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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 de iluminación ampliadas para iluminaciones puntuales

En combinación con los objetivos adecuados, la iluminación puntual LSL permite la implementación de otras dos soluciones de iluminación especializadas que satisfacen diferentes requisitos de iluminación y calidad de imagen.

Iluminación de fondo con telecentrado

Los objetivos telecéntricos ofrecen un método especial de iluminación de fondo. En combinación con la iluminación puntual LSLx003, el objetivo telecéntrico se convierte en una potente contraluz telecéntrica. Dos objetivos telecéntricos están alineados entre sí y la luz de la contraluz se posiciona exactamente a lo largo del eje óptico de la cámara.
 
Un ejemplo de aplicación típico es la inspección y medición del cuello de objetos como ampollas o preformas.
Este método de iluminación se utiliza principalmente para mediciones precisas de objetos redondos o transparentes, así como para comprobaciones de posición y presencia o inspecciones de superficies. Especialmente en el caso de materiales translúcidos, como el vidrio o el plástico transparente, la luz paralela cambia de dirección a través del objetivo telecéntrico cuando incide sobre el objeto. Dado que el objetivo telecéntrico de la cámara solo recibe luz paralela, la luz desviada no entra en la cámara, por lo que solo se puede ver la silueta del objeto de inspección transparente.

Iluminación coaxial

La iluminación coaxial es un método de iluminación especial en el que la luz se acopla axialmente, es decir, en línea con el eje óptico de la cámara. A través de un espejo semitransparente (divisor de haz), la luz se dispersa directamente en el campo visual de la cámara y sobre el objeto que se debe comprobar. La luz reflejada por la superficie del objeto vuelve a pasar por el divisor de haz y se devuelve a la cámara, que captura únicamente la luz dirigida y reflejada hacia atrás.
 
Las aplicaciones incluyen el control de calidad de superficies planas, la detección de estructuras finas e inspección de superficies brillantes como metales, obleas o sensores de imagen.
Este tipo de iluminación es la única forma de obtener una iluminación de campo claro uniforme y sin sombras en todo el campo visual de la lente (FOV).

¿Cómo se crea una iluminación homogénea para la cámara?

Una iluminación uniforme es un requisito importante para obtener resultados fiables en el procesamiento industrial de imágenes. Sin embargo, en la práctica, la distribución de la luz dentro de un campo visual no suele ser homogéneo. Especialmente en el caso de las iluminaciones de barra, pueden producirse picos de intensidad locales y diferencias de brillo entre las zonas centrales y las cercanas a los bordes.

Para compensar estos efectos, en el caso del efecto curva se adapta específicamente la distribución de la luz. Esto permite homogeneizar el brillo percibido por la cámara en todo el campo visual.

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    ¿Cómo se refleja la luz de una superficie?

    Cuando la luz incide sobre una superficie, se refleja de acuerdo con una distribución de Lambert.
    La intensidad de la luz reflejada depende del ángulo de visión.

    Esto significa que no todas las zonas de una superficie tienen el mismo brillo.

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    ¿Cómo se comporta una solución de iluminación clásica?

    En una iluminación de barra, la luz consta de varias fuentes de luz individuales que siguen esta distribución.

    Esto suele dar lugar en la práctica una distribución irregular de la intensidad a lo largo de todo el rango.

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    ¿Cómo registra la cámara la iluminación?

    La cámara registra la distribución de la luz en función de la intensidad reflejada.

    Esto puede provocar una mayor ponderación en la zona central, que hace que aparezcan los denominados puntos calientes en la imagen.

    Estas sobreexposiciones locales no se pueden registrar con un luxímetro y pueden afectar a la evaluación de la imagen. 

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    ¿Cómo garantiza el efecto curva una iluminación uniforme?

    En el efecto curva, la intensidad de la luz se ajusta de manera específica utilizando los Angle Changer.

    Mediante el control de la distribución de la luz se puede compensar el brillo percibido por la cámara en toda la superficie.

    Esto genera una imagen con una iluminación homogénea.

¿Cómo se aplica concretamente el efecto curva?

Para generar el efecto curva, se combinan diferentes Angle Changer a lo largo de la iluminación. Se trata de difusores de luz especiales que se colocan en la parte delantera de las iluminaciones de barra e influyen específicamente en los ángulos de dispersión. Dependiendo de la versión, se puede generar una iluminación plana, media o ancha.

En el centro de la iluminación se utiliza un Angle Changer más ancho que en las zonas periféricas. Así se reduce la intensidad de la luz en el centro, mientras que las zonas periféricas se iluminan más intensamente.

De este modo se consigue una distribución uniforme del brillo en todo el campo visual.

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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