La lecture de codes-barres et la lecture datamatrix sur des pièces en mouvement constituent l’un des défis d’éclairage les plus complexes en vision industrielle. Le problème central est le flou de mouvement : lorsqu’un code-barres se déplace pendant l’exposition de la caméra, l’image de ses barres et de ses espaces s’étale dans la direction du mouvement. Cet étalement réduit le contraste de contour entre les barres et les espaces. En dessous d’un niveau de contraste critique, le décodeur de codes-barres ne peut pas lire le symbole, ce qui entraîne une non-lecture provoquant l’arrêt de la production ou imposant une intervention manuelle.
La solution consiste à figer le mouvement de manière optique et non mécanique. Réduire le temps d’exposition de la caméra jusqu’au point où le code-barres se déplace de moins d’une très faible fraction de la largeur d’une barre pendant l’exposition permet d’éliminer le flou de mouvement visible. Pour un code-barres se déplaçant à la vitesse typique d’un convoyeur avec des largeurs de barre standard, cela nécessite des temps d’exposition de 50 à 500 microsecondes. Avec ces expositions courtes, l’éclairage doit fournir un nombre suffisant de photons au capteur dans le temps imparti. Les éclairages standard en mode continu ne peuvent pas fournir une intensité adéquate pour des expositions aussi courtes. L’éclairage stroboscopique pulsé est la réponse de l’ingénierie.
La physique du flou de mouvement dans la lecture de codes-barres
Le flou de mouvement est directement proportionnel au produit de la vitesse de l’objet par la durée d’exposition. Un code-barres se déplaçant à 1 m/s avec un temps d’exposition de 1 ms se déplace de 1 mm pendant l’exposition. Si la largeur de barre la plus étroite du symbole est de 0,5 mm, le code-barres s’est décalé de deux largeurs de barre pendant l’exposition. Cela produit un étalement sévère et un échec de lecture garanti.
La limite tolérable de flou pour la lecture de codes-barres est généralement définie comme une fraction de la largeur minimale de barre, appelée dimension X. Les normes ISO de qualité des codes-barres établissent des exigences de contraste de contour de barre qu’un symbole doit respecter pour une classe de qualité donnée. Le flou de mouvement réduit le contraste de contour de barre en proportion du rapport entre la distance de flou et la largeur de la barre. Pour une lecture fiable, le flou de mouvement doit rester inférieur à 10 % à 20 % de la dimension X.
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Calcul du temps d’exposition requis
Le temps d’exposition requis découle de la vitesse de l’objet, de la dimension X du code-barres et de la fraction de flou autorisée. Pour un code-barres présentant une dimension X de 0,33 mm se déplaçant à 0,5 m/s, le flou admissible est de 0,033 à 0,066 mm (10 à 20 % de la dimension X). Le temps d’exposition requis est de 0,033 mm divisé par 500 mm/s, soit un maximum de 66 microsecondes. Pour un code-barres situé sur un convoyeur à haute vitesse défilant à 2 m/s avec la même dimension X, le temps d’exposition requis chute à 16 microsecondes.
Ces temps d’exposition s’inscrivent parfaitement dans les capacités des caméras de vision industrielle modernes équipées de capteurs à obturateur global (global shutter). Le défi réside entièrement du côté de l’éclairage : fournir suffisamment de lumière pour une exposition correcte en 16 à 66 microsecondes exige des intensités d’éclairage supérieures de un à deux ordres de grandeur à ce que fournissent les éclairages à LED standard en mode continu.
Éclairage stroboscopique : comment l’intensité de pointe compense une exposition courte
Les éclairages à LED peuvent fonctionner selon deux modes fondamentalement différents : le mode continu et le mode stroboscopique. En mode continu, les LED sont alimentées à un courant constant et l’éclairage produit une émission stable et constante. Le courant continu maximal est déterminé par la capacité thermique de l’éclairage et de son dissipateur thermique. Si l’on dépasse ce courant, la température de jonction des LED augmente jusqu’à des niveaux qui dégradent définitivement leurs performances.
En mode stroboscopique, les LED sont alimentées avec un courant de pointe nettement plus élevé pendant une impulsion très courte, puis sont éteintes afin que la jonction puisse refroidir avant l’impulsion suivante. L’émission optique de pointe pendant l’impulsion varie en fonction du courant d’attaque de pointe et peut être plusieurs fois supérieure à l’émission en mode continu. Le rapport cyclique — la fraction de temps pendant laquelle l’éclairage est allumé — détermine la puissance moyenne dissipée dans les LED. Avec un faible rapport cyclique de 1 % à 5 %, le courant de pointe peut atteindre 10 à 50 fois le courant continu sans dépasser la valeur thermique moyenne admissible.
Durée d’impulsion et synchronisation
L’impulsion stroboscopique doit être synchronisée avec l’exposition de la caméra. L’approche standard utilise la sortie de déclenchement de la caméra pour activer l’impulsion stroboscopique, en ajustant la durée de l’impulsion pour qu’elle corresponde au temps d’exposition de la caméra. L’éclairage doit réagir rapidement au signal de déclenchement : le temps de montée entre l’entrée de déclenchement et l’émission optique maximale doit être plus court que le temps d’exposition. Pour des expositions de 50 microsecondes, le temps de montée doit être inférieur à quelques microsecondes.
Les éclairages des séries DL5 et DL6 de RODER Vision sont conçus pour le fonctionnement stroboscopique avec des durées d’impulsion très courtes. Les circuits électroniques des drivers atteignent des temps de montée inférieurs à 2 microsecondes jusqu’à l’émission maximale de pointe. L’entrée de déclenchement stroboscopique accepte les signaux logiques 5 V et 24 V et se raccorde directement aux formats de sortie des caméras de vision industrielle et des cartes d’acquisition d’images standard.
Géométrie d’éclairage pour la lecture de codes-barres sur des pièces en mouvement
La géométrie de l’éclairage façonne la lisibilité du code-barres de plusieurs manières, au-delà de la simple intensité. L’angle d’incidence, l’uniformité sur la zone du code-barres et la relation entre la direction de l’éclairage et l’orientation du code-barres influencent tous la qualité de l’image décodée.
Éclairage direct pour codes-barres plans sur surfaces mates
Pour les codes-barres imprimés sur des surfaces mates ou satinées telles que les étiquettes en papier, les cartons et les plastiques non revêtus, l’éclairage frontal direct provenant d’un éclairage matriciel à LED ou d’un éclairage annulaire offre la plus forte intensité et le meilleur contraste. L’angle d’éclairage doit être compris entre 30° et 60° par rapport à l’axe de la caméra pour éviter la réflexion spéculaire qui se produit sous une incidence normale sur des surfaces légèrement réfléchissantes. Un éclairage annulaire centré sur l’axe de la caméra fournit un éclairage frontal omnidirectionnel indépendant de l’orientation du code-barres sur l’étiquette.
Éclairage diffus pour surfaces brillantes et réfléchissantes
Les codes-barres figurant sur des étiquettes brillantes, des substrats métallisés et des produits sous film rétractable nécessitent un éclairage diffus pour éviter les points chauds spéculaires qui saturent le capteur et masquent les barres du code-barres. Un éclairage dôme plat fournit un éclairage diffus à partir d’un grand angle solide, l’image du code-barres étant prise à travers l’ouverture du dôme. La géométrie diffuse élimine les réflexions spéculaires et produit une image uniforme et lisible du code-barres, même sur des substrats très réfléchissants.
Le compromis de l’éclairage diffus réside dans l’intensité : les éclairages dôme plat répartissent leur émission optique sur un grand angle solide, ce qui laisse une intensité plus faible à la surface du produit qu’un éclairage direct de même puissance électrique. Pour des applications à haute vitesse sur des surfaces réfléchissantes, une combinaison d’un éclairage diffus modéré pour le contraste et d’une impulsion stroboscopique très courte pour figer le mouvement est nécessaire.
Orientation de la barre et direction d’éclairage
Pour les codes-barres linéaires, la direction de l’éclairage par rapport à l’orientation des barres détermine le contraste de contour dans l’image. Un éclairage parallèle aux barres (perpendiculaire à la direction de balayage) produit le contraste de contour maximal aux limites des barres. Un éclairage perpendiculaire aux barres (le long de la direction de balayage) minimise ce contraste de contour. En pratique, l’orientation du code-barres sur le produit est généralement fixe et la géométrie d’éclairage est conçue en conséquence. Lorsque l’orientation du code-barres est variable, on préfère un éclairage annulaire ou une source diffuse, car tous deux sont indépendants de l’orientation du code-barres.
Codes Datamatrix et 2D : considérations supplémentaires sur l’éclairage
Les codes datamatrix, les codes QR et autres symbologies 2D sont de plus en plus utilisés pour la traçabilité industrielle, car ils contiennent plus d’informations par unité de surface que les codes-barres linéaires et peuvent être lus même lorsqu’ils sont partiellement endommagés. La taille de cellule d’un code datamatrix imprimé avec des densités industrielles typiques varie de 0,25 mm à 1 mm par cellule. Les exigences d’éclairage correspondent à celles des codes-barres linéaires en termes d’intensité et de figement du mouvement, mais la structure 2D du code ajoute des contraintes supplémentaires.
Les codes datamatrix sont souvent marqués directement sur la surface de la pièce par micro-percussion, gravure laser ou attaque chimique, plutôt qu’imprimés sur une étiquette. Ces techniques de marquage direct sur pièces (DPM, Direct Part Marking) produisent des codes lus dans des conditions d’éclairage très différentes de celles utilisées pour les codes-barres imprimés. Les codes marqués par micro-percussion sur des surfaces métalliques nécessitent un éclairage directionnel sous un angle spécifique pour créer du contraste entre les points incisés et la surface plane environnante. L’éclairage annulaire à faible angle ou l’éclairage coaxial sont les techniques les plus utilisées pour la lecture datamatrix DPM.
Guide pratique pour l’éclairage stroboscopique dans les systèmes de lecture de codes-barres
La conception d’un système d’éclairage stroboscopique pour la lecture de codes-barres implique d’harmoniser plusieurs paramètres : le temps d’exposition, l’intensité de pointe, la distance de travail de l’éclairage, le champ de vision et l’interface de déclenchement.
Le temps d’exposition est défini en premier lieu à partir de la vitesse de la ligne et du calcul de la dimension X du code-barres décrit ci-dessus. L’éclairement énergétique superficiel requis est calculé à partir du temps d’exposition, de la sensibilité du capteur de la caméra, du nombre d’ouverture de l’objectif et du niveau de gris cible dans les espaces blancs du code-barres. L’éclairage est ensuite choisi pour fournir cet éclairement à la distance de travail et à la taille de champ requises. Les fiches techniques des produits RODER Vision fournissent des valeurs d’éclairement de pointe en mode stroboscopique à des distances de travail définies, permettant au concepteur du système de confirmer que l’éclairement requis est réalisable avant l’intégration.
Produits et technologies
Familles d’éclairages RODER Vision pour la lecture de codes-barres
Les familles de produits RODER Vision ci-dessous sont optimisées pour la lecture de codes-barres et la lecture datamatrix à haute vitesse nécessitant un éclairage stroboscopique.
DL5 – Matrice de LED Haute Intensité
Intensité de pointe maximale en mode stroboscopique. Conçu pour la lecture de codes-barres à haute vitesse avec des temps d’exposition descendant jusqu’à 10 microsecondes. Temps de montée rapide. Multi Longueur d’onde, incluant le rouge et le blanc.
DL6 – Matrice de LED à haute densité
Matrice haute densité avec stabilité thermique HTTM. Compatible stroboscope pour la lecture de codes-barres et la lecture datamatrix. Grands formats pour les applications sur convoyeur à large champ de vision.
DC6 – Anneau LED haute densité
Éclairage annulaire pour la lecture de codes-barres sur étiquettes quelle que soit leur orientation. Multi Longueur d’onde. Compatible stroboscope. Option faible angle pour la lecture de codes-barres DPM marqués par micro-percussion sur pièces métalliques.
FD2 – Illuminateurs LED à dôme plat
Éclairage dôme diffus pour la lecture de codes-barres sur étiquettes brillantes, métallisées et filmées. Élimine les points chauds spéculaires. Compatible stroboscope pour les applications de figement du mouvement.
Questions fréquemment posées
Le flou de mouvement se produit lorsqu’un code-barres se déplace pendant l’exposition de la caméra, étalant les barres et les espaces dans la direction du mouvement et réduisant le contraste de contour en dessous du seuil du décodeur. Il est éliminé en raccourcissant l’exposition afin que le code-barres se déplace de moins de 10 % à 20 % de la largeur d’une barre pendant l’exposition. L’exposition plus courte nécessite une intensité d’éclairage proportionnellement plus élevée, fournie par des éclairages à LED stroboscopiques.
Divisez la distance de flou admissible par la vitesse de l’objet. Le flou admissible représente généralement 10 % à 20 % de la dimension X du code-barres (largeur minimale d’une barre). Pour un code-barres présentant une dimension X de 0,33 mm se déplaçant à 1 m/s, l’exposition maximale est de 0,033 à 0,066 mm divisé par 1000 mm/s, soit 33 à 66 microsecondes. À des vitesses de ligne plus élevées, le temps d’exposition requis diminue en proportion.
L’éclairage stroboscopique alimente les LED à des courants de pointe 10 à 50 fois supérieurs au nominal continu pendant des impulsions très courtes, produisant des intensités optiques de pointe bien supérieures à ce que les éclairages continus peuvent soutenir. L’impulsion courte associée à l’intensité de pointe élevée permet des expositions de caméra très courtes qui figent le mouvement tout en fournissant suffisamment de lumière pour une exposition correcte du capteur.
Les codes datamatrix marqués directement sur les pièces (DPM) sur des surfaces métalliques nécessitent un éclairage directionnel pour créer du contraste entre les points incisés et la surface plane environnante. L’éclairage annulaire à faible angle ou l’éclairage coaxial sont les techniques les plus courantes. Le meilleur angle dépend de la profondeur de marquage et de la rugosité de surface de la pièce, c’est pourquoi des essais avec différents angles sont généralement nécessaires pour optimiser le contraste pour le marquage et le substrat spécifiques.
Oui, dans de nombreuses applications. Un éclairage stroboscopique haute intensité déclenché pour une lecture de codes-barres à courte exposition peut également fonctionner à une intensité plus faible ou avec un temps d’exposition plus long pour la vérification de l’impression d’étiquettes et la détection de présence dans la même station de caméra. L’éclairage est déclenché différemment pour chaque tâche et le système de vision traite les deux types d’images avec des algorithmes distincts, ce qui réduit le nombre d’éclairages et de stations de caméra nécessaires.
Contacts et informations
Contact pour informations générales : info@roder.it
Partenaire d’intégration de systèmes et de capteurs : www.roder.it
Division Vision Artificielle de RODER : www.rodervision.com
Division Instruments de RODER : www.innovacheck.com
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