Les meilleures pratiques pour une meilleure imagerie

Auteurs : Gregory Hollows, Nicholas James

Cette note fait partie du Guide de Ressources en Imagerie.

Que votre application concerne la vision industrielle, les sciences de la vie, la sécurité ou les solutions de circulation, la compréhension des principes fondamentaux de la technologie d'imagerie facilite considérablement le développement et le déploiement de systèmes d'imagerie sophistiqués. Si les progrès des technologies de détection et d'éclairage laissent entrevoir des capacités illimitées pour les systèmes, la conception et la fabrication de ces technologies sont soumises à des limites physiques. Les composants optiques ne font pas exception à ces limitations et peuvent souvent être le facteur limitant des performances du système. Le contenu de ce guide est conçu pour aider à spécifier un système d'imagerie, à maximiser les performances du système et à minimiser les coûts.

Nous avons compilé plusieurs bonnes pratiques simples pour créer des systèmes d'imagerie sophistiqués et rentables, utiles pour la plupart des applications. Bien que cette liste soit presque exhaustive et qu'elle devrait être utilisée lors de la conception de tout système d'imagerie, chaque application est unique et peut nécessiter une attention particulière.

#1: Prévoyez un espace suffisant pour le système d'imagerie.

Comprendre les besoins en espace d'un système avant de le construire est particulièrement important pour les exigences de haute résolution et de fort grossissement. Les progrès récents dans le domaine de la technologie des caméras ont donné naissance à des appareils photo grand public exceptionnelles de petite taille. Cependant, ces progrès ne profitent guère aux systèmes d'imagerie industrielle, même de niveau intermédiaire, en raison notamment des limites de taille. De nombreuses applications peuvent nécessiter des géométries de lumière complexes, des objectifs de grand diamètre et de grande longueur, et des caméras de grande taille, sans compter le câblage et les sources d'énergie nécessaires au fonctionnement des équipements. Évitez de sacrifier les performances en tenant compte de la faisabilité spatiale lors de la planification du projet. Précisez d'abord les exigences du système de vision d'un projet. Il est généralement plus facile de disposer l'électronique et la mécanique autour de la partie optique qu'autrement. Il est important de noter que le schéma d'éclairage fait partie du système de vision et que l'objet inspecté peut nécessiter l'utilisation de sources lumineuses importantes ou nombreuses, comme un dôme diffus (voir la meilleure pratique #4).

#2: Ne croyez pas vos yeux.

L'œil et le cerveau humains travaillent ensemble pour former un système d'imagerie et d'analyse extrêmement avancé, capable de compléter des informations qui ne sont pas nécessairement présentes. En outre, la façon dont les êtres humains voient et traitent les contrastes est fondamentalement différente de celle des systèmes d'imagerie. Pour s'assurer que les exigences en matière de qualité d'image et de performance sont respectées, il faut utiliser une analyse logicielle. Les images qui semblent bonnes pour un être humain peuvent ne pas être suffisantes.

#3: Ne vous approchez pas trop près.

En raison des contraintes physiques, tenter d'obtenir des champs de vision (FOV) trop grands, par rapport à la distance de travail (WD) d'un objectif, impose des exigences excessives à la conception des composants optiques, ce qui réduit les performances du système et augmente le besoin de traitement de l'image et le temps de traitement. Il est recommandé de choisir un objectif dont la distance de travail est environ deux à quatre fois supérieure à la largeur FOV souhaitée afin de maximiser les performances tout en minimisant le coût et la complexité. N'oubliez pas la meilleure pratique #1 et tenez compte de l'espace requis par le système d'imagerie avant de le construire.

Cette pratique s'applique également à la relation entre la taille du capteur et la distance focale. Il est préférable d'avoir des rapports distance focale/diagonale du capteur de deux à quatre (2:1 à 4:1) pour maximiser les performances.

Deux modèles d’objectifs, 1a (gauche) et 1b (droite), avec le même champ de vision et des distances de travail très différentes.

Figure 1 : Deux modèles d’objectifs, 1a (gauche) et 1b (droite), avec le même FOV et des distances de travail très différentes.

#4: Éclairez pour l'occasion concrète.

Pour qu'un objectif et un capteur fonctionnent efficacement ensemble, un fort contraste doit être reproduit en éclairant correctement l'objet. Les caractéristiques de l'objet inspecté et la nature des défauts éventuels doivent être comprises afin d'utiliser la géométrie d'éclairage appropriée. N'oubliez pas que ces lumières peuvent être très grandes (voir meilleure pratique #1). Pour en savoir plus sur les géométries d'éclairage, consultez notre note d'application intitulée Types d'éclairage courants.

#5: La couleur est importante.

La longueur d'onde (couleur) choisie pour l'éclairage peut avoir un impact énorme sur les performances du système. Dans une application utilisant des optiques de haute qualité et un capteur haut de gamme, le passage d'un éclairage large bande à un éclairage monochromatique, ou entre des longueurs d'onde spécifiques, peut améliorer considérablement les performances. Comme pour la meilleure pratique #4, le choix approprié de la longueur d'onde peut faire la différence entre un contraste élevé et un contraste nul, et peut faire la différence entre le succès ou l'échec du système.

En fonction de la longueur d'onde de la lumière, il existe plusieurs points de meilleure focalisation. Cette image montre trois points pour trois longueurs d'onde différentes.

Figure 2 : En fonction de la longueur d'onde de la lumière, il existe plusieurs points de meilleure focalisation. Cette image montre trois points pour trois longueurs d'onde différentes.

Découvrez comment les techniques de filtrage appropriées peuvent avoir un impact sur les performances du système dans notre note d'application sur les types de technologie de filtrage.

#6: La haute résolution et les grandes profondeurs de champ ont du mal à coexister.

Comme le montrent les sections Depth of Field and Depth of Focus, l'optimisation de la résolution et de la profondeur de champ (DOF) exige que la même variable - f/# - évolue dans des directions opposées. Il est impossible d'avoir une très haute résolution sur un grand DOF. Pour y parvenir, des solutions plus élaborées peuvent être nécessaires, comme l'utilisation d'une lentille liquide ou de plusieurs systèmes d'imagerie.

#7: Il n'existe pas d'objectif unique qui puisse tout faire.

À mesure que les exigences de résolution augmentent, il devient de plus en plus difficile de réduire les aberrations (attributs de la conception optique qui nuisent aux performances) sur une large gamme de paramètres de fonctionnement. Même sans contraintes budgétaires, il existe des limites physiques. C'est pourquoi il est nécessaire de disposer d'une large gamme de solutions d’objectifs pour des applications similaires.

Figure 3 : Comparaison de deux tailles d’objectifs différentes avec des applications sensiblement différentes.

Vous trouverez plus de détails sur les performances des objectifs dans la section Types of Machine Vision Lenses.

#8: Comprenez parfaitement l'objet à inspecter.

La capacité de produire le plus haut niveau de contraste sur un objet à inspecter est la base de l'imagerie. Comprendre les propriétés de l'objet, comme ses matériaux ou ses finitions, est essentiel pour réussir. En outre, il ne suffit pas de savoir quelles caractéristiques sont considérées comme bonnes ou mauvaises. Au contraire, pour garantir des niveaux élevés de fiabilité et de répétabilité, il faut comprendre l'éventail des détails à inspecter et les marges du bon et du mauvais.

#9: Soyez un fanatique du contrôle.

La possibilité de contrôler l'environnement dans lequel le système d'imagerie est déployé peut affecter de manière significative la fiabilité et la cohérence des résultats. En outre, elle réduit également la probabilité de problèmes involontaires. Qu'il s'agisse d'utiliser des filtres pour augmenter le contraste, des déflecteurs pour empêcher la lumière indésirable de pénétrer dans le système, ou des dispositifs de mesure pour contrôler la stabilité spectrale des sources lumineuses, le contrôle de l'environnement réduira les difficultés imprévues à l'avenir. Certaines de ces techniques sont des moyens extrêmement peu coûteux de protéger et d'augmenter les performances d'un système d'imagerie coûteux.

#10: Parlez.

N'ayez pas peur de demander pourquoi quelque chose va ou ne va pas fonctionner. Les fournisseurs doivent être en mesure d'expliquer pourquoi les composants sont ou ne sont pas capables d'atteindre le résultat souhaité. La réponse ne sera pas toujours la même (par exemple, les lois de la physique ou les défauts de conception). Toutefois, les concepteurs et les fabricants doivent être en mesure d'expliquer les capacités de leurs produits.

#11: Comprendre et définir les paramètres fondamentaux des systèmes d'imagerie.

En affinant les paramètres spécifiques requis pour le système d'imagerie, la large gamme d'objectifs et de capteurs disponibles peut être réduite à une sélection gérable. Les paramètres fondamentaux d'un système d'imagerie constituent un excellent point de départ et sont détaillés dans la section suivante.

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