Illuminateurs LED à rétroéclairage : guide pratique pour l’inspection par silhouette et par transmission

Dans le cas de l’éclairage par rétroéclairage, la source lumineuse est placée derrière l’objet inspecté et orientée vers la caméra. L’objet apparaît alors sous la forme d’une silhouette sombre sur un fond clair et uniforme. Cette technique permet d’obtenir des images présentant l’un des contrastes les plus élevés en Vision Industrielle, ce qui la rend idéale pour la Mesure Dimensionnelle, la détection des contours et l’inspection en mode transmission de matériaux transparents ou semi-transparents.

Contrairement aux techniques d’éclairage par réflexion, où la texture, la couleur et la réflectance de la surface influencent toutes l’image, l’imagerie en Silhouette par rétroéclairage est largement insensible aux propriétés de surface de l’objet. Le contour de l’objet est défini par la limite entre l’arrière-plan clair et la silhouette sombre de l’objet. Cette limite est nette, présente un fort contraste et est reproductible d’un lot à l’autre, quelles que soient les finitions de surface d’un même type de pièce.

Comment fonctionne le rétroéclairage ?

Un illuminateur de rétroéclairage est composé d’un réseau de LED et d’un panneau diffuseur. Les LED génèrent l’éclairage, et le diffuseur répartit la lumière émise par chaque LED pour en faire une source ponctuelle uniforme et étendue. L’objet se trouve entre le diffuseur et la caméra. La caméra filme le diffuseur à travers l’objet : elle perçoit le diffuseur lumineux partout où l’objet ne bloque pas la lumière, et une silhouette sombre là où l’objet est présent.

Le paramètre de performance clé d’un rétroéclairage est l’uniformité de la luminance. L’uniformité décrit le degré d’homogénéité de la luminosité sur l’ensemble de la zone active du rétroéclairage. Une uniformité de 95 % signifie que le point le plus sombre de la surface active est au moins aussi lumineux que le point le plus clair à 95 %. Une uniformité élevée est essentielle pour une détection précise des contours, car un arrière-plan non uniforme crée des gradients de luminosité apparents qui modifient la position perçue des contours.

Mode « Silhouette » et mode « Transmission »

Les illuminateurs de rétroéclairage permettent deux modes d’inspection distincts : le mode silhouette et le mode transmission.

Mode Silhouette : mesure dimensionnelle et détection des contours

En mode silhouette, l’objet est opaque et l’inspection s’appuie sur le contour de l’objet se détachant sur un fond clair. La caméra mesure la position des bords de la silhouette afin de déterminer les dimensions de l’objet. Ce procédé permet le contrôle « go/no-go » des pièces usinées, la mesure du diamètre des composants cylindriques, la mesure du profil des pièces embouties ou moulées, ainsi que la détection d’éléments manquants tels que des trous ou des ergots.

Le mode silhouette est extrêmement précis car le contraste des contours est très élevé. Les algorithmes de détection des contours au niveau des sous-pixels permettent de localiser la position d’un contour avec une précision supérieure à 0,1 pixel dans de bonnes conditions d’éclairage. Pour une caméra dont la taille des pixels correspond à 10 micromètres au niveau du plan de l’objet, cela signifie une répétabilité des mesures dimensionnelles inférieure à 1 micromètre.

Mode de transmission : matériaux transparents et semi-transparents

En mode de transmission, l’objet transmet une partie de la lumière du rétroéclairage. La caméra détecte les variations spatiales de l’intensité transmise, ce qui permet de repérer les caractéristiques internes, les inclusions, les impuretés ou les défauts structurels qui affectent la transmission. Cette technique est utilisée pour l’inspection des feuilles de verre, des films plastiques, des comprimés pharmaceutiques et des plaquettes de semi-conducteurs.

L’inspection en mode de transmission nécessite un rétroéclairage présentant une très grande uniformité, car toute irrégularité dans l’éclairage de fond est interprétée comme une caractéristique de l’objet. La Longueur d’Onde d’éclairage peut également avoir son importance. Certains défauts présents dans les matériaux transparents ne sont visibles qu’à des longueurs d’onde spécifiques. Les rétroéclairages de la série BL de Roder Vision sont disponibles en plusieurs longueurs d’onde, notamment dans l’UV, le bleu, le vert, le rouge et le Proche Infrarouge, afin de permettre une inspection par transmission spécifique à chaque longueur d’onde.

Les différents types de diffuseurs et leur incidence sur l’uniformité

Le diffuseur est l’élément optique qui détermine l’uniformité du flux lumineux du rétroéclairage. Trois types principaux de diffuseurs sont utilisés dans les rétroéclairages destinés à la Vision Industrielle.

Diffuseurs Opal

Les diffuseurs opales sont des panneaux blancs translucides qui diffusent la lumière par diffusion volumique. Ils offrent un éclairage homogène et uniforme, mais réduisent la luminance totale, car une grande partie de la lumière est diffusée vers l’arrière, en direction de la source LED, plutôt que vers l’avant, en direction de la caméra. Les diffuseurs opales sont économiques et offrent une excellente uniformité, mais leur luminosité globale est inférieure à celle des diffuseurs directs ou des modèles de diffusion spécialisés.

Diffuseurs sur mesure

Les diffuseurs techniques utilisent des surfaces micro-optiques structurées pour contrôler la répartition angulaire de la lumière émise avec plus de précision que les diffuseurs opales. Ils permettent d’atteindre une meilleure uniformité à des niveaux de luminance plus élevés que les modèles opales, car ils orientent une plus grande partie de la lumière disponible vers l’avant. Les diffuseurs techniques sont utilisés dans les rétroéclairages de la série BL à haute uniformité de Roder Vision, où la luminosité et l’uniformité sont toutes deux essentielles.

Conceptions d’éclairage Direct

Certaines conceptions de rétroéclairage utilisent un réseau de LED à haute densité sans diffuseur distinct, s’appuyant plutôt sur l’espacement réduit entre les émetteurs et une courte Distance de Travail pour atteindre une uniformité acceptable. Ces conceptions atteignent une luminance de crête plus élevée que les conceptions à diffusion, mais présentent généralement une uniformité moindre. Elles conviennent aux cas où la luminosité maximale est la priorité absolue et où l’uniformité est secondaire.

Spécifications d’uniformité : que signifient ces chiffres ?

L’uniformité du rétroéclairage est exprimée en pourcentage. Les valeurs courantes sont 90 %, 95 % et 98 %. Ces chiffres correspondent au rapport entre la luminance minimale et la luminance maximale mesurées sur toute la surface active du rétroéclairage, exprimé en pourcentage.

Dans le cadre des applications de mesure dimensionnelle, une uniformité inférieure à 90 % pose généralement problème. La position apparente du bord varie en fonction des variations de luminosité de l’arrière-plan. Une variation de 10 % de l’uniformité peut entraîner des erreurs de position du bord de plusieurs pixels lors d’une transition entre une zone claire et une zone sombre, selon l’algorithme de détection des bords utilisé.

Pour l’inspection en mode de transmission des matériaux transparents, une uniformité d’au moins 95 % est généralement requise. Les caractéristiques qui réduisent la transmission de quelques pour cent seulement doivent rester détectables sur un fond uniforme. Si le fond lui-même présente une variation de 5 % ou plus, les petites anomalies de transmission deviennent difficiles à distinguer de la non-uniformité du fond.

Choisir la taille d’un rétroéclairage adapté à votre application

Zone active et Champ de Vision

La zone active du rétroéclairage doit être au moins aussi grande que le Champ de Vision de la caméra au niveau du plan de l’objet. Si une partie quelconque du Champ de Vision de la caméra se trouve en dehors de la zone active du rétroéclairage, cette partie de l’image apparaîtra sombre, ce qui rendra impossible la détection des contours de l’objet à cet endroit.

Dans la pratique, la surface active du rétroéclairage doit dépasser le Champ de Vision d’une marge suffisante pour tenir compte des tolérances d’alignement optique et de la zone de pénombre située aux bords du rétroéclairage, où l’uniformité peut être moindre. Une marge de 10 % à 20 % de chaque côté est courante.

Distance de Travail et grossissement

L’objet est généralement placé près de la surface du rétroéclairage afin de limiter les effets de pénombre sur ses bords. La pénombre apparaît car le rétroéclairage est une source étendue. Les différentes parties de la source éclairent l’objet sous des angles légèrement différents ; ainsi, au niveau des bords de l’objet, la transition entre la zone éclairée et la zone d’ombre est progressive plutôt que nette. Cette transition progressive — la pénombre — réduit la netteté des contours et la précision des mesures.

En plaçant l’objet aussi près que possible de la surface de rétroéclairage, on réduit au minimum la largeur de la pénombre. Pour les applications de mesure de haute précision, la distance entre l’objet et le rétroéclairage doit, dans la mesure du possible, être inférieure à 10 mm.

Rétroéclairages à longueurs d’onde multiples pour l’inspection par transmission

Certaines applications d’inspection par transmission tirent parti d’un éclairage à des longueurs d’onde spécifiques plutôt que de la lumière blanche. Les défauts du verre peuvent être mieux mis en évidence aux longueurs d’onde UV ou bleues. Les inclusions dans les films plastiques peuvent présenter un meilleur contraste aux longueurs d’onde du Proche Infrarouge, où le film est partiellement transparent. L’inspection des comprimés pharmaceutiques peut recourir à des longueurs d’onde spécifiques lorsque le principe actif présente des caractéristiques d’absorption distinctives.

Les rétroéclairages de la série BL de Roder Vision sont disponibles en plusieurs longueurs d’onde uniques ainsi qu’en lumière blanche. Cela permet à l’ingénieur de choisir la longueur d’onde qui optimise le contraste du défaut cible sur l’image de transmission. Une caméra dotée de la sensibilité spectrale appropriée — une sensibilité accrue au bleu pour un éclairage UV ou bleu, ou un capteur sensible au NIR pour un éclairage NIR — doit être spécifiée en complément du rétroéclairage spécifique à la Longueur d’Onde choisie.

Intégration aux systèmes de convoyage

Les illuminateurs de rétroéclairage destinés à l’inspection en ligne sur les systèmes de convoyage sont généralement installés sous la bande transporteuse. La bande doit être transparente ou comporter une section transparente alignée sur la zone d’inspection. L’objet passe sur la section transparente, le rétroéclairage l’éclaire par le dessous et la caméra le filme par le dessus.

Il est également possible d’installer le rétroéclairage au-dessus du convoyeur, la caméra étant placée en dessous, pour les applications où la face inférieure de l’objet constitue la surface d’inspection pertinente. Quelle que soit la configuration choisie, le rétroéclairage doit être déclenché de manière synchronisée avec l’exposition de la caméra afin de garantir une illumination homogène sur l’ensemble des images. Les rétroéclairages de la série BL de Roder Vision prennent en charge les entrées de déclenchement numériques pour un fonctionnement stroboscopique synchronisé.

Produits et technologies

Gammes d’illuminateurs à rétroéclairage RODER Vision de la série BL

La série BL propose une large gamme de tailles, de niveaux d’uniformité et d’options de Longueur d’Onde pour le contrôle par silhouette et par transmission. Tous ces produits sont fabriqués en Italie conformément aux normes ISO 9001 et font l’objet d’un test de rodage de 48 heures.

Questions fréquemment posées