Éclairage en silhouette dans la vision industrielle

Les applications de vision industrielle nécessitant une détection et une mesure précises des bords et des petits défauts requièrent souvent des configurations d'éclairage difficiles. Pour maximiser le contraste entre un détail important et l'arrière-plan d'une image, envisagez d'utiliser une technique d'éclairage appelée éclairage en silhouette. Utilisé avec un objectif d'imagerie télécentrique de haute qualité, un éclairage en silhouette réduit les effets de diffusion qui peuvent se produire avec d'autres systèmes d'éclairage, permet une détection plus précise des contours et offre un meilleur contraste général de l'image. Il existe quatre types d'illuminateurs qui permettent de créer un éclairage en silhouette : les rétroéclairages conventionnels, les rétroéclairages masqués, les rétroéclairages collimatés et les éclairages télécentriques. Chaque illuminateur présente des avantages et des inconvénients distincts en fonction de l'application.

Divergence et ouverture numérique

Avant de présenter les différents types d'illuminateurs de silhouettes, il est nécessaire d'examiner la divergence et l'ouverture numérique (NA) des sources optiques et des objectifs d'imagerie. La divergence d'une source est l'angle de propagation des rayons lumineux par rapport à son axe optique. Une source lumineuse divergente est une source dont le profil d'éclairage croît en taille au fur et à mesure qu'elle s'éloigne de son point initial, un peu comme une lampe de poche standard. Si une source optique ne semble pas croître en taille à mesure qu'elle avance, la source est définie comme une source de lumière collimatée, la plus courante étant le laser.

On parle de lumière collimatée lorsque les rayons d'une source se propagent parallèlement les uns aux autres. On y parvient en utilisant un composant optique pour manipuler un faisceau divergent ou en plaçant une source divergente suffisamment loin d'un objet pour qu'elle apparaisse collimatée au moment où elle atteint l'objet. En plaçant une source divergente au point focal d'une lentille positive, les rayons se collimateront après avoir subi une réfraction. La taille de la source et la lentille spécifique utilisée déterminent le degré de collimation du faisceau obtenu. L'équation 1 montre la relation entre la divergence résiduelle dans le faisceau collimaté θ, le diamètre d'une source D et la distance focale f de la lentille de collimation. Cette équation ne tient pas compte d'autres aspects susceptibles d'affecter la qualité d'un faisceau collimaté, tels que le facteur de forme de la lentille, les erreurs de figure ou la rugosité des surfaces de réfraction. L'équation 1 montre le compromis qui est souvent nécessaire entre la divergence résultante et la collecte de la lumière. La figure 1 présente un schéma simple de collimation et démontre que le diamètre final du faisceau collimaté est égal à celui de la lentille de collimation utilisée.

(1) $$θ = {tan} ^{-1} { ({^ {D } \over ^{f} }) }$$

Figure 1 : Collimation d’une source divergente

Plus la divergence d'une source lumineuse est faible, mieux elle est adaptée à l'éclairage des silhouettes. La figure 2 montre comment une lumière collimatée et une source divergente interagissent différemment avec un objet à inspecter.

Figure 2 : Source collimatée ou divergente

Les rayons de la source divergente frappent les bords d'un objet sous différents angles, ce qui entraîne une diffusion de la lumière (Figure 3). La lumière diffusée varie en fonction de la géométrie et des propriétés des matériaux, telles que la douceur et la réflectivité, de la pièce à inspecter. Cela crée un effet où les rayons diffusés semblent provenir des limites physiques de la pièce elle-même. Les rayons de la source collimatée atteignent l'objet directement, ce qui réduit considérablement la diffusion de la lumière et crée un bord bien défini entre l'arrière-plan et la silhouette.

Figure 3 : Rayons lumineux diffusés aux bords d'un objet

L'ouverture numérique est l'un des aspects les plus importants à prendre en compte lors du choix d'un couple objectif-source d'éclairage pour un système d'imagerie. L'ouverture numérique d'un objectif est un nombre sans unité qui décrit sa capacité à capter la lumière hors axe. L'équation 2 montre que la NA d'une source est définie par sa divergence, θ.

(2)$$NA_{source} ={sin} {({^{θ} \over ^{2}})}$$

L'ouverture numérique d'un objectif d'imagerie peut être incluse dans les spécifications de fabrication, mais elle peut également être estimée en utilisant l'inverse de son nombre F (comme dans l'Equation 3). Les deux étant directement liés, la NA peut également être utilisée pour définir la résolution et la profondeur de champ d'un objectif d'imagerie.

(3)$$NA_{objectif} = {({_{1} \over ^{2 \times F\#}})}$$

Pour maximiser l'efficacité d'un système d'imagerie, les ouvertures numériques de l'objectif d'imagerie et de la source doivent être aussi proches que possible. Si l'ouverture numérique de la source est beaucoup plus grande que ce que l'objectif peut gérer, il peut y avoir des problèmes de diffusion et de lumière parasite. Lorsque la NA d'un objectif est beaucoup plus grande que celle de la source, l'image peut apparaître faible et insuffisamment contrastée. Dans un dispositif d'éclairage en silhouette, on utilise souvent un objectif télécentrique comme objectif d'imagerie. En raison de leur construction, le grossissement des objectifs télécentriques reste constant lorsqu'ils sont rapprochés ou éloignés de l'objet. Ils sont donc idéaux pour les applications où l'éclairage de la silhouette serait bénéfique, comme l'évaluation de la forme et de la taille des défauts d'un objet. Les objectifs télécentriques ont souvent des ouvertures numériques plus petites que les objectifs d'imagerie à distance focale fixe standard, ce qui rend le choix de l'éclairage encore plus critique.

Rétroéclairages conventionnels

Les rétroéclairages conventionnels sont des sources lumineuses divergentes placées derrière l'objet à inspecter. Ils sont souvent construits en plaçant de nombreuses petites sources lumineuses, telles que des LED ou des fibres optiques orientées de manière aléatoire, derrière un diffuseur pour créer une source lumineuse à utiliser dans des configurations d'imagerie de silhouettes moins exigeantes. Ces sources lumineuses sont couramment utilisées lorsqu'une détection précise des bords n'est pas nécessaire, par exemple dans les applications de microscopie ou avec des objets non réfléchissants. Les avantages supplémentaires de ces rétroéclairages conventionnels sont leur prix comparativement plus bas, leur grande disponibilité et leur construction plus petite, ce qui les rend faciles à intégrer dans des installations à l'espace restreint.

Figure 4 : Rétroéclairage à base de fibres optiques

Comme ces types de rétroéclairage intègrent des sources divergentes avec un diffuseur, la lumière résultante peut souvent se disperser sur les bords d'un objet. Cela peut être particulièrement visible si l'objet est métallique et réfléchissant, comme le montre la Figure 5.

Figure 5 : Silhouette de l'objectif utilisant un rétroéclairage conventionnel

Cette diffusion se manifeste par un bord qui apparaît dégradé et flou, ce qui peut compliquer la tâche d'un utilisateur ou d'un logiciel pour déterminer où se trouve le bord d'un objet. Une grande partie de la diffusion également éclairer des parties de l'objet qui ne sont pas nécessaires et entraîner la prise de données trompeuses. Le profil du bord illustré à la Figure 6 présente une intensité relative du bord allant de clair à foncé (haut à bas) sur une plage d'environ 30 pixels, les lettres sur le côté de l'objectif provoquant des ondulations dans les données.

Figure 6 : Profil des bords obtenu avec un rétroéclairage conventionnel

Rétroéclairage masqué

Si la lumière diffusée par les bords de la silhouette obtenue à partir d'un rétroéclairage conventionnel divergent est inacceptable pour une application, l'augmentation de la distance entre le rétroéclairage et l'objet fera apparaître les rayons du rétroéclairage moins divergents. Cependant, ce n'est pas toujours la meilleure solution, car si le rétroéclairage est trop éloigné, la lumière risque d'être perdue. Si le rétroéclairage est trop proche de l'objet, l'effet de diffusion dû à la divergence inhérente au rétroéclairage reste problématique.

Comme le montre la Figure 7, l'objet à inspecter est souvent beaucoup plus petit que la taille globale du rétroéclairage. Cela signifie que les rayons lumineux provenant des parties inutilisées du rétroéclairage peuvent également frapper les bords de l'objet et provoquer une diffusion plus importante et plus lumineuse que si seuls les rayons proches du bord interagissaient avec l'objet. En masquant le rétroéclairage, la diffusion par les bords peut être réduite en bloquant ces rayons étrangers.

Figure 7 : Rétroéclairage conventionnel et rétroéclairage masqué

Pour masquer un rétroéclairage, il convient d'utiliser un matériau opaque tel que du papier floqué afin d'occulter les parties du rétroéclairage qui ne sont pas nécessaires à l'application. Cette méthode est avantageuse car il s'agit d'une modification rapide et peu coûteuse d'un éclairage. L'inconvénient est que le masque n'élimine pas complètement la diffusion aux bords et qu'il peut être nécessaire de masquer à nouveau la lumière en permanence pour des objets de taille différente. Les objets qui sont inspectés lorsqu'ils se déplacent dans le champ de vision de l'objectif ne peuvent pas non plus être masqués efficacement. La Figure 8 compare un rétroéclairage qui a été masqué à un autre qui ne l'a pas été.

Figure 8 : Bords de l'objet avec un rétroéclairage conventionnel (à gauche) et un rétroéclairage masqué (à droite)

Rétroéclairages collimatés

De construction similaire aux rétroéclairages conventionnels, les rétroéclairages collimatés contiennent des sources lumineuses divergentes et un diffuseur, mais disposent d'un film collimateur supplémentaire pour réduire la divergence du rétroéclairage. Ce film ne permet aux rayons lumineux de sortir que dans une certaine plage angulaire, créant ainsi une source lumineuse à faible divergence et à profil bas. Ce film intégré offre l'avantage d'une faible diffusion sur les bords sans qu'il soit nécessaire de masquer un rétroéclairage existant pour des objets de différentes tailles.

Figure 9 : Rétroéclairages Collimatés à LED à Éclairage Périphérique d’Advanced Illumination

Bien que ces rétroéclairages ne soient pas vraiment collimatés, l'amélioration est perceptible dans les configurations d'éclairage en silhouette. La Figure 10 est un exemple de réduction de la diffusion par les bords avec un bord profilé plus net.

Figure 10 : Rétroéclairages Collimatés à LED à Éclairage Périphérique d’Advanced Illumination

L'apparence d'un bord propre est confirmée par l'examen du profil d'intensité du bord. La Figure 11 montre une pente beaucoup plus raide dans la transition de la lumière à l'obscurité, se produisant sur environ 20 pixels et ne souffre pas du bruit comme dans la Figure 6.

Figure 11 : Profil des contours obtenu avec un rétroéclairage collimaté

Un rétroéclairage collimaté est utilisé lorsque la diffusion aux bords est un problème, mais les contraintes d'espace et de budget ne permettent pas l'utilisation d'un illuminateur télécentrique.

Éclairages télécentriques

Lorsque des applications de haute précision exigent les mesures les plus précises, il faut considérer un illuminateur télécentrique comme source de lumière. Un illuminateur télécentrique fonctionne de la même manière qu'un objectif d'imagerie télécentrique, mais au lieu que les éléments optiques avant projettent le diaphragme d'ouverture à l'infini, il projette une source lumineuse. Lorsque ces deux systèmes optiques sont utilisés conjointement, ils offrent des performances et un contraste supérieurs à ceux des options de rétroéclairage mentionnées précédemment.

Figure 12 : Éclairage télécentrique

Le principal avantage d'un illuminateur télécentrique est le degré élevé de collimation obtenu grâce à sa conception optique. Les sources LED divergentes sont intégrées dans des ensembles qui créent des rayons collimatés, généralement à moins d'un degré de la collimation réelle. Ces types d'illuminateurs télécentriques sont construits en positionnant avec précision une grande lentille positive et une petite LED puissante, créant un profil d'éclairage qui crée des silhouettes nettes et correspond à la NA d'un objectif d'imagerie télécentrique mieux que d'autres méthodes de rétroéclairage. La Figure 13 montre le même objet de la Figure 10 rétroéclairé par un illuminateur télécentrique. L'objet ne présente aucun des effets de diffusion aux bords observés avec un rétroéclairage conventionnel et la transition entre les bords est plus nette qu'avec le rétroéclairage collimaté. La Figure 14 confirme cette transition brutale, le passage de la lumière à l'obscurité s'effectuant sur moins de 10 pixels.

Figure 13 : Silhouette d'un objectif utilisant un rétroéclairage télécentrique

Figure 14 : Profil des contours obtenu avec un illuminateur télécentrique

L'obtention de ces silhouettes très contrastées présente des inconvénients. Les éclairages télécentriques sont souvent plus coûteux et plus volumineux que les options de rétroéclairage évoquées précédemment. En raison de la conception optique d'un objectif télécentrique, la taille de l'élément frontal détermine la taille du point éclairé. Si un grand champ de vision est nécessaire, un grand illuminateur télécentrique sera nécessaire, ce qui augmentera la taille et le poids du système. En outre, la faible NA d'une source permet de créer une image exempte d'effets de diffusion, mais peut rendre l'alignement plus difficile. Si l'alignement entre l'illuminateur télécentrique et l'objectif est décalé ne serait-ce que d'un degré, le point créé par l'illuminateur apparaîtra extrêmement faible et le contraste des bords sera réduit. La Figure 15 montre la rapidité avec laquelle le profil se dégrade lorsque l'objectif et l'illuminateur ne sont pas alignés.

Figure 15 : Points éclairés produits dans l'alignement (à gauche) et à 20 arcmin hors de l'alignement (à droite)

Les spécifications du fabricant d'un illuminateur télécentrique peuvent parfois prêter à confusion. La valeur de la distance de travail est une spécification significative lorsqu'elle est utilisée avec un objectif d'imagerie télécentrique, car elle décrit la distance physique (ou la plage de distances) à laquelle l'objectif peut faire la mise au point correctement. Un illuminateur télécentrique ne focalise pas la lumière et ne crée pas d'image, ce chiffre n'est donc souvent pas utile. Grâce à l'efficacité de la collecte et de la collimation de la lumière dans un illuminateur télécentrique bien conçu, la distance physique entre la lumière et un objet peut être beaucoup plus grande que la distance de travail indiquée. Dans le cas d'un illuminateur télécentrique, les spécifications les plus pertinentes sont le diamètre maximal du faisceau lumineux collimaté, la taille physique de l'objectif et l'ouverture numérique. Ces spécifications constituent la base du choix d'une combinaison appropriée d'éclairage et d'objectif.

Conclusion

La Figure 16 montre les profils des contours du même objet tracés l'un par rapport à l'autre pour comparer le nombre de pixels sur lesquels s'effectue la transition entre le fond clair et le bord sombre. L'illuminateur télécentrique présente la coupure la plus rapide et la plus régulière, tandis que le rétroéclairage collimaté présente une pente régulière qui s'étend sur environ deux fois plus de pixels. La pente du rétroéclairage conventionnel présente d'abord un profil similaire à celui du rétroéclairage collimaté, mais la diffusion supplémentaire induite par la forte divergence du rétroéclairage montre que le profil a du mal à atteindre rapidement des intensités plus sombres. Les incohérences dans le profil du rétroéclairage conventionnel sont dues à des lettres sur le bord de l'objet qui ne sont visibles qu'en raison de la plus grande diffusion sur les bords, ce qui met en évidence un autre problème possible lors de l'utilisation d'un rétroéclairage conventionnel.

Figure 16 : Profils combinés des contours obtenus avec un rétroéclairage conventionnel (bleu), un rétroéclairage collimaté (vert) et un éclairage télécentrique (rouge).

Connaître les aspects les plus importants d'une installation d'éclairage pour votre application vous aidera à faire un choix plus informé en matière de rétroéclairage.

LE TYPE D'ÉCLAIRAGE	AVANTAGES	INCONVÉNIENTS
Rétroéclairage conventionnel	Faible coût	Une divergence élevée crée une diffusion sur les bords
	Profil bas	Un taux élevé de NA entraîne un gaspillage de lumière
	Facile à installer et à aligner	Uniformité moyenne à médiocre

Rétroéclairage masqué	Réduction de la diffusion par rapport aux rétroéclairages conventionnels	Pas d'approche unique
Rétroéclairage masqué	Modification facile et peu coûteuse du rétroéclairage existant	Inconvénients similaires à ceux du conventionnel dans les parties non masquées

Rétroéclairage collimaté	Divergence plus faible pour réduire la diffusion aux bords	Pas vraiment collimaté
	Des tailles plus importantes sont disponibles dans un emballage plus petit	Inefficace lorsqu'il est associé à des objectifs télécentriques à faible NA
	Grande uniformité	Coût plus élevé que celui des rétroéclairages conventionnels

Éclairage télécentrique	Les divergences les plus faibles créent les silhouettes les plus contrastées	Plus coûteux
	Permet une plus grande séparation entre la source lumineuse et l'objet	Taille plus grande
	Grande uniformité	Sensibilité à l'alignement

Tableau 1 : Avantages et inconvénients de la méthode d'éclairage en silhouette

L'éclairage des silhouettes peut être produit avec différents types de rétroéclairage et le meilleur choix dépendra en fin de compte de votre application spécifique. Il peut être tentant d'utiliser un rétroéclairage standard pour des raisons d'encombrement et de coût, mais cela entraîne souvent une diffusion inacceptable et un mauvais contraste aux bords. Le masquage des parties inutilisées de ces rétroéclairages peut s'avérer utile, mais il peut prendre beaucoup de temps si l'inspection porte sur des objets de tailles différentes. Les rétroéclairages collimatés sont souvent moins coûteux et plus petits que les éclairages télécentriques, mais ils peuvent ne pas convenir aux applications qui exigent une grande précision. Les éclairages télécentriques offrent la meilleure uniformité globale et la détection la plus précise des bords, mais ils ne peuvent pas s'adapter à toutes les configurations en raison de leur taille et de leur coût plus élevés.

Produits pertinents :

Rétroéclairages Télécentriques

Lumière collimatée optiquement pour un contraste amélioré aux bords
Collimation supérieure, utilisation parfaite avec des objectifs télécentriques
Facilement compatibles avec des LED coaxiales de 8 mm ou des guides lumineux en fibre optique ¼" (0,312”)

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