Types d'éclairage courants

Cette note correspond à la Section 11.1 du Guide de Ressources en Imagerie

Souvent, un client se débat avec des problèmes de contraste et de résolution dans un système d'imagerie, tout en sous-estimant le pouvoir d'un éclairage approprié. En fait, la qualité d'image souhaitée peut généralement être obtenue en améliorant l'éclairage d'un système plutôt qu'en investissant dans des détecteurs, des objectifs d'imagerie et des logiciels à plus haute résolution. Les intégrateurs de systèmes doivent se rappeler que l'intensité lumineuse de l'image finale dépend directement de la sélection des composants.

Un éclairage correct est essentiel pour un système d'image et un éclairage incorrect peut causer une variété de problèmes d'image. Le blooming ou les points chauds, par exemple, peuvent cacher des informations importantes de l'image, tout comme l'ombrage. En outre, l'ombrage peut également entraîner de faux calculs de bords lors de la mesure, ce qui se traduit par des mesures inexactes. Un mauvais éclairage peut également entraîner un faible rapport signal/bruit. Un éclairage non uniforme, en particulier, peut nuire aux rapports signal/bruit et rendre plus difficiles des tâches telles que le seuillage. Ce ne sont là que quelques-unes des raisons pour lesquelles un éclairage correct de votre application est si important.

Les pièges d'un éclairage inadéquat sont clairs, mais comment les éviter ? Pour garantir un éclairage optimal lors de l'intégration d'un système, il est important de reconnaître le rôle que joue le choix des bons composants. Chaque composant affecte la quantité de lumière incidente sur le capteur et, par conséquent, la qualité d'image du système. L'ouverture de l'objectif d'imagerie (f/#) a un impact sur la quantité de lumière incidente sur la caméra. L'éclairage doit augmenter à mesure que l'ouverture de l'objectif se ferme (c'est-à-dire que le f/# est plus élevé). Les objectifs de forte puissance nécessitent généralement un éclairage plus important, car les petites zones vues renvoient moins de lumière dans l'objectif. La sensibilité minimale de la caméra est également importante pour déterminer la quantité minimale de lumière nécessaire dans le système. En outre, les paramètres de la caméra, tels que le gain, la vitesse d'obturation, etc., affectent la sensibilité du capteur. L'éclairage par fibre optique implique généralement un illuminateur et un guide de lumière, chacun d'entre eux devant être intégré pour optimiser l'éclairage à l'endroit où se trouve le capteur.

Tableau 1 : Principales unités photométriques
1 bougie-pied	= 1 lumen/ft²
1 bougie-pied	= 10,764 bougies-mètres
1 bougie-pied	= 10,764 lux
1 bougie	= 1 lumen/stéradian
1 bougie	= 3,142 x 10^-4 Lambert
1 Lambert	= 2,054 bougies/in²
1 lux	= bougie-mètre
1 lux	= 0,0929 bougies-pieds
1 bougie-mètre	= 1 lumen/m²

L'intensité lumineuse de nos produits d'éclairage est généralement spécifiée en termes de bougies-pieds (footcandle, unité anglaise). Le lux, l'unité SI équivalente, peut être relié aux bougies-pieds comme suit : 1 lux = 0,0929 bougies-pieds.

Tableau 2 : Comparaison des éclairages
Exigence de l'application	Objet inspecté	Type d'éclairage suggéré
Réduction de la spécularité	Objet brillant	Diffus frontal, diffus axial, polarisant
Éclairage uniforme de l'objet	Tout type d'objet	Frontal diffus, axial diffus, anneaux lumineux
Mise en évidence des défauts de surface ou de la topologie	Objet presque plat (2-D)	Lumière structurée et unidirectionnelle
Mise en évidence de la texture de l'objet grâce aux ombres	Tout type d'objet	Lumière directionnelle et structurée
Réduire les ombres	Objet avec protubérances, objet 3D	Frontal diffus, axial diffus, anneaux lumineux
Mettre en évidence les défauts de l'objet	Objet transparent	Fond noir
Objet en silhouette	Tout type d'objet	Rétroéclairage
Profilage de la forme d'un objet en 3-D	Objet avec protubérances, objet 3D	Lumière structurée

Types d'éclairage

Un éclairage approprié étant souvent le facteur déterminant entre le succès et l'échec d'un système, de nombreux produits et techniques spécifiques ont été développés pour surmonter les obstacles les plus courants en matière d'éclairage. La mire utilisée dans cette section a été développée pour démontrer les forces et les faiblesses de ces différents schémas d'éclairage pour une variété de caractéristiques d'objets. Les rainures, les couleurs, les déformations de la surface et les zones spéculaires de la mire représentent certains des problèmes courants qui peuvent exiger une attention particulière dans les applications réelles.

Éclairage directionnel – Éclairage ponctuel provenant d'une ou de plusieurs sources. Il est possible d’utiliser des optiques supplémentaires pour concentrer ou répartir l'éclairage.
Avantages	Lumineux, flexible, et peut être utilisé dans diverses applications. S'insère facilement dans différents emballages.
Inconvénients	Ombres et éblouissements.
Produits utiles	Guides de lumière en fibre optique, assemblages de focalisation, spots lumineux LED et lumière incandescente.
Application	Inspection et mesure d'objets mats et plats.

Configuration de l'éclairage directionnel

Éclairage brillant – Éclairage ponctuel similaire à l'éclairage directionnel, mais avec un angle d'incidence élevé.
Avantages	Montre la structure de la surface et améliore la topographie de l'objet.
Inconvénients	Points chauds et ombres extrêmes.
Produits utiles	Guides lumineux en fibre optique, assemblages de focalisation, spots lumineux LED et guides lumineux à incandescence et guides guides lumineux linéaires ???.
Application	Identification des défauts d'un objet en profondeur et examen de la finition des objets opaques.

Éclairage diffus – Lumière diffuse et uniforme provenant d'une source étendue.
Avantages	Réduit l'éblouissement et fournit un éclairage uniforme.
Inconvénients	Grand et difficile à placer dans des espaces confinés.
Produits utiles	Lumières fluorescentes linéaires.
Application	Idéal pour l'imagerie de grands objets brillants avec de grandes distances de travail.

Anneau lumineux – Éclairage coaxial qui se monte directement sur un objectif.
Avantages	Se monte directement sur l'objectif et réduit les ombres. Éclairage uniforme lorsqu'il est utilisé aux bonnes distances.
Inconvénients	Éblouissement circulaire dû aux surfaces réfléchissantes. Ne fonctionne que sur des distances de travail relativement courtes.
Produits utiles	Anneaux lumineux fibre optique et anneaux lumineux fluorescents ; anneaux lumineux LED.
Application	Une grande variété de systèmes d'inspection et de mesure avec des objets mats.

Éclairage à anneaux lumineux sur une mire

Configuration de l'éclairage à anneaux lumineux

Éclairage axial diffus – Lumière diffuse en ligne avec l'optique. L'objectif regarde à travers un séparateur de faisceaux qui réfléchit la lumière sur l'objet. L'éclairage est coaxial à l'accès d'imagerie.
Avantages	Très uniforme et diffus ; réduit considérablement les ombres ; très peu d'éblouissement.
Inconvénients	Grand et difficile à monter ; distance de travail limitée ; faible débit de sorte que plusieurs sources de fibres optiques peuvent être nécessaires pour fournir un éclairage suffisant.
Produits utiles	Connecteur pour lumière axiale diffuse à fibres optiques Illuminateurs à fibres optiques simples ou multiples. Faisceaux de fibres simples, doubles ou quadruples selon la taille de l'accessoire et le nombre d'illuminateurs utilisés. lluminateur axial diffus à LED.
Application	Mesures et inspection d'objets brillants.

Configuration de l’éclairage axial diffus

Lumière structurée (générateurs de ligne) – Motifs qui sont projetés sur l'objet. Il s'agit généralement de lignes, de spots, de grilles ou de cercles projetés par laser.
Avantages	Améliore les caractéristiques de surface en fournissant un éclairage intense sur une petite zone. Peut être utilisé pour obtenir des informations sur la profondeur de l'objet.
Inconvénients	Peut provoquer un phénomène de blooming et est absorbé par certaines couleurs.
Produits utiles	Lasers avec des optiques générant des lignes ou des motifs diffractifs.
Application	Inspection d'objets tridimensionnels pour détecter les caractéristiques manquantes. Mesures de topographie.

Configuration de l'éclairage à lumière structurée

Lumière polarisée – Un type d'éclairage directionnel qui utilise la lumière polarisée pour éliminer les spécularités et les points chauds.
Avantages	Fournit un éclairage uniforme sur toute la surface de l'objet polarisé. Réduit l'éblouissement pour rendre les caractéristiques de la surface discernables.
Inconvénients	L'intensité globale de la lumière est réduite après le placement d'un filtre polarisant devant la source lumineuse et/ou l'objectif d'imagerie.
Produits utiles	Filtres de polarisation et adaptateurs polariseur/analyseur.
Application	Mesures et inspection d'objets brillants.

Fond noir – La lumière pénètre dans un objet transparent ou translucide par les bords perpendiculaires à l'objectif.
Avantages	Contraste élevé des détails internes et de surface. Met en valeur les rayures, les fissures et les bulles des objets transparents.
Inconvénients	Mauvais contraste des bords. Pas utile pour les objets opaques.
Produits utiles	Connecteur à fibre optique pour éclairage à fond noir, guides de lumière linéaires et générateurs de lignes laser.
Application	Inspection du verre et du plastique.

Configuration de l’éclairage à fond noir

Fond clair/rétroéclairage – L’objet est éclairé par derrière. Utilisé pour silhouetter des objets opaques ou pour obtenir des images à travers des objets transparents.
Avantages	Contraste élevé pour la détection des bords.
Inconvénients	Élimine les détails de surface.
Produits utiles	Rétroéclairage à fibre optique et rétroéclairage à LED.
Application	Mires de test, détection des bords, mesure d'objets opaques et tri d'objets colorés translucides.

Éclairage à fond clair/rétroéclairage sur une mire

Configuration à éclairage a fond clair/rétroéclairage sur une mire

Le filtrage permet d'obtenir différents niveaux de contraste.

Des exemples illustrent l’éclairage en fond noir et en rétroéclairage avec des filtres de couleur assortis. Remarque : Images prises avec l’objectif zoom proche mise au point 10X #54-363: Champ de vision = 30 mm, distance de travail = 200 mm.

Fond noir uniquement Les défauts apparaissent en blanc

Fond noir avec filtre bleu Les défauts apparaissent en bleu.

Fond noir et rétroéclairage Aucun filtre n'est utilisé, mais le contraste des bords est amélioré.

Fond noir sans filtre et rétroéclairage avec filtre jaune Améliore le contraste général, les défauts apparaissent en blanc par rapport au reste du champ.

Amélioration de l'image à l'aide de polariseurs

Un polariseur est utile pour éliminer les réflexions spéculaires (éblouissement) et faire ressortir les défauts de surface d'une image. Un polariseur peut être monté soit sur la source lumineuse, soit sur l'objectif vidéo, soit sur les deux, selon l'objet à inspecter. Lorsque deux polariseurs sont utilisés, un sur la source d'éclairage et un sur l'objectif vidéo, leurs axes de polarisation doivent être orientés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. Voici des solutions de polarisation aux problèmes d'éblouissement pour plusieurs types de matériaux et circonstances.

Problématique 1

L'objet est non métallique et l'éclairage le frappe à un angle aigu.

Solution 1

Un polariseur sur l'objectif est généralement suffisant pour bloquer les éblouissements. (Faites tourner le polariseur jusqu'à ce que l'éblouissement soit minimal.) Ajoutez un polariseur devant la source lumineuse si l'éblouissement est toujours présent.

Sans polariseurs

Avec polariseurs

Problématique 2

L'objet a une surface métallique ou brillante.

Solution 2

Il est recommandé de monter un polariseur sur la source lumineuse ainsi que sur l'objectif pour améliorer le contraste et faire ressortir les détails de la surface. La lumière polarisée incidente sur la surface brillante restera polarisée lorsqu'elle sera réfléchie. Les défauts de surface du métal modifieront la polarisation de la lumière réfléchie. En tournant le polariseur de l'objectif de façon à ce que son axe de polarisation soit perpendiculaire à celui de la source d'éclairage, on réduit l'éblouissement et on rend visibles les rayures et les creux de la surface.

Sans polariseurs

Avec polariseurs

Problématique 3

L'objet présente à la fois des zones très réfléchissantes et des zones diffuses.

Solution 3

L'utilisation de deux polariseurs orientés perpendiculairement élimine les points chauds de l'image causés par les parties métalliques. Le reste du champ sera uniformément éclairé grâce aux zones diffuses qui réfléchissent la lumière polarisée de façon aléatoire vers l'objectif.