacement de l'utilisateur" : Cette partie consiste à identifier les mouvements des composants lors du suivi du déplacement de l’utilisateur.   3. Etude de la fonction " Orienter le module optique horizontalement " : Cette partie consiste à dimensionner le moteur pour cette fonction.   4. Etude de la fonction Orienter le module optique verticalement " : " Le but de cette étude est de vérifier si le dimensionnement de la liaison pivot du module de déplacement vertical est satisfaisant.   1. Etude de la fonction "Acquérir une image vidéo" : 1.1. Analyse Fonctionnelle : page DR1/9   Q 1.1.1. Complétez le diagramme FAST de la fonction "Acquérir une image vidéo".   1.2. Modélisation de l'objectif : page DR1/9 et DR2/9   L'objectif est composé d'une lentille plan-convexe en BK7.   Répondre page DR1/9   Q 1.2.1. Donner la signification de la désignation du verre BK7 : 517.642 Q 1.2.2. Par la méthode réelle, déterminer l'image du point A ∞  formée par les rayons 1, 2, 3. Q 1.2.3. Hachurer (à proximité de A’) le faisceau issu de A ∞ . Q 1.2.4. Quelle est la nature de l'image du point A ∞ .   L'objectif est remplacé par un doublet achromatique. Les caractéristiques du doublet sont données dans le dossier technique page DT3/4.   Répondre page DR2/9   Q 1.2.5. Donner la fonction supplémentaire du doublet par rapport au composant précédemment utilisé. Q 1.2.6. La méthode paraxiale est valable dans les conditions de Gauss. Préciser les conditions optiques qui sont nécessaires pour travailler dans le domaine de Gauss. Q 1.2.7. Déterminer, par la méthode paraxiale, la focale image et la frontale image du doublet objectif. Donnez ces valeurs. STI Génie Optique – Session 2009 Etude des constructions Coefficient : 8 Durée : 6h Repère : 9ECGOME1 Page DQ 1 /4  

  1.4. Etude de l éclairement de la cellule CCD : ’   Pour cette étude, utiliser les documents DR3/9 et DR5/9   Q 1.4.1. Sur le document DR3/9, tracer le faisceau issu de P 1 , limité par le système (rayons limites en rouge). Q 1.4.2. Sur le document DR5/9, tracer le faisceau issu de P 1 , limité par le système (rayons limites en bleu). Q 1.4.3. En comparant les deux configurations, conclure quant à l’influence du diaphragme sur l’éclairement de la cellule CCD. Répondre sur le document DR5/9.   1.5. Modification de l'ensemble optique existant : page DR6/9   On souhaite augmenter l’éclairement de la cellule CCD de la webcam pour permettre son utilisation dans des conditions d'éclairement plus faible. Pour cela il faut supprimer le diaphragme. La profondeur de champ devient alors trop courte. Pour s'affranchir du problème de profondeur de champ, l'objectif fixe est remplacé par un objectif avec déplacement motorisé en focalisation (autofocus). Ce dispositif permettra de faire la mise au point sur des points objets situés entre 40 mm et l' ∞ .   Q 1.5.1. Déterminer la position de la matrice CCD pour que l'image d'un objet situé à 40 mm de l'objectif se forme sur le plan de la matrice CCD (on supposera que le plan de la matrice est en P’). Q 1.5.2. Déterminer la position de l'objectif pour que l'image d'un objet situé à l' ∞  se forme sur le plan de la matrice CCD. Q 1.5.3. En déduire la course de l’autofocus.   1.6. Reconception de l'ensemble optique : DR 7/9  Motoréducteur (9)    Pignon denté (10)      Support fixe (6)      Cage (2) + (3) CCD      Objectif (4) (5)    Barillet mobile (7)      Carte électronique (1)        

Dans cette partie,on se propose de concevoir les modifications qui permettent de réaliser la motorisation de l'objectif.   Le doublet objectif (4) (5) est en liaison encastrement dans un barillet (7). Le maintien en position peut être indémontable car aucune maintenance n'est prévue. Q 1.6.1. Réaliser cette liaison en vue de gauche et caractériser les ajustements relatifs au montage des lentilles dans le barillet sur le document réponse DR7/9   Le barillet (7) est focalisable par rapport au support fixe (6). Pour permettre le deplacement de l’autofocus, le barillet mobile (7) et le support fixe (6) sont en liaison hélicoidale. La roue dentée et ce barillet composent la même piece. Q 1.6.2. Réaliser cette liaison en vue de gauche sur le document réponse DR7/9   Le support fixe (6) est en liaison encastrement avec la carte électronique (1). La mise en position du support fixe (6) se fait sur les surfaces fonctionnelles de la cage de la matrice CCD. Ces surfaces fonctionnelles de mise en position apparaissent en gris sur la figure ci-dessous.    surfaces fonctionnelles de  mise en position du support  fixe (6) sur la cage de CCD (2)                         Le maintien en position du support fixe est r a s par eux men s e s (11). Une documentation est fournie dans le dossier technique page DT3/4.   Q 1.6.3. Sur le document réponse DR7/9, compléter la liaison encastrement entre le support fixe (6) et la carte électronique (1), dans la vue de dessus. Un seul élément fileté doit apparaître en représentation normalisée, justifier le choix de celui-ci. 2. Etude de la fonction "Suivre le déplacement de l'utilisateur" : Sur le document réponse page DR8/9   Q 2.1.1. Identifier en bleu les pièces qui se déplacent lors de l'orientation horizontale de la webcam (déplacement autour de l'axe vertical). Q 2.1.2. Identifier en rouge les pièces qui se déplacent lors de l'orientation verticale de la webcam (déplacement autour de l'axe horizontal). Q 2.1.3 Quelles sont les raisons qui ont conduit le concepteur à : -   séparer la motorisation des deux mouvements ? -   choisir la solution de réduction par un train d’engrenages identique pour les deux mouvements ?

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Roue dentée (7)

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  1  9ECGOMEeRèper: eé: 6  hTS IéGin epOructonst CoeionseitnffciD ru: 8 – e qutin iossSeutE 9002c sed ed

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y Axe de rotation vertical O, x  

y M 2 Partie mobile Partie fixe

z N sortie  

M 2

M 2  

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