La technologie des filtres pour la vision industrielle

Auteurs : Gregory Hollows, Nicholas James

Types de technologie de filtration

Cette note correspond à la Section 8.1 du Guide de Ressources en Imagerie.

Il existe de nombreux types de filtres en vision industrielle qui peuvent être utilisés pour améliorer ou modifier l'image de l'objet inspecté. Il est important de comprendre les différentes technologies qui se cachent derrière les divers types de filtres afin de connaître leurs avantages et leurs limites. Bien qu'il existe une grande variété de filtres, presque tous peuvent être divisés en deux catégories principales : les filtres en verre coloré et les filtres interférentiels traités.

Filtres en Verre Coloré

Les filtres en verre coloré sont extrêmement courants dans le domaine de la vision industrielle. Ils sont créés en dopant les matériaux en verre avec des éléments qui modifient sélectivement leurs spectres d'absorption et de transmission. Les dopants varient en fonction des longueurs d'onde considérées pour la transmission, et le processus de fabrication est presque identique à celui du verre optique standard. Les filtres en verre coloré sont avantageux pour plusieurs raisons : ils sont d'un coût relativement faible par rapport aux filtres interférentiels et, surtout, ils ne présentent aucun décalage dans la transmission des longueurs d'onde lorsqu'ils sont utilisés avec des objectifs grand angle ou à un angle. Cependant, les filtres en verre coloré présentent aussi généralement de larges bandes d'ondes de coupure, n'ont pas des courbes aussi nettes ou précises que les filtres interférentiels traités et n'ont pas des valeurs de transmission aussi élevées que les filtres interférentiels. La Figure 1 montre les courbes de transmission de plusieurs filtres en verre coloré courants. Notez que les filtres présentent de larges bandes d'ondes de coupure et que leurs fonctions de transmission ont des pentes relativement faibles.

Figure 1 : Courbes de transmission pour plusieurs différents filtres en verre coloré.

Les filtres de coupure infrarouge (IR) peuvent être soit des filtres en verre coloré, soit un type de filtre traité utile pour les caméras monochromes et couleurs. Comme les capteurs en silicium de la plupart des caméras de vision industrielle réagissent à des longueurs d'onde allant jusqu'à environ 1 µm, toute lumière infrarouge incidente sur le capteur provenant de lampes fluorescentes de plafond ou d'autres sources indésirables peut créer des inexactitudes dans le capteur. Sur une caméra couleur, la lumière infrarouge crée une fausse couleur sur le capteur qui peut dégrader la reproduction globale des couleurs. C'est pourquoi de nombreuses caméras d'imagerie couleur sont équipées en standard de filtres de coupure IR. Avec les caméras monochromes, la présence de lumière infrarouge diminue le contraste de l'image globale, mais les filtres de coupure IR ne sont généralement pas intégrés, contrairement aux caméras couleur. Il existe une multitude d'autres types de filtres en verre coloré. Par exemple, les filtres bleus de la lumière du jour peuvent être utilisés pour l'équilibrage des couleurs lorsque des sources lumineuses polychromatiques et des capteurs de couleurs sont utilisés.

Filtres Interférentiels Traités

Les filtres traités offrent généralement des transitions de coupure cut-on et cut-off plus nettes, des transmissions plus élevées et un meilleur blocage que les filtres en verre coloré. Outre les filtres en verre coloré, il existe toute une gamme de filtres traités, notamment des filtres fluorescents à traitement dur, des filtres dichroïques et des filtres polarisants. Chaque filtre traité est soumis à un processus de fabrication unique afin de garantir une bonne performance. Les filtres optiques sélectifs en fonction de la longueur d'onde sont fabriqués en déposant des couches diélectriques dont les indices de réfraction sont alternativement élevés et faibles sur un substrat spécifique. La qualité et l'uniformité de la surface du substrat déterminent la qualité optique de base du filtre, ainsi que les limites de longueur d'onde où la transmission du matériau du substrat diminue. Les couches diélectriques produisent la structure spectrale détaillée d'un filtre en créant une interférence constructive et destructive sur une gamme de longueurs d'onde, et en fournissant des bandes de coupure cut-on et cut-off beaucoup plus nettes par rapport aux filtres en verre coloré. Il existe de nombreux types de filtres à traitement dur, tels que les filtres passe-bande, passe-haut, passe-bas et coupe-bande, chacun ayant une plage de blocage et une plage de transmission spécifiques. Les filtres passe-haut sont conçus pour bloquer les longueurs d'onde courtes et laisser passer les longueurs d'onde longues.

Les filtres passe-bas sont l'inverse, ils laissent passer les longueurs d'onde plus courtes et bloquent les longues. Les filtres passe-bande laissent passer une bande de longueurs d'onde, tout en bloquant les longueurs d'onde plus longues et plus courtes qui se trouvent en dehors de la bande passante. L'inverse d'un filtre passe-bande est un filtre coupe-bande, qui bloque une bande de longueurs d'onde et laisse passer les plus longues et les plus courtes. Les formes des courbes de transmission pour ces types de filtres sont présentées à la Figure 2.

Figure 2 : Exemples de courbes de transmission de filtres passe-haut et passe-bas (a) et de filtres passe-bande et coupe-bande (b).

Les filtres conçus pour un blocage profond (densité optique élevée) et des pentes fortes (transition nette du blocage à la transmission) sont utilisés dans des applications où un contrôle précis de la lumière est essentiel. La plupart des applications de vision industrielle ne nécessitent pas ce niveau de précision. En général, tout filtre dont la densité optique (OD) est égale ou supérieure à 4 est plus précis que nécessaire et ajoute un coût inutile. Étant donné que les filtres à traitement dur utilisent l'interférence optique pour obtenir des bandes de transmission et de rejet aussi précises, ils présentent des difficultés lorsqu'ils sont utilisés dans des applications de vision industrielle. Tous les filtres interférentiels sont conçus pour un angle d'incidence (AOI) spécifique, généralement 0°, sauf indication contraire. Lorsqu'ils sont utilisés dans le domaine de la vision industrielle, ces filtres sont généralement placés devant l'objectif, ce qui permet au filtre d'accepter la lumière provenant d'angles dictés par le champ de vision angulaire (AFOV) de l'objectif. En particulier dans le cas d'objectifs à courte distance focale (AFOV important), la lumière qui est transmise à travers le filtre présente souvent un effet indésirable appelé décalage vers le bleu. Par exemple, un objectif grand angle de 4,5 mm de distance focale aura un décalage vers le bleu beaucoup plus important qu'un objectif étroit de 50 mm de distance focale. Lorsque l'AOI d'un filtre interférentiel augmente, la longueur du chemin optique à travers les couches du filtre augmente, ce qui entraîne une diminution des longueurs d'onde de coupure cut-on et cut-off (Figure 3).

Figure 3a : Les filtres interférentiels agissent en fonction de la distance parcourue par la lumière incidente sur le filtre. Lorsque l'angle d'incidence est correct, les ondes lumineuses incidentes sur le filtre interfèrent de manière destructive, ce qui les empêche de traverser le filtre. À un angle différent, l'interférence destructive n'est pas aussi efficace.

Figure 3b : Un exemple de décalage vers le bleu, montré avec un filtre passe-bande utilisé à un angle d'incidence de 15˚. Notez non seulement le déplacement vers une longueur d'onde centrale plus faible, mais aussi l'atténuation de la pente. La courbe en pointillés est idéale lorsque le filtre est utilisé à un angle d'incidence de 0˚.

Par conséquent, à différents points du champ dans l'image, le filtre se comportera différemment en transmettant différentes gammes de longueurs d'onde : plus le champ est éloigné, plus le décalage vers le bleu est prononcé. Dans la plupart des cas, les filtres interférentiels peuvent toujours fournir un meilleur contrôle de filtrage qu'un filtre en verre coloré, mais soyez conscient des pièges potentiels lorsque vous utilisez un filtre interférentiel avec un objectif grand angle.

Applications de vision industrielle utilisant le filtrage

Cette note correspond à la Section 8.2 du Guide de Ressources en Imagerie.

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Lors de la conception d'un système de vision industrielle, il est important de renforcer le contraste des caractéristiques d'intérêt de l'objet inspecté. Pour une introduction au contraste, voir la note d'application Contraste. Le filtrage offre un moyen simple d'améliorer le contraste de l'image tout en bloquant les éclairages indésirables. Il existe de nombreuses façons différentes d'améliorer le contraste, et le type de filtre dépend de l'application. Parmi les filtres couramment utilisés en vision industrielle, on trouve les filtres en verre coloré, interférentiels, à densité neutre (ND) et polarisants. Les filtres passe-bande en verre coloré font partie des filtres les plus simples disponibles pour améliorer considérablement la qualité des images. Ces filtres sont incroyablement efficaces pour réduire la bande d'ondes visible par le système de vision, et sont souvent moins chers que des filtres interférentiels comparables. Les filtres en verre coloré fonctionnent mieux lorsqu'ils sont utilisés pour bloquer les couleurs du côté opposé du cercle chromatique (Figure 4).

Cercle chromatique montrant que les couleurs chaudes doivent être utilisées pour filtrer les couleurs froides du côté opposé du cercle.

Figure 4 : Cercle chromatique montrant que les couleurs chaudes doivent être utilisées pour filtrer les couleurs froides du côté opposé du cercle.

Filtres Colorés

Prenons l'exemple de la Figure 5, où des capsules de gel sont inspectées. Comme illustré, deux capsules rouges se trouvent sur les côtés extérieurs d'une paire de capsules vertes et sous un rétro-éclairage à lumière blanche.

Figure 5 : Quatre capsules liquides en cours d'inspection avec le même système de vision, montrées ici en couleur.

Il s'agit d'une application de tri où les pilules doivent être séparées par couleur pour atteindre leurs emplacements respectifs. L'imagerie des capsules avec une caméra monochrome (Figure 6) fournit un contraste entre les capsules vertes et rouges de seulement 8,7%, ce qui est inférieur au contraste minimum conseillé de 20%. Dans cet exemple particulier, des fluctuations mineures de la lumière ambiante, telles que des personnes passant devant le système, peuvent diminuer la valeur de contraste déjà faible de 8,7% suffisamment pour que le système ne soit plus capable de fonctionner correctement. Il existe plusieurs solutions à ce problème : un système de déflecteur de lumière volumineux et coûteux peut être construit pour enfermer complètement le système d'inspection, l'ensemble du schéma d'éclairage du système peut être retravaillé, ou un filtre peut être ajouté pour améliorer le contraste entre les pilules vertes et rouges. Dans ce cas, la solution la plus simple et la plus rentable consiste à utiliser un filtre en verre de couleur verte afin d'améliorer le contraste entre les deux capsules de couleur différente. Comme le montre la Figure 6, le contraste passe de 8,7% à 86,5%, soit une augmentation de près d'un facteur 10.

Capsules visualisées avec une caméra monochrome et un filtre vert donnant un contraste de 86,5%.

Figure 6 : Capsules visualisées avec une caméra monochrome donnant un contraste de 8,7% (a) et avec une caméra monochrome et un filtre vert donnant un contraste de 86,5% (b).

Filtres à Densité Neutre

Les filtres à densité neutre sont utilisés dans certaines applications où il est avantageux d'avoir un contrôle supplémentaire sur la luminosité d'une image sans modifier le temps d'exposition ou ajuster le f/#. Bien qu'il existe deux principaux types de filtres à densité neutre (absorbant et réfléchissant), l'effet sur l'image est le même : abaisser uniformément la lumière transmise par l'objectif et sur le capteur. Pour les applications telles que le soudage, où l'imageur peut être surchargé quel que soit le temps d'exposition, les filtres à densité neutre peuvent fournir la baisse de transmission nécessaire sans avoir à modifier le f/# (ce qui peut avoir un impact sur la résolution du système). Les filtres spécialisés à densité neutre, comme les filtres apodisants, existent pour aider à éliminer les points chauds au centre d'une image causés par une réflexion brutale d'un objet, mais la densité optique diminue avec la distance radiale à partir du centre du filtre.

Filtres Polarisants

Les filtres de polarisation sont un autre type de filtre communément utilisé dans les applications de vision industrielle qui permettent une meilleure imagerie des objets spéculaires. Pour utiliser correctement les filtres polarisants, la source de lumière et l'objectif doivent tous deux être équipés de filtres polarisants. Ces filtres sont appelés respectivement polariseur et analyseur. La Figure 7 montre un exemple de la manière dont les filtres de polarisation peuvent faire la différence lors de la visualisation d'objets spéculaires.

Figure 7 : Images prises sans filtre (a) montrant un fort éblouissement et avec des filtres polarisants (b) qui réduisent l'éblouissement.

Dans la Figure 7a, un imageur CCD est inspecté avec un éclairage en champ clair et la Figure 7b montre la même configuration d'éclairage avec un polariseur sur la source lumineuse et un analyseur sur l'objectif. Comme le montre la Figure 7b, l'ajout de polariseurs au système permet d'obtenir des performances supérieures, car les réflexions brutales sont absorbées par le filtre de l'objectif. Pour garantir un rejet maximal des reflets indésirables, l'axe de polarisation du polariseur doit être orienté à 90° par rapport à l'angle de polarisation du polariseur sur l'objectif. Sinon, la lentille transmettra toujours une partie de la lumière fortement réfléchie dans le système, ce qui provoquera des éblouissements. Il est essentiel de comprendre que les filtres existent pour manipuler le contraste d'une image afin d'augmenter la précision du système d'imagerie. Qu'il s'agisse de filtrage par couleur ou par polarisation, chaque filtre existe pour résoudre un problème unique ; il est important de comprendre quels filtres doivent être utilisés pour des applications spécifiques.

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Note d'application