Rétroéclairage collimaté à rayons parallèles pour la mesure dimensionnelle sous-pixel
- Rayons parallèles collimatés émis depuis une ouverture réduite via une optique de collimation de Fresnel ou à plusieurs éléments.
- Définition des bords sous-pixel indépendante de la position de l’objet dans la profondeur de conception — idéal pour la métrologie de précision.
- Idéal pour les pièces embouties, les composants usinés, les profils d’engrenages, la métrologie des contenants pharmaceutiques avec une précision micrométrique.
- À associer à un objectif télécentrique pour compléter l’invariance géométrique vis-à-vis de la position dans la profondeur de champ.
- Angle télécentrique inférieur à 1° pour une netteté maximale des bords ; limite proportionnellement la profondeur de conception.
- Profondeur mécanique 2 à 3 fois supérieure à celle d’un rétroéclairage diffus équivalent, du fait de la géométrie de l’optique de collimation.
Le rétroéclairage télécentrique délivre des rayons parallèles collimatés depuis une ouverture de sortie réduite, produisant les bords nets à définition sous-pixel qu’exigent les applications de mesure dimensionnelle de haute précision. En n’émettant la lumière que dans des directions parallèles à l’axe optique du système d’imagerie, un rétroéclairage télécentrique élimine les effets de halo sur les bords qui limitent la précision des rétroéclairages diffus et permet une répétabilité de mesure au niveau du micromètre.
Principe de fonctionnement des rétroéclairages télécentriques
Un rétroéclairage télécentrique est construit autour d’une source LED placée au plan focal d’un ensemble optique de collimation, généralement une lentille de Fresnel ou un système réfractif à plusieurs éléments. L’optique de collimation convertit l’émission divergente des LED en un faisceau de rayons parallèles qui sortent du rétroéclairage dans une plage angulaire étroite, généralement de quelques degrés par rapport à l’axe optique. Le résultat est un faisceau qui se comporte géométriquement comme la lumière d’une source ponctuelle infiniment éloignée. Les alternatives à rétroéclairage diffus sont disponibles en standard dans la famille des rétroéclairages LED, tandis que les variantes télécentriques sont développées à la demande dans le cadre du portefeuille d’éclairages LED sur mesure.
Lorsque la cible est placée dans ce faisceau collimaté, seuls les rayons parallèles à l’axe optique peuvent contourner l’objet et atteindre la caméra. Les rayons qui divergent de l’axe optique manquent l’ouverture de la caméra et ne sont pas vus. L’occultation géométrique produite par l’objet est donc indépendante de sa position dans le champ de vision, et les bords de l’objet apparaissent avec une netteté sous-pixel quelle que soit la profondeur à laquelle il se trouve.
L’avantage géométrique de la collimation
Le principal avantage du rétroéclairage collimaté est l’élimination du halo sur les bords causé par les rayons lumineux qui frôlent l’objet. Dans un rétroéclairage diffus standard, la lumière atteint l’objet sous une large plage d’angles, et les rayons non parallèles à l’axe optique peuvent contourner les bords des petits détails et atteindre la caméra, produisant un léger flou des bords. Dans un rétroéclairage télécentrique, seuls les rayons parallèles sont présents et les bords sont reproduits avec une netteté maximale.
Applications industrielles typiques
Les rétroéclairages télécentriques sont essentiels pour la mesure dimensionnelle de haute précision des pièces métalliques embouties, des composants usinés et des arbres tournés, où une précision au niveau du micromètre est requise ; le contrôle qualité des diamètres de trous, des largeurs de rainures et des profils de dents des engrenages et réducteurs ; l’inspection de petites pièces usinées telles que les fixations, les axes et les connecteurs ; la métrologie des diamètres de col des contenants pharmaceutiques et de la géométrie des comprimés ; la vérification des profils découpés au laser dans la tôle ; l’inspection dimensionnelle des composants plastiques moulés par injection ; et toute application où la précision de mesure approche ou dépasse un dixième de pixel dans l’image de la caméra.
Critères de sélection et considérations de conception
La surface d’émission active du rétroéclairage télécentrique doit couvrir tout le champ de vision de la caméra avec une marge suffisante pour préserver la netteté des bords sur l’ensemble de l’image. Contrairement aux rétroéclairages diffus, où la netteté des bords se dégrade sur tout le champ, les rétroéclairages télécentriques conservent une netteté constante tant que l’objet se trouve dans le faisceau collimaté.
L’angle télécentrique (l’écart maximal par rapport aux rayons parallèles) est la spécification critique. Un angle télécentrique plus petit (généralement inférieur à un degré) offre une meilleure netteté des bords, mais exige une optique de collimation plus sophistiquée et limite la profondeur de champ sur laquelle l’approximation des rayons parallèles reste valable.
L’association avec un objectif télécentrique sur la caméra complète le dispositif de mesure de précision. Un objectif télécentrique n’accepte que les rayons parallèles à son axe optique, faisant coïncider l’acceptance angulaire avec l’émission angulaire du rétroéclairage. Le système obtenu est indépendant de la position de l’objet dans la profondeur de champ et offre l’invariance géométrique nécessaire à une mesure répétable.
Considérations spectrales et de pilotage
Les rétroéclairages télécentriques monochromatiques sont privilégiés pour les applications de mesure, car ils minimisent l’aberration chromatique de l’optique de collimation et de l’objectif de la caméra. Les longueurs d’onde rouge ou verte offrent la meilleure combinaison d’efficacité des LED, de sensibilité du capteur et de correction de l’objectif. Le fonctionnement stroboscopique est recommandé pour toute inspection de cibles en mouvement, afin de figer le mouvement dans la fenêtre d’exposition.
Intégration et limites
Les rétroéclairages télécentriques sont plus volumineux que les rétroéclairages diffus de surface active équivalente, en raison de l’optique de collimation qui doit être placée à la distance focale de la source LED. L’encombrement mécanique du rétroéclairage est généralement deux à trois fois plus profond que celui d’un rétroéclairage diffus de même surface d’émission, ce qui peut contraindre l’intégration dans les cellules d’inspection exiguës.
La principale limite optique est la profondeur limitée sur laquelle l’approximation des rayons parallèles reste valable. En dehors de la profondeur de conception, les rayons divergent progressivement et la netteté des bords se dégrade. La profondeur de conception est généralement spécifiée par le fabricant et va de quelques millimètres pour les rétroéclairages compacts de haute précision à plusieurs centaines de millimètres pour les systèmes télécentriques grand format. Pour les objets qui dépassent la profondeur de conception, la netteté des bords dépend de la position et peut compromettre la précision de mesure.
L’autre limite est le coût. Les rétroéclairages télécentriques sont nettement plus coûteux que les versions diffuses de taille équivalente, reflet de la précision de l’optique de collimation. Le choix d’un rétroéclairage télécentrique se justifie donc principalement par des exigences de mesure de précision que les rétroéclairages diffus plus simples ne peuvent satisfaire.
Rétroéclairages télécentriques RODER Vision
RODER Vision conçoit des ensembles de rétroéclairage LED télécentriques spécifiques à l’application, avec optique de collimation étalonnée, pour l’inspection en vision industrielle exigeant une précision de mesure dimensionnelle sous-pixel.
- Ensembles de rétroéclairage télécentriques et optiques de collimation spécifiques à l’application — Éclairages LED sur mesure
- Gamme standard de rétroéclairages diffus pour les applications en transmission non télécentriques — Rétroéclairages LED
Le fonctionnement stroboscopique du rétroéclairage télécentrique sur des cibles en mouvement exige une synchronisation précise avec la caméra — le catalogue RODER comprend des drivers LED et contrôleurs électroniques dédiés, compatibles avec les contrôleurs de vision industrielle et les automates.