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Technique d’éclairage pour la vision industrielle

L’éclairage est essentiel au traitement d’image industriel. Le type, la couleur et l’intensité de l’éclairage créent un contraste qui définit ce qui est visible dans l’image captée. Par conséquent, seules des conditions d’éclairage homogènes permettent une capture d’image stable et reproductible. Les conditions d’éclairage variables, comme la lumière du jour, doivent être évitées.

En quoi la technique d’éclairage est-elle importante pour le domaine de la vision industrielle ?

L’éclairage de vision industrielle est un élément fondamental pour créer le contraste nécessaire à un traitement d’image efficace. Sans lumière, il est impossible pour une caméra de « détecter » les caractéristiques à inspecter. Une utilisation appropriée de l’éclairage à LED crée un contraste noir sur blanc qui permet de traiter une image avec un débit élevé. La luminosité de l’éclairage joue également un rôle primordial dans le domaine de la vision industrielle. Plus l’intensité lumineuse est élevée, plus le traitement d’image sera plus fiable et reproductible.
 
Une augmentation de la puissance permet …
• … de réduire le temps d’exposition, éliminant ainsi le flou lié au mouvement et limitant l’impact de la lumière parasite.
• … de fermer le diaphragme, d’où une plus grande profondeur de champ.

Qu’est-ce que la lumière ?

La technique d’éclairage émet de la lumière dans plusieurs longueurs d’onde d’intensité variable. Le rayonnement émis par le soleil se décline dans une vaste gamme de longueurs d’onde allant de la lumière ultraviolette à l’infrarouge. L’éclairage de vision industrielle se compose d’une gamme de longueurs d’onde situées principalement dans le spectre visible.
Par exemple, le pic d’un éclairage à lumière rouge se situe à environ 630 nm, comme le montre le graphique. La lumière rouge émise par une LED dispose d’un large spectre dont l’intensité diminue à partir du pic.

L’œil humain est particulièrement sensible aux variations de couleur. Deux produits de couleur identique peuvent paraître différents aux yeux de l’utilisateur. Cependant, une sélection stricte des LED utilisées dans les produits d’éclairage wenglor garantit une variation maximale de la longueur d’onde de pointe de 10 nm. La puce de traitement d’image d’une caméra ou d’un lecteur de codes-barres présente des sensibilités différentes à des plages de longueurs d’onde différentes (spécifiées dans les modes d’emploi respectifs). Pour obtenir des conditions de luminosité optimales, la sensibilité de la puce de traitement d’image et le type de lumière doivent être adaptés l’un à l’autre. Des filtres bloquants externes peuvent être utilisés pour éviter la lumière parasite. Sur certaines caméras, un filtre est déjà installé.

Comment choisir la bonne couleur d’éclairage ?

La vision industrielle en couleur permet de détecter des différences de teintes similaires comparables à celles détectées par l’œil humain. Ces différences ne sont pas reconnaissables à l’échelle des 256 niveaux de gris des caméras monochromes. Les durées de process augmentent donc légèrement avec des caméras couleur, en raison de la grande quantité d’informations à traiter.

Cependant, en combinaison avec des caméras monochromes, l’utilisation de sources lumineuses colorées est cruciale pour définir les valeurs de niveaux de gris souhaitées de caractéristiques spécifiques et créer un contraste. À titre d’exemple, les objets rouges et verts à proximité se présentent dans différentes nuances de gris à l’image captée. Cependant, pour obtenir un bon contraste, il est préférable de choisir une couleur d’arrière-plan complémentaire à celle de l’objet éclairé. Cela permet d’augmenter la stabilité de la détection du système de vision industrielle.
La lumière visible se caractérise par un rayonnement situé dans des longueurs d’onde comprises entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge) environ. En combinant une caméra monochrome avec une lumière rouge, par exemple, un élément rouge paraîtra blanc à la caméra, un élément bleu paraîtra noir.

Caméra couleur avec lumière blanche

Caméra monochrome avec lumière rouge

Caméra monochrome avec lumière bleue

Caméra monochrome avec lumière verte

La lumière infrarouge est une lumière invisible dont la longueur d’onde est supérieure à environ 780 nm. Elle peut être utile pour éviter l’exposition des opérateurs à une lumière puissante. La lumière infrarouge fonctionne mieux pour les pièces en plastique et n’est pas adaptée aux pièces métalliques. Cependant, il convient de procéder à un essai s’il s’agit d’éclairer des objets noirs.

Dans cet exemple, des objets en plastique de différentes couleurs sont inspectés. Lorsqu’ils sont éclairés par la lumière infrarouge, les objets paraissent blanc à l’image captée, car la lumière traverse le matériau et n’est pas réfléchie par celui-ci. Un rétroéclairage infrarouge permet d’éclairer des objets même à travers une bande transporteuse non transparente.

Caméra couleur avec lumière blanche

Caméra monochrome avec lumière blanche

Caméra monochrome avec lumière infrarouge

La lumière ultraviolette (UV) est une lumière invisible dont la longueur d’onde est inférieure à environ 380 nm. Certains matériaux réagissent à la lumière UV et émettent une lumière visible qui peut être captée par une caméra (fluorescence). Pour cela, il est nécessaire de placer un filtre sur l’optique de la caméra, afin de s’assurer que seule la lumière visible émise par l’objet atteigne la puce de traitement d’image. En revanche, la lumière ambiante contient une part importante de lumière UV, d’où la nécessité d’un cache pour éviter la saturation.

Sans lumière

Avec lumière UV

Quelle est l’utilité d’un filtre de polarisation ?

Un filtre de polarisation est un accessoire de systèmes d’éclairage et de caméras. Il permet d’améliorer le contraste en réduisant les éblouissements et les reflets indésirables. Il est principalement utilisé pour des applications incluant des matériaux brillants ou transparents. La polarisation est optimale avec un film polarisant linéaire sur la lumière, combiné à un filtre de polarisation placé sur la caméra.

Sans filtre de polarisation

Avec filtre de polarisation

Que se passe-t-il lorsque la lumière arrive sur une surface ?

L’installation d’un système de vision industrielle doit prendre en compte la manière dont les photons de la lumière réagissent lorsqu’ils arrivent sur une surface. Il est également important de déterminer de quelle façon la lumière va atteindre la caméra. La lumière peut réagir de cinq façons différentes : réflexion, transmission, absorption, fluorescence et diffusion. Beaucoup de ces réactions sont toutefois simultanées.

Comment la lumière réagit-elle aux différents matériaux de surface ?

Réflexion de la lumière sur une surface brillante

Lorsque la lumière irradie des surfaces brillantes, la plupart des photons lumineux se reflètent dans le même angle d’incidence. Cependant, même un miroir très poli reflète environ 95 % de la lumière incidente.

Comportement de la lumière sur une surface entre brillante et mate

Lorsque la lumière irradie des surfaces qui ne sont ni très lisses ni très rugueuses, la plupart des photons lumineux se diffusent dans de nombreux angles différents. Malgré cette dispersion, l’intensité lumineuse suivra principalement l’angle d’incidence réfléchi.

Diffusion de la lumière sur une surface mate

Lorsque la lumière irradie des surfaces très rugueuses ou mates, les photons lumineux se dispersent. En théorie, une surface de diffusion idéale reflète la lumière dans toutes les directions possibles. Dans ce cas, l’intensité lumineuse la plus élevée suit la normale (90°) en surface.

Comment les différentes formes de surfaces réfléchissent-elles la lumière ?

La forme de l’objet inspecté détermine la manière dont la lumière atteint la caméra pour créer un contraste. Dans les schémas suivants, l’émission lumineuse est simplifiée et la surface éclairée considérée comme un miroir parfait. Les dentelures inspectées sont symbolisées par un code marqué par micro-percussion, simplifié à une seule rainure.

Les lignes bleues en pointillés montrent la lumière réfléchie jusqu’à la caméra, qui paraît blanche à l’image. Les lignes grises en pointillés montrent que la lumière n’atteint pas la caméra, d’où un défaut de lumière dans le champ de vision.

Caractéristique sur une surface plane

En plaçant la caméra dans l’angle d’incidence réfléchi de l’éclairage, la plupart des photons de la lumière atteignent la caméra. Les espacements provoquent un défaut de lumière, d’où une surface bien contrastée. 

Caractéristique sur une surface incurvée

Sur une surface incurvée, la plupart des photons lumineux n’atteignent pas la caméra. C’est la raison pour laquelle les applications avec une surface incurvée nécessitent généralement un faisceau lumineux plus large ou une lumière émanant de nombreuses directions autour de l’objet.

Où dois-je placer mon éclairage par rapport à la caméra ?

Quelle est l’utilité des différents modes de fonctionnement ?

Lumière constante

Le mode continu consiste à laisser la lumière allumée en continu ou pendant un temps dépassant largement le temps d’exposition de la caméra. La lumière peut, par exemple, être allumée deux secondes avant la capture d’image, puis éteinte deux secondes après. 

Le principal avantage du mode continu est le confort pour les personnes présentes dans l’environnement. 

Lumière stroboscopique

Dans le cas de l’éclairage stroboscopique, les LED du produit d’éclairage sont allumées et éteintes via un signal externe, généralement émis par un automate programmable ou directement par la caméra. Avec un éclairage en mode stroboscopique, la lumière est allumée pendant le temps nécessaire à l’acquisition d’image par la caméra. L’éclairage est alors allumé pendant tout le temps d’exposition.

Le principal avantage du mode stroboscopique est la durée de vie accrue des LED, en raison de l’accumulation réduite de chaleur dans le produit. Dans certains cas, notamment dans les applications avec de grandes installations d’éclairage, ce mode peut permettre de réduire considérablement la consommation d’énergie. 
 

Mode stroboscopique overdrive

Le mode stroboscopique overdrive désigne un mode de fonctionnement caractérisé par la circulation d’un courant accru dans les LED (temps de chauffe défini). Tous les produits à LED overdrive de wenglor sont dotés d’une unité de commande intégrée permettant de contrôler le temps de chauffe et ainsi de protéger le produit. 

Outre les avantages susmentionnés du mode stroboscopique, le courant accru offre aussi une plus grande luminosité, permettant de réduire le temps d’exposition et le diaphragme de la caméra.

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