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Ultra-haute résolution pour l'imagerie industrielle

De nombreuses applications d'inspection industrielle telles que l'inspection des écrans plats, l'inspection des circuits imprimés et la numérisation de documents requièrent une imagerie à ultra-haute résolution afin d'obtenir le niveau de détail requis dans les images.

Les écrans plats couvrent un nombre croissant de technologies incluant les OLED (diodes électroluminescentes organiques) et les LCD (écrans à cristaux liquides). Chaque nouvelle génération d'écrans plats présente des densités de pixel de plus en plus élevées, ce qui nécessite une meilleure résolution ainsi qu'une meilleure sensibilité pour le contrôle de la qualité sans pour autant augmenter les durées d'inspection.

Les applications de numérisation de documents comportent une vérification continue et/ou un contrôle de la qualité des impressions numérotées ainsi que l'inspection des pictogrammes et des marquages sur bande, de feuilles ou de documents uniques tout comme l'inspection des dispositifs de sécurité en contrôlant la présence, la position et l'intégrité des fonctionnalités appliquées comme les dispositifs pour films et hologrammes et les inserts tels que les fils de sécurité. Ces applications d'inspection à haute résolution utilisent généralement un équipement d'inspection spécialisé complété par des caméras, des optiques et des systèmes d'éclairage entièrement intégrés.

De plus en plus de pixels

La plupart des applications d'imagerie industrielle utilisent des caméras matricielles et les toutes dernières évolutions en matière de technologie [CMOS] (glossary/103) et CCD ont abouti à la disponibilité de capteurs de caméras avec de plus en plus de pixels, fournissant une résolution spatiale qui ne cesse d'augmenter tout en conservant ou en améliorant la fréquence d'images de la caméra. Mais le nombre de pixels disponibles n'est pas le seul facteur à prendre en compte.

Les capteurs de caméras fabriqués en série pour les smartphones peuvent atteindre une résolution de 12 à 16 mégapixels ; ils sont cependant très petits et très sensibles aux coûts. Cela signifie qu'ils ont des pixels de très petite taille, menant à une faible collecte de la lumière et à un mauvais rapport signal/bruit, ce qui exclut la possibilité même de les utiliser dans des applications d'imagerie industrielle. Ils ont également un contrôlé limité de l'exposition on-chip, ce qui aboutit à un obturateur déroulant dans lequel les pixels ne sont pas tous exposés en même temps.

Les demandes pour les caméras de vision industrielle

Tandis que cela peut passer inaperçu sur les photos que l'on s'amuse à prendre dans la vie de tous les jours, les caméras d'imagerie industrielle doivent répondre à toute une série d'exigences, outre le nombre de pixels. Parmi ces exigences, l'on retrouve entre autres la taille & la forme du pixel, la sensibilité, la fréquence des images, le contrôle de l'exposition de l'image entière et les caractéristiques de déclenchement, la plage dynamique, la réponse spectrale, le pré-traitement des images, le balayage partiel, la lecture avancée de plusieurs zones et le contrôle de séquence. En outre, les caméras sont caractérisées par des standards d'interfaces utilisés pour transférer les données vers l'ordinateur hôte pour les mesures et les analyses (par ex. CameraLink, GigE Vision, USB3 Vision, CoaXPress, CameraLink HS etc).

Tandis que pour le novice les importantes différences de prix entre les caméras des smartphones et les caméras haute résolution de vision industrielle semblent inconcevables, les quantités de fabrication considérablement inférieures et les capteurs de plus grande taille destinés aux applications de vision industrielle impliquent un modèle de prix entièrement différent.

Quel est le nombre de pixels suffisant ?

De nouvelles caméras de vision industrielle arrivent régulièrement sur le marché. Parmi les caméras matricielles à haute résolution annoncées récemment, l'on retrouve la Prosilica GT6600 d'AV à 29 mégapixels et la Vieworks VP-29MC-M/C 5 de Vieworks avec refroidissement thermoélectrique. Ces deux caméras sont équipées de capteurs avec 6576 x 4384 pixels tandis que la nouvelle caméra Spark SP-20000C-PMC de JAI est une caméra de 20 mégapixels avec 5120 x 3840 pixels. Mais que faire si vous avez une application nécessitant davantage de pixels?

Différentes solutions pour des applications nécessitant davantage de pixels

Une des solutions qui s'offre à vous est d'utiliser plusieurs caméras afin de produire un certain nombre d'images qui seraient ensuite assemblées les unes aux autres. Une seconde option serait de conserver une seule caméra et de déplacer soit l'objet soit la caméra afin de produire un certain nombre d'images pouvant ensuite être reliées les unes aux autres et obtenir au final une image combinée. Une troisième option consiste à utiliser la technologie de déplacement des pixels (Pixel Shift) que nous allons aborder en détails dans le paragraphe suivant.

L'utilisation de caméras linéaires

Une approche différente résiderait dans l'utilisation de caméras linéaires. Les caméras linéaires, dans leur forme la plus élémentaire, utilisent un capteur avec une simple ligne de pixels. Généralement, les résolutions varient de 512 x 1 pixels à 16384 x 1 pixels. Les caméras linéaires fournissent une "image de zone" (généralement dans une carte d'acquisition) à partir de plusieurs lignes, en déplaçant soit l'objet soit la caméra. Puisque seule la largeur de l'image obtenue est fixe, l'on obtient non seulement une image à très haute résolution mais il est tout aussi possible de choisir le rapport d'aspect de l'image afin de répondre à des conditions spécifiques. En règle générale, les capteurs de type matriciel ont un rapport d'aspect de 4:3, 16:9 ou 1:1 mais les images linéaires ne se limitent pas à cela. Même avec un rapport de 4:3, une caméra linéaire de 16k produirait soit une image de 358 mégapixels soit de 201 mégapixels, en fonction de l'orientation.

Le déplacement et l'alignement sont deux éléments-clés quant à l'utilisation de caméras linéaires. Il est primordial d'avoir un mouvement relatif entre l'objet et la caméra grâce à quoi il est possible d'obtenir une image et il est nécessaire d'adapter la vitesse de mouvement aux exigences de l'application. Il ne doit également y avoir aucune variation de la vitesse car cela ferait apparaître des distorsions sur l'image. De la même façon, l'alignement de la caméra est indispensable puisque si le capteur linéaire de la caméra n'est pas perpendiculaire à la direction du mouvement, l'image obtenue présentera des effets d'obliquité.

Une autre évolution récente dans le domaine des caméras linéaires concerne l'introduction de capteurs d'image par contact. Ces derniers fonctionnent de la même manière que les télécopieurs et les scanners mais dans une logique industrielle, c'est -à-dire avec des résolutions et des vitesses plus élevées et avec une connectique. Ils présentent divers avantages comme la diminution de la distance de travail, la suppression de la distorsion de l'objectif et un réglage plus facile.

Technologie Pixel Shift

L'utilisation du déplacement des pixels augmente considérablement les possibilités de résolution des capteurs des caméras matricielles. Les caméras de vision industrielle VNP-29MC CameraLink de Vieworks offrent une résolution de 29 mégapixels (6576 x 4384 pixels), un capteur standard CCD mais également la technologie de déplacement des pixels permettant d'améliorer la résolution pour atteindre 260 millions de pixels (19728 × 13152) pour les applications à ultra haute résolution. Le capteur est monté sur un cristal piézoélectrique précis permettant au capteur des déplacements nanométriques d'1/2 ou 1/3 d'un pixel. Cela permet de quadrupler la résolution standard pour atteindre 115 millions de pixels ou bien de la multiplier par 9 jusqu'à 260 millions de pixels.

Les pixels déplacés

L'illustration 1 vous montre le processus de déplacement des pixels. Dans cet exemple, le capteur est déplacé avec précision d'½ pixel dans les directions X et Y, l'image obtenue étant une combinaison de 4 images individuelles, permettant ainsi d'avoir une meilleure résolution (image á partir de 4 prises de vue) par rapport á l'image en sortie standard (image á partir d'1 prise de vue). La combinaison des images est effectuée par logiciel sur l'ordinateur utilisé. Il est possible de réaliser une procédure similaire en décalant le capteur d'1/3 de pixel afin d'obtenir 9 images.

Idéal pour les applications industrielles dans des conditions lumineuses difficiles

La caméra est disponible aussi bien en version monochrome qu'en version couleur et le processus de déplacement des pixels présente des avantages supplémentaires pour l'imagerie couleur. La caméra couleur CCD utilise l'interpolation Bayer afin de produire des images en couleur. Des artefacts indésirables peuvent se produire comme par ex. des effets de moiré de couleur ou des pixels en fausse couleur. Mais l'utilisation du déplacement des pixels empêche l'apparition d'artefacts de couleur ou de crénelage et optimise la résolution couleur comme le montre l'illustration 2.

Les capteurs VNP-29MC peuvent être refroidis jusqu'á 15° en-dessous de la température ambiante grâce á un dispositif Peltier thermoélectrique, améliorant ainsi la sensibilité. Cela permet d'avoir des conditions de fonctionnement extrêmement stables, le bruit est réduit et l'exposition peut avoir lieu sur une longue durée ou á des niveaux de gain plus élevés afin d'améliorer la sensibilité de la caméra. Cela fait de la caméra un dispositif idéal pour les niveaux de contraste ou de luminosité faibles ou également pour les applications industrielles avec une luminosité non uniforme.

Amélioration de la résolution et champ de vision plus large

Les illustrations 3 et 4 vous montrent l'amélioration de la résolution sur une section d'un billet de banque. L'illustration 3 a été réalisée avec des paramètres de résolution standard, le modèle est pixellisé et non précis. L'illustration 4 vous montre la même zone obtenue avec la technologie de déplacement des pixels. Le modèle est net. Outre les avantages indéniables liés á l'amélioration de la résolution, le déplacement des pixels permet, pour toutes les résolutions données, d'avoir un champ de vision plus large si la caméra est équipée d'un objectif approprié, ce qui signifie que vous pouvez vous dispenser d'un assemblage de plusieurs images ou de l'utilisation de plusieurs caméras, ce qui vous fait gagner du temps et de l'argent.