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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.

Caméra couleur avec lumière blanche

Caméra monochrome avec lumière rouge

Caméra monochrome avec lumière bleue

Caméra monochrome avec lumière verte

Lumière blanche
La lumière blanche couvre l’ensemble du spectre visible, d’environ 380 à 780 nm. Les LED blanches produisent une lumière issue d’un mélange de différentes longueurs d’onde et se caractérisent par leur température de couleur. Celle-ci varie, selon le modèle, d’environ 2 800 K pour le blanc chaud à 10 000 K pour le blanc froid. Grâce à ce large spectre lumineux, les couleurs des objets sont restituées de manière fidèle et les différences de couleur sont clairement visibles. La lumière blanche constitue ainsi un éclairage polyvalent adapté aux tâches les plus diverses dans le domaine du traitement d'images industriel.
Lumière rouge

La lumière rouge (620 et 750 nm env.) se situe dans le spectre visible. Une longueur d’ondes de 630 nm est courante pour les applications de traitement d’images industriel. Sa longueur d’ondes étant élevée, la lumière rouge est moins dispersée sur les petites particules dans l’air qu’avec une lumière à ondes courtes. Les contrastes sont ainsi plus stables, y compris dans les environnements poussiéreux, enfumés ou chargés en vapeur.

Par ailleurs, la lumière rouge réduit les reflets gênants sur les surfaces réfléchissantes comme le métal, le verre ou le plastique. Les impressions sombres ou noires absorbent généralement fortement la lumière rouge, ce qui permet de détecter facilement les codes-barres, les codes de date, les numéros de lot ou du texte sur les emballages clairs ou transparents. Avec des emballages rouges, cet effet est moins prononcé, car le substrat réfléchit également fortement la lumière rouge. Des types de lumière complémentaires comme le vert peuvent alors fournir de meilleurs résultats.

Mehrfarbige Stifte als Referenzaufnahme unter Umgebungslicht

Caméra couleur avec lumière blanche

Verschiedenfarbige Stifte unter Rotlicht mit unterschiedlichen Helligkeitskontrasten

Caméra monochrome avec lumière rouge

Lumière bleue

La lumière bleue (450 à 495 nm env.) se situe à l’extrémité des ondes courtes du spectre visible ; une longueur d’ondes de 470 nm est courante pour les tâches de traitement d’images industriel. Grâce à sa longueur d’ondes courte, la lumière bleue offre une image particulièrement détaillée des structures fines. Elle convient donc tout particulièrement pour les tâches de mesure à haute résolution et la détection de bords et de petits défauts.

Sur les surfaces métalliques lisses ou polies, la lumière bleue réduit également les reflets gênants et rend les rayures ou autres défauts de surface plus visibles. Les inclusions et les bulles dans le verre peuvent également être mises en évidence de manière ciblée. Le bleu étant une couleur complémentaire au rouge et à l’orange, les matériaux rouges ou cuivrés peuvent être assombris et, ainsi, mieux différenciés de l’arrière-plan.

Mehrfarbige Stifte als Referenzaufnahme unter Umgebungslicht

Caméra couleur avec lumière blanche

Verschiedenfarbige Stifte unter Blaulicht mit unterschiedlichen Helligkeitskontrasten

Caméra monochrome avec lumière bleue

Metalloberfläche mit Kratzern und DataMatrix-Codes unter Weißlicht

Caméra couleur avec lumière blanche

Metalloberfläche mit Kratzern und DataMatrix-Codes unter Blaulicht

Caméra couleur avec lumière bleue

Lumière verte

La lumière verte (520 à 570 nm env.) se situe dans la plage moyenne du spectre visible. La longueur d’ondes type utilisée pour le traitement d’images industriel est 525 nm. Pour l’inspection de circuits imprimés et de composants électroniques, notamment, la lumière verte peut être utilisée de manière ciblée pour l’inspection optique automatisée (AOI) : Les platines vertes ou les vernis anti-soudure verts réfléchissent fortement la lumière, tandis que les composants, les points de soudure ou les défauts rouges apparaissent nettement plus sombres. 

Le vert étant une couleur complémentaire du rouge, la lumière verte convient également pour les applications d’inspection de produits pharmaceutiques et alimentaires. Les défauts, les points de pression ou les marques rougeâtres peuvent être mises en exergue, tandis que les surfaces vertes ou neutres sont en arrière-plan.

Mehrfarbige Stifte als Referenzaufnahme unter Umgebungslicht

Caméra couleur avec lumière blanche

Verschiedenfarbige Stifte unter Grünlicht mit verstärkten Helligkeitsunterschieden

Caméra monochrome avec lumière verte

Lumière infrarouge
La lumière infrarouge est une lumière invisible d’une longueur d’ondes supérieure à 780 nm. Elle peut être utilisée notamment pour éviter l’exposition des opérateurs à une forte lumière dans les installations. La lumière infrarouge est la plus adaptée à l’éclairage de pièces en plastique. En revanche, elle ne convient pas pour les pièces métalliques. Pour l’éclairage d’objets noirs, des tests doivent être réalisés.

Dans cet exemple, des objets en plastique de différentes couleurs sont inspectés. Les objets exposés à la lumière infrarouge apparaissent en blanc dans l’image capturée, la lumière traversant le matériau et n’étant pas réfléchie par celui-ci. Un rétroéclairage infrarouge permet d’éclairer des objets à travers une bande transporteuse opaque.

Caméra couleur avec lumière blanche

Caméra monochrome avec lumière blanche

Caméra monochrome avec lumière infrarouge

Lumière UV
La lumière ultraviolette (UV) est une lumière invisible caractérisée par des longueurs d’onde inférieures à environ 380 nm. Certains matériaux réagissent à la lumière UV et émettent une lumière visible qui peut être captée par une caméra (fluorescence). C’est pourquoi il est nécessaire de placer un filtre passe-bande sur l’optique de la caméra afin de s’assurer que seule la lumière générée par la fluorescence de l’objet atteigne la puce de traitement d’image. La lumière UV qui génère la fluorescence n’est pas transmise.

Sans lumière UV

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

Qu’est-ce que la lumière UV ?

La lumière ultraviolette (UV) désigne un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde se situe dans la plage spectrale de 280 à 400 nm et qui est invisible à l’œil nu. Lorsque l’éclairage UV est associé à une substance luminescente (luminophore), la lumière émise par le luminophore est visible. Ce processus, dans lequel la lumière est émise en réponse à l’excitation par la lumière UV, est appelé fluorescence.

Les substances fluorescentes exposées au rayonnement UV l’absorbent et l’émettent sous forme de rayonnement visible de plus grande longueur d’onde, typiquement dans les couleurs bleu (470 nm) ou vert (525 nm). Cette lumière émise peut ensuite être utilisée pour l’inspection visuelle.

Comment utiliser la lumière UV ?

La lumière ultraviolette trouve de nombreuses applications dans les domaines médical, industriel et commercial. Elle est utilisée pour la désinfection, le contrôle de l’hygiène ainsi que pour la détection d’encres de sécurité et de caractéristiques d’emballage fluorescentes et infalsifiables. Les marquages de sécurité fluorescents aux UV servent à lutter contre la contrefaçon et à authentifier les marques par des codes 2D, des codes à barres, des codes alphanumériques, des images et des graphiques. Ces marquages garantissent l’authenticité des produits et facilitent la traçabilité tout au long de la chaîne d’approvisionnement. La fluorescence des marquages UV dépend du type d’encre utilisé. Certaines encres sont fluorescentes sur un large spectre de longueurs d’onde UV, tandis que d’autres sont réfléchissantes sur des longueurs d’onde plus spécifiques.

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 ?

Variantes d’éclairage étendues pour éclairages spot

En combinaison avec des objectifs adaptés, l’éclairage spot LSL permet de réaliser deux autres solutions d’éclairage spécialisées, qui répondent à différentes exigences en matière d’éclairement et de qualité d’image.

Rétroéclairage avec télécentrage

Les objectifs télécentriques permettent de réaliser une méthode de rétroéclairage spéciale. Associé à l’éclairage spot LSLx003, l’objectif télécentrique se transforme en puissant contre-faisceau télécentrique. Deux objectifs télécentriques sont alignés l’un par rapport à l’autre, et la lumière du contre-faisceau est positionnée exactement le long de l’axe optique de la caméra.
 
Exemple d’application type : l’inspection et la mesure du col d’objets tels que des ampoules ou des préformes.
Cette méthode d’éclairage est principalement utilisée pour les mesures précises d’objets ronds ou transparents, ainsi que pour les contrôles de présence et de position, ou encore l’inspection de surfaces. En particulier avec des matériaux translucides, tels que le verre ou le plastique transparent, grâce à l’objectif télécentrique, la lumière parallèle change de direction lorsqu’elle atteint l’objet. Dans la mesure où l’objectif télécentrique de la caméra ne reçoit qu’une lumière parallèle, la lumière déviée ne pénètre pas dans la caméra. Par conséquent, seule la silhouette de l’objet transparent inspecté est visible.

Éclairage coaxial

L’éclairage coaxial est un procédé d’éclairage spécial dans lequel la lumière est couplée axialement, c’est-à-dire dans une ligne avec l’axe optique de la caméra. Un miroir semi-transparent (diviseur de faisceau) diffuse la lumière directement dans le champ de vision de la caméra et vers l’objet à contrôler. La lumière réfléchie par la surface de l’objet retraverse le diviseur optique. Elle est ainsi renvoyée vers la caméra, qui capte uniquement la lumière dirigée et réfléchie.
 
Les domaines d’application incluent le contrôle de la qualité de surfaces planes, la détection de structures fines et l’inspection de surfaces brillantes comme le métal, les wafers ou les capteurs d’image.
Ce mode d’éclairage est le seul moyen d’obtenir un éclairage sur fond clair, sans ombre et uniforme sur l’ensemble du champ de vision de l’objectif (FOV).

Comment obtenir un éclairage homogène pour la caméra ?

Un éclairage homogène est une condition importante pour obtenir des résultats fiables dans le traitement d’images industriel. Cependant, dans la pratique, la répartition de la lumière à l’intérieur d’un champ de vision est souvent hétérogène. Des pics d’intensité locaux ainsi que des différences de luminosité entre les zones centrales et proches des bords peuvent se produire, en particulier avec les éclairages bar.

Pour compenser ces effets, la répartition de l’éclairage est adaptée de manière ciblée lors de l’effet de courbe. Cela permet d’homogénéiser la luminosité perçue par la caméra sur l’ensemble du champ de vision.

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    Comment la lumière est-elle réfléchie par une surface ?

    Lorsque la lumière frappe une surface, elle est réfléchie selon une distribution de Lambert.
    L’intensité de la lumière réfléchie dépend de l’angle d’observation.

    Cela signifie que toutes les zones d’une surface n’ont pas la même luminosité.

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    Comment se comporte une solution d’éclairage classique ?

    Avec un éclairage bar, la lumière se compose de plusieurs sources lumineuses individuelles qui suivent chacune cette répartition.

    Cela entraîne souvent dans la pratique une répartition inégale de l’intensité sur l’ensemble de la plage de détection.

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    Comment l’éclairage est-il détecté par la caméra ?

    La caméra détecte la répartition de la lumière en fonction de l’intensité réfléchie.

    Cela peut entraîner une pondération plus forte de certaines zones centrales, ce qui crée des points de surintensité dans l’image.

    Ces surexpositions locales ne peuvent pas être détectées avec un luxmètre et peuvent affecter l’évaluation de l’image. 

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    Comment l’effet de courbe assure-t-il un éclairage uniforme ?

    L’effet de courbe ajuste l’intensité lumineuse à l’aide de Angle Changer de manière ciblée.

    Le contrôle de la répartition de la lumière permet de compenser la luminosité perçue par la caméra sur toute la surface.

    Cela permet d’obtenir une image qui présente un éclairage homogène.

Comment l’effet de courbe est-il mis en œuvre concrètement ?

Pour créer l’effet de courbe, différents Angle Changers sont combinés le long de l’éclairage. Il s’agit de diffuseurs de lumière spéciaux qui sont montés à l’avant des éclairages bar et qui influencent de manière ciblée les angles de rayonnement. Selon la version, il est ainsi possible de générer un éclairage d’angle petit, moyen ou large.

Un Angle Changer plus large est utilisé au centre de l’éclairage que dans les zones périphériques. Cela réduit l’intensité lumineuse au centre, tandis que les zones périphériques sont mieux éclairées.

Cela permet d’obtenir une répartition uniforme de la luminosité sur l’ensemble du champ de vision.

Ungleichmäßige Ausleuchtung ohne Kurveneffekt
Homogene Ausleuchtung dank Kurveneffekt

L’influence de l’effet de courbe est clairement visible en comparaison directe : les images d’exemple ont été prises dans des conditions identiques sans Angle Changer ainsi qu’avec trois Angle Changers utilisés.

  • Dans le premier cas, l’éclairage fonctionne sans Angle Changer, ce qui crée un éclairage irrégulier avec des pics d’intensité au centre.
  • Dans le deuxième cas, on utilise des Angle Changers, l’Angle Changer du milieu présentant un angle de rayonnement plus grand. L’intensité lumineuse est ainsi mieux répartie au centre et les points de surintensité sont réduits de manière ciblée.

L’effet de courbe peut être utilisé dans des bright field applications. Une condition préalable est également une longueur suffisante de l’éclairage bar, car l’effet ne peut être réalisé qu’à partir d’une longueur de 375 mm.

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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