Imagerie hyperspectrale et multispectrale : la nouvelle frontière du contrôle qualité industriel

Les systèmes de vision industrielle standard travaillent dans le spectre visible. Une caméra monochrome mesure l’intensité. Une caméra couleur mesure l’intensité sur trois larges bandes spectrales. Les deux approches conviennent à la détection de forme, de dimension, de texture de surface et de qualité d’impression. Aucune n’est conçue pour détecter la composition d’un matériau, une contamination chimique ou des propriétés sous la surface.

L’imagerie hyperspectrale et multispectrale étend la plage spectrale d’un système de vision au-delà du visible. Elle capte l’information sur la manière dont un matériau interagit avec la lumière à de nombreuses longueurs d’onde simultanément. Cette information peut révéler des propriétés totalement invisibles aux caméras classiques et ouvre des capacités d’inspection jusque-là réservées aux instruments d’analyse de laboratoire.

Ce qu’est l’imagerie hyperspectrale et en quoi elle diffère du RGB

Une caméra couleur standard capte trois larges bandes spectrales : rouge, vert et bleu. Chaque pixel de l’image enregistre trois valeurs. C’est suffisant pour distinguer des couleurs que l’œil humain perçoit comme différentes, mais la résolution spectrale reste très limitée.

Une caméra hyperspectrale capte des centaines de bandes spectrales étroites sur une large plage de longueurs d’onde. Chaque pixel enregistre une signature spectrale complète : une courbe décrivant la quantité de lumière que ce point de la surface réfléchit ou transmet à chaque longueur d’onde. Cette signature spectrale est caractéristique du matériau en ce point. Des matériaux différents, même visuellement identiques, présentent généralement des signatures spectrales différentes.

Il en résulte un cube de données tridimensionnel : deux dimensions spatiales et une dimension spectrale. Le traitement de ce cube permet au système de vision de classer des matériaux, d’identifier des contaminants, de détecter des altérations chimiques et de mesurer une composition — des opérations impossibles avec des données d’image classiques.

Multispectral et hyperspectral : différences pratiques

L’imagerie multispectrale utilise un nombre réduit de bandes spectrales — généralement de quatre à vingt — choisies pour être les plus informatives dans une application donnée. Ces bandes peuvent couvrir le visible, le proche infrarouge (NIR), l’infrarouge à ondes courtes (SWIR) ou l’ultraviolet (UV) selon la tâche d’inspection.

L’imagerie hyperspectrale utilise des centaines de bandes étroites contiguës sur une large plage spectrale continue. Elle capte davantage d’information, mais génère des volumes de données bien supérieurs et exige plus de puissance de calcul.

En contrôle qualité industriel, l’imagerie multispectrale est la plus déployée en production. Le nombre réduit de bandes la rend plus compatible avec le traitement en temps réel sur les lignes. L’imagerie hyperspectrale s’emploie plutôt en recherche et développement, en analyse qualité hors ligne et dans les applications exigeant la résolution spectrale maximale.

Choisir entre multispectral et hyperspectral

Le choix entre multispectral et hyperspectral dépend des exigences de l’application. Si la signature spectrale du matériau visé est déjà connue et qu’un petit ensemble de longueurs d’onde informatives peut être identifié, l’imagerie multispectrale avec un jeu fixe de bandes est plus pratique et plus économique. Si les caractéristiques spectrales de la cible sont inconnues ou très variables, l’imagerie hyperspectrale fournit les données spectrales complètes nécessaires pour développer un algorithme de détection fiable.

Exigences d’éclairage des systèmes d’imagerie spectrale

La source d’éclairage est un composant critique de tout système d’imagerie spectrale. La caméra ne peut mesurer que les longueurs d’onde présentes dans l’éclairage. Si la source n’émet pas dans la plage spectrale visée, la caméra ne reçoit aucun signal à ces longueurs d’onde.

Trois grandes approches d’éclairage sont employées dans les systèmes industriels d’imagerie spectrale.

Éclairage large bande

L’éclairage large bande couvre une vaste plage spectrale avec une source unique. Les lampes halogènes au tungstène sont la source large bande traditionnelle et offrent une émission continue de l’UV au NIR. Les sources LED haute puissance modernes peuvent approcher une couverture large bande en combinant plusieurs émetteurs de longueurs d’onde différentes dans un même boîtier. L’éclairage large bande convient aux systèmes hyperspectraux qui exigent une couverture spectrale complète.

Éclairage LED accordé sur le spectre

Pour les systèmes multispectraux utilisant un jeu fixe de longueurs d’onde connues, un éclairage LED accordé sur ces longueurs d’onde est l’approche à privilégier. Les LED offrent des pics d’émission spectrale étroits, une forte intensité et une longue durée de vie. Un éclairage multispectral peut être réalisé en combinant des LED de longueurs d’onde différentes dans un même boîtier, chaque longueur d’onde étant commutable indépendamment.

RODER Vision fabrique des éclairages LED dans des longueurs d’onde allant de 365 nm dans l’UV, en passant par les couleurs du visible, jusqu’à 850 nm et 940 nm dans le proche infrarouge. Des configurations multi-longueurs d’onde peuvent être spécifiées en combinant plusieurs longueurs d’onde dans le même boîtier. Les ingénieurs peuvent ainsi construire des systèmes d’éclairage multispectral compacts à partir de familles de produits standard, sans optique sur mesure.

Éclairage accordable et séquentiel

Les systèmes d’éclairage accordable commutent les longueurs d’onde en séquence et acquièrent une image à chacune d’elles. La caméra capture une série d’images, chacune éclairée par une longueur d’onde différente, et l’information spectrale est reconstituée à partir de la séquence. Cette approche exige que la pièce reste immobile pendant la séquence d’acquisition, ou que la vitesse de commutation soit assez rapide pour figer le mouvement sur une ligne en marche.

Les éclairages RODER Vision prennent en charge la commutation indépendante des canaux par entrées numériques. Ils sont donc compatibles avec les montages d’imagerie multispectrale séquentielle où la longueur d’onde d’éclairage change d’une image à l’autre en synchronisation avec le déclencheur de la caméra.

Applications industrielles de l’imagerie spectrale

Qualité alimentaire et détection des contaminations

L’imagerie spectrale NIR est largement employée dans l’agroalimentaire pour détecter les corps étrangers, mesurer la teneur en humidité et écarter les produits hors spécification. Éclats d’os dans la volaille, contamination plastique dans les céréales et meurtrissures des fruits sont autant de défauts invisibles aux caméras standard mais détectables par imagerie multispectrale NIR.

Inspection pharmaceutique

La production pharmaceutique recourt à l’imagerie spectrale pour vérifier la composition des comprimés, détecter les défauts de mélange dans les poudres et signaler les principes actifs erronés ou dégradés. Les longueurs d’onde NIR et SWIR sont les plus employées. La signature spectrale de chaque principe actif étant connue, le contenu du comprimé peut être vérifié en temps réel sans prélèvement destructif.

Recyclage et tri des matériaux

L’imagerie spectrale NIR est la technologie de référence du tri automatisé pour le recyclage des plastiques. Les différents polymères — PET, PEHD, PP, PVC — présentent des signatures spectrales NIR distinctes. Un système de tri hyperspectral classe les pièces plastiques par type de polymère en temps réel et les oriente vers la bonne filière de recyclage. Cette application progresse rapidement à mesure que les exigences de contenu recyclé se durcissent dans la réglementation sur les emballages.

Agriculture et calibrage des produits

L’imagerie multispectrale équipe les lignes de tri agricole pour classer les produits par maturité, détecter les maladies et signaler les résidus de pesticides. Teneur en chlorophylle, stress hydrique et concentration en sucre possèdent tous des signatures spectrales dans le visible et le NIR. Les systèmes de calibrage fondés sur l’imagerie spectrale donnent des résultats plus précis et plus constants que l’inspection visuelle humaine.

Difficultés de l’imagerie spectrale industrielle

Les systèmes d’imagerie spectrale génèrent de gros volumes de données. Une image hyperspectrale d’une petite zone peut représenter des centaines de mégaoctets par trame. Traiter ces données en temps réel demande des ressources de calcul importantes et des algorithmes conçus avec efficacité.

Le coût est un facteur déterminant. Les caméras hyperspectrales sont nettement plus chères que les caméras monochromes ou couleur standard. Le système d’éclairage doit couvrir la plage spectrale requise avec une intensité et une uniformité suffisantes. L’intégration système est plus exigeante que pour une cellule de vision classique.

C’est pourquoi l’imagerie spectrale est généralement déployée là où l’inspection ne peut être résolue par les méthodes de vision standard et où la valeur de l’information détectée justifie le surcoût du système. À mesure que le coût des caméras baisse et que le traitement par IA gagne en efficacité, le seuil économique d’adoption de l’imagerie spectrale ne cesse de reculer.

Vers où va l’imagerie hyperspectrale en vision industrielle

La tendance de l’imagerie spectrale industrielle va vers des systèmes plus petits, plus rapides et moins coûteux. Des caméras hyperspectrales linéaires conçues pour l’intégration sur convoyeur sont disponibles à des prix inenvisageables il y a cinq ans. Les caméras SWIR à capteurs InGaAs, longtemps réservées aux applications aérospatiales et de défense à coût élevé, entrent désormais sur les marchés du contrôle qualité industriel.

L’éclairage LED accordable est une technologie habilitante pour le développement de ce marché. À mesure que l’efficacité des LED progresse et que la conception des éclairages multi-longueurs d’onde s’affine, le coût du sous-système d’éclairage des systèmes multispectraux continue de baisser. Les capacités multi-longueurs d’onde de RODER Vision placent la gamme au service de ces applications émergentes à mesure qu’elles gagnent l’inspection industrielle courante.

Produits et technologies

Les familles d’éclairages multi-longueurs d’onde RODER Vision

Les familles RODER Vision ci-dessous existent en plusieurs options de longueur d’onde, dont l’UV, le visible et le NIR. Elles conviennent aux montages d’imagerie multispectrale en contrôle qualité industriel.

Questions fréquemment posées