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Éclairage télécentrique
Edmund Optics Inc.

Éclairage télécentrique

Cette présentation correspond à la Section 11.4 du Guide de Ressources en Imagerie.

Théorie | Avantages et inconvénients | Application

Telecentric Illumination

Les projets d'imagerie et d'inspection nécessitent des composants optiques et un alignement de précision pour obtenir des performances optimales. Ces applications d'inspection par vision industrielle utilisent des objectifs d'imagerie, des sources d'éclairage, des caméras et des mécanismes, pour ne citer que quelques composants clés. Le choix de l'objectif d'imagerie et de la caméra fait partie intégrante du succès d'une application, mais l'éclairage joue également un rôle très important. L'un des types de géométrie d'éclairage les plus précis est l'éclairage télécentrique. Qu'est-ce que l'éclairage télécentrique ? Comment peut-il aider à obtenir de meilleurs résultats par rapport à l'éclairage standard par rétroéclairage ? Pour répondre à ces questions, prenez en compte la théorie de l'éclairage, ses avantages et une application réelle d'inspection.

Théorie de l'éclairage télécentrique

En optique, la télécentricité est une propriété unique de certaines conceptions de lentilles multi-éléments dans lesquelles les rayons principaux sont collimatés et parallèles à l'axe optique dans l'espace image et objet (Figure 1). Il en résulte un grossissement constant quel que soit l'emplacement de l'image ou de l'objet, ce qui est une caractéristique essentielle de la télécentricité. La télécentricité est classée en trois catégories : espace-objet, espace-image et double. Pour plus d'informations, voir Les avantages de la télécentricité.

Figure 1 : Un exemple de télécentricité où les rayons principaux sont parallèles à l'axe optique
Figure 1 : Un exemple de télécentricité où les rayons principaux sont parallèles à l'axe optique.

En matière d'éclairage, le concept dans lequel les rayons lumineux sont collimatés et parallèles à l'axe optique s'applique également. C'est le cas d'un illuminateur télécentrique. Les illuminateurs télécentriques tels que les Illuminateurs Télécentriques à Rétroéclairage TECHSPEC®, utilisent des éléments optiques pour diriger la lumière d'un guide de lumière à fibre optique ou d'une LED sur l'objet à inspecter, produisant ainsi une silhouette très contrastée. Un illuminateur télécentrique augmente le contraste des bords et la précision des mesures en diminuant les réflexions diffuses de l'objet. Les rayons lumineux collimatés sortent de l'illuminateur et restent collimatés lorsqu'ils frappent la surface d'un objet (Figure 2). Par contre, les rayons lumineux d'un rétroéclairage standard s'étendent et interfèrent les uns avec les autres, produisant des réflexions diffuses (Figure 2). Pour des exemples explicatifs, veuillez consulter le Labo d’imagerie, Module 2.2 : Télécentricité.

Collimated light ray from a telecentric illuminator
Figure 2 : L'image de gauche montre un rayon lumineux collimaté provenant d'un illuminateur télécentrique. L'image de droite montre les réflexions diffuses d'un rétroéclairage standard
Figure 2 : L'image de gauche montre un rayon lumineux collimaté provenant d'un illuminateur télécentrique. L'image de droite montre les réflexions diffuses d'un rétroéclairage standard.

Comment l'éclairage télécentrique crée-t-il une silhouette très contrastée ?

Les illuminateurs télécentriques fonctionnent en utilisant des lentilles optiques en verre de haute qualité pour collimater la lumière d'un guide de lumière à fibre optique ou d'un projecteur à LED. La lumière divergente provenant de la source entre dans l'ensemble en verre, devenant ainsi parallèle et donc hautement concentrée. La quasi-totalité de la lumière qui entre dans l'illuminateur télécentrique (sans tenir compte de la réflexion et de l'absorption par chaque lentille optique) frappe l'objet inspecté.

Quel est le secret de l'éclairage télécentrique ?

Associé à un projecteur de motifs à LED et à un réticule, un objectif d'imagerie télécentrique standard peut être utilisé comme un illuminateur télécentrique. Comme dans le cas d'un illuminateur télécentrique classique, la lumière qui traverse l'objectif d'imagerie télécentrique est collimatée, ce qui élimine les réflexions diffuses lors de la mise en silhouette d'un objet. Cependant, contrairement à un illuminateur télécentrique, les imperfections du projecteur à LED peuvent être détectées lors de l'utilisation d'un objectif d'imagerie télécentrique.

Avantages et inconvénients de l'éclairage télécentrique

L'éclairage télécentrique est idéal pour les mesures de précision où la précision, la répétabilité et la transmission sont des facteurs clés du succès d'une application. Pour obtenir les meilleurs résultats, tenez compte de ces huit avantages clés de l’éclairage télécentrique :

  1. Meilleure détection des petits défa
  2. Précision et répétabilité accrues des mesures par rapport à l'éclairage standard par rétroéclairage
  3. Élimination des bords flous causés par les réflexions diffuses
  4. Augmentation de l'intensité lumineuse grâce aux rayons lumineux collimatés
  5. Images très contrastées grâce à l'élimination des bords flous et à l'augmentation de l'intensité lumineuse
  6. Réduction des temps d'exposition de la caméra grâce à l'augmentation de l'intensité lumineuse
  7. Systèmes plus rapides et transmission plus élevée par rapport au rétroéclairage standard
  8. Augmentation de la distance entre l'objet et la source d'éclairage

Cependant, les éclairages télécentriques peuvent présenter certains inconvénients, comme l'encombrement et parfois le coût. Les objets plus grands nécessitent des illuminateurs télécentriques plus grands. Pour les applications où l'espace ou le coût sont un problème, un rétroéclairage collimaté peut être une meilleure option. Les rétroéclairages collimatés sont des rétroéclairages standard avec un film intégré permettant de collimater la lumière. Bien qu'ils ne soient pas aussi performants que les éclairages télécentriques, les rétroéclairages collimatés sont moins diffus que les rétroéclairages standard et éliminent ainsi une partie des bords flous causés par les réflexions diffuses.

Exemple d'application

Si la compréhension du cadre théorique de l’éclairage télécentrique est une excellente première étape, l'analyse d'une application réelle de cette géométrie d'éclairage de précision renforcera la raison pour laquelle elle est nécessaire dans les applications de vision industrielle.

Un exemple est la mesure et l'inspection des diamètres des filets sur un tige en acier inoxydable. La petite taille des objets à inspecter (10 mm) et la nécessité de mesurer le pas de vis interdisent le tri visuel. Le système original employé pour cette application comprenait un rétroéclairage LED standard devant un objectif télécentrique TECHSPEC® SilverTL 0,6X (#56-678) sur une caméra CCD de 640 x 480 pixels. Un robot de prélèvement a déplacé les pièces de la table tournante de fabrication vers le système de vision pour l'acquisition d'images. Un deuxième robot de prélèvement utilise ensuite les informations recueillies lors de l'acquisition pour classer les pièces dans des bacs de passage ou d'échec.

Bien que bien conçu, le système de rétroéclairage standard ne pouvait pas inspecter les pièces de moins de 10 mm et était limité à 10 ppm, alors que 40 ppm étaient nécessaires pour suivre le nouveau flux de production. En outre, la faible intensité lumineuse produite par le rétroéclairage LED diffus nécessitait un temps d'exposition de la caméra de 2,5 ms ; les nouvelles vitesses de la ligne de production ne permettaient que 800 μsec pour une capture d'image sans flou. Une solution simple consistait à augmenter le réglage du gain de la caméra pour réduire le temps d'exposition. Cependant, cela augmentait le rapport signal/bruit du système et diminuait la précision des mesures.

A telecentric illuminator system imaging thread diameters on a post
Figure 3 : Un système d'illumination télécentrique reproduisant les diamètres des fils sur un tige à gauche et un système de rétroéclairage standard reproduisant les mêmes diamètres à droite
Figure 3 : Un système d'illumination télécentrique reproduisant les diamètres des fils sur un tige à gauche et un système de rétroéclairage standard reproduisant les mêmes diamètres à droite.

La réponse est devenue claire : un éclairage télécentrique ! En remplaçant le rétroéclairage LED diffus par un illuminateur télécentrique TECHSPEC® (#62-760), l'intensité de la lumière touchant les filetages a augmenté, réduisant le temps d'exposition de la caméra et augmentant le contraste global de l'image en réduisant les réflexions diffuses.

Dans la configuration originale, les réflexions diffuses du rétroéclairage créaient des bords flous. Après avoir remplacé l'illuminateur télécentrique, les bords sont devenus clairs et il était beaucoup plus facile à déterminer s'ils ont réussi ou échoué l'inspection (Figure 4). De même, la bavure sur un côté du filetage était à peine visible avec le rétroéclairage standard, mais elle est facile à détecter et à mesurer avec l'illuminateur télécentrique. Les graphiques illustrent les valeurs de contraste du système d'éclairage télécentrique et du système de rétroéclairage standard. Les puits plus larges indiquent un contraste plus élevé, ce qui améliore la précision de la mesure.

Clear edge silhouette from the telecentric illuminator system
Blurry edges from the standard backlight system.
Clear edge silhouette from the telecentric illuminator system
Blurry edges from the standard backlight system.
Figure 4 : L'image de gauche montre une silhouette de bord nette obtenue avec le système d'éclairage télécentrique. L'image de droite montre des bords flous avec le système de rétroéclairage standard.

L’éclairage télécentrique est utile pour toute une série d'applications de vision industrielle, notamment l'imagerie à grande vitesse, l’automatisation industrielle, la création de silhouettes et la détection des défauts et des bords. Contrairement aux rétroéclairages standard, l'utilisation de l'éclairage télécentrique crée des silhouettes claires, idéales pour la détection des bords et des défauts. Les avantages de l'éclairage télécentrique sont essentiels pour les applications nécessitant des images à fort contraste, sans bords flous et pour l'automatisation à grande vitesse..

Composant utilisés:


Références

1. Butkus, Bruce. "Telecentric Illumination for Vision-System Backlighting." Machine Design. June 2, 2009. Accessed January 12, 2012. http://machinedesign.com/archive/telecentric-illumination-vision-system-backlighting.

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