Éclairage en ligne

Cette note correspond à la Section 11.2 du Guide de Ressources en Imagerie.

L'éclairage en ligne est un style d'éclairage unique qui incorpore l'éclairage dans le train optique de l'objectif de vision industrielle, généralement au moyen d'un guide de lumière à fibre optique ou d'une source lumineuse à LED et d'une optique de séparation du faisceau. L'utilisation d'un séparateur de faisceau pour intégrer l'éclairage dans le trajet d'imagerie est très similaire à l'utilisation d'un éclairage axial, sauf que le séparateur de faisceau se trouve à l'intérieur de l'objectif et non devant. Cela rend l'éclairage en ligne plus compact que l'éclairage axial diffus. L'éclairage en ligne est une forme d'éclairage à fond clair et est plus directionnel que l'éclairage axial diffus, qui est un mélange d'éclairage à fond clair et à fond noir. Dans le cas spécifique des objectifs télécentriques (Figure 1), l'éclairage en ligne est le seul moyen d'obtenir un éclairage à fond clair réfléchi sur l'ensemble du champ de vision (FOV) de l'objectif, car tout éclairage devant l'objectif sera en dehors du FOV de l'objectif (voir section 11.1).

Figure 1 : Schéma de l'éclairage en ligne dans un objectif télécentrique.

Des résultats très différents seront également obtenus en comparant l'éclairage en ligne au rétroéclairage. La Figure 2 montre une mire de contraste positive USAF 1951, chrome sur verre, éclairée à la fois par un éclairage à fond clair et par un éclairage en ligne.

Figure 2 : Mire de résolution USAF 1951 en chrome sur verre avec rétroéclairage (Figure 2a) et éclairage en ligne (Figure 2b).

La différence la plus immédiate entre les deux types d'éclairage est l'inversion complète du contraste entre les deux images. De plus, les défauts de la mire sont plus facilement visibles sur l'image rétroéclairée, ce qui, selon l'application, peut être un effet positif ou négatif. Il est intéressant de noter que la nature hautement réfléchissante de la mire permet d'obtenir un contraste supérieur d'environ 10% pour l'image en ligne par rapport à l'image à fond clair - la raison en est expliquée ci-dessous.

Quand utiliser l'éclairage en ligne

Lorsqu'on envisage d'utiliser l'éclairage en ligne, il est important de comprendre exactement où il est applicable et où il ne l'est pas. L'éclairage en ligne est idéal pour l'inspection d'objets spéculaires ou semi-spéculaires, tels que les tranches de semi-conducteurs ou les CCD, en raison de la nature des rayons sur le trajet d'éclairage. En utilisant deux objectifs télécentriques différents, l'un avec un éclairage en ligne et l'autre avec un anneau lumineux, les images du même CCD démontrent les différences entre l'éclairage à fond noir (avec un anneau lumineux) et l'éclairage en ligne. Les images sont présentées dans la Figure 3.

Figure 3 : Comparaison de l'éclairage à fond noir (à gauche) avec l'éclairage en ligne à fond clair (à droite).

Èclairage à fond noir	Éclairage en ligne à fond clair
Fils à faible contraste	Fils à fort contraste
Éclat brillant sur la plaque frontale	Éclat foncé sur la plaque frontale
Image à fort contraste dans certaines zones, mais incohérente sur l'ensemble du champ	Illumination uniforme avec un contraste constant entre les éléments

Tableau 1 : Comparaison de l'éclairage à fond clair et en ligne.

L'éclairage en ligne serait un meilleur choix pour inspecter les fils le long du bord du CCD en raison du contraste plus élevé et plus uniforme entre les fils et le reste du CCD. Comme le montre la Figure 4, la raison pour laquelle les fils de la Figure 3 apparaissent plus noirs par rapport à l'arrière-plan lors de l'utilisation de l'éclairage en ligne est que l'arrière-plan est spéculaire et renvoie toute la lumière directement dans l'objectif, alors que les fils diffus ne renvoient qu'une petite quantité de lumière vers l'objectif. Avec l'éclairage à fond noir, l'arrière-plan est sombre car la plupart des réflexions spéculaires ne reviennent pas dans l'objectif. La réflexion diffuse des fils est également faible, ce qui entraîne un faible contraste entre les fils et l'arrière-plan.

Dans le cas de l'éclairage à fond noir, les rayons provenant de l’anneau lumineux sont diffusés par l'objet dans l'objectif. Les réflexions varient en fonction de l'angle des sources individuelles dans l’anneau lumineux ainsi que de l'angle des fils eux-mêmes par rapport à la surface du CCD et du matériau de soudure aux extrémités, ce qui explique pourquoi les réflexions ont des valeurs de pixel non uniformes sur la longueur du fil. En utilisant l'éclairage en ligne, tous les rayons sont réfléchis par l'objet et dispersés loin de l'objectif, de sorte que très peu de la lumière qui frappe les fils est renvoyée dans l'objectif et sur le capteur. Le contraste plus uniforme de l'arrière-plan, ainsi que le contraste plus fort des fils, font de l'éclairage en ligne un meilleur choix pour l'inspection des fils que l'éclairage à fond noir.

Si le verre de couverture du CCD devait être inspecté pour vérifier l'absence de creux ou d’éclats, l'éclairage en ligne serait également le choix le plus avantageux car l'image globale présente un contraste beaucoup plus uniforme. Les éclats sombres montrés en utilisant l'éclairage en ligne apparaîtraient avec un contraste beaucoup plus élevé par rapport au fond agité du CCD que les éclats montrés dans l'image à haut contraste formée à l'aide d'un système à fond noir, comme le montre la Figure 3.

Avec l'éclairage à fond noir utilisant l’anneau lumineux (à gauche), la plupart, mais pas la totalité, de la lumière se réfléchissant sur un objet spéculaire ne revient pas dans l'objectif, alors qu'avec l'éclairage en ligne (à droite), la totalité de la lumière se réfléchit sur l'objet spéculaire et revient dans l'objectif.

Figure 4 : Avec l'éclairage à fond noir utilisant l’anneau lumineux (à gauche), la plupart, mais pas la totalité, de la lumière se réfléchissant sur un objet spéculaire ne revient pas dans l'objectif, alors qu'avec l'éclairage en ligne (à droite), la totalité de la lumière se réfléchit sur l'objet spéculaire et revient dans l'objectif.

Quand ne pas utiliser l'éclairage en ligne ?

En raison de ses multiples avantages, on pense souvent que l'éclairage en ligne est toujours le meilleur choix pour les systèmes à espace restreint. Malheureusement, ce n'est pas la meilleure solution pour toutes les applications. Les objets diffus ou faiblement réfléchissants sont plus efficacement représentés à l'aide de différentes techniques d'éclairage. Le fait de placer un séparateur de faisceau sur le trajet du train d'imagerie introduit plusieurs sources de lumière parasite dans un système d'éclairage en ligne, et les seules options pour y remédier entièrement introduiraient des problèmes encore plus graves dans le train optique. Par conséquent, il y aura toujours de la lumière qui passera de la source d'éclairage au capteur sans avoir été réfléchie ou dispersée par l'objet. Cela provoque un voile sur l'image, empêchant les régions noires de l'objet d'être réellement noires dans l'image. Cette perte de contraste n'est pas toujours problématique, mais elle peut poser problème dans les applications à faible signal, comme l'imagerie d'objets diffus ou sombres. La Figure 5 en est un exemple : une lumière circulaire éclaire uniformément un objet en bois, mais l'image éclairée en ligne est grise avec un point chaud au milieu.