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Qu'est-ce que l'optique pour la vision industrielle ?
Définition de l'optique pour la vision industrielle
L'optique de vision industrielle comprend des composants optiques tels que des éclairages, des lentilles, des miroirs et des prismes, conçus et fabriqués pour permettre l'inspection visuelle automatisée par une machine. Presque tous les produits fabriqués industriellement font l'objet d'une inspection visuelle, qui consiste à vérifier divers aspects de l'état ou de la condition d'un objet concerné.
Voici quelques exemples d'éléments inspectés :
- Forme, taille, stabilité dimensionnelle
- Position et orientation correctes dans l'espace
- Propriétés optiques, telles que la couleur et l'aspect
- Présence ou absence de défaut
- Présence ou absence des composants attendus (par exemple, dans un ensemble de carte de circuit imprimé)
Pour plus d'informations sur l'optique de vision industrielle, voir la référence [1].
Table des matières
Comment fonctionne l'optique de vision industrielle et à quel problème permet-elle de remédier ?
Grâce à l'éclairage, aux lentilles et aux capteurs, l'optique de vision industrielle recueille des informations utiles à une tâche exécutée par ordinateur. Elle offre un large éventail de fonctions, telles que le dépistage du cancer, l'estimation du volume des tumeurs, le classement des fruits par catégories, le contrôle qualité sur une chaîne de production, la détermination du degré de maturité des récoltes, et bien d'autres encore.
De plus, l'inspection industrielle utilise la vision industrielle pour mesurer les dimensions spécifiques des objets testés afin de contrôler la qualité des produits. Cela évite d'avoir à mesurer chaque pièce manuellement, ce qui prend beaucoup de temps, notamment dans les environnements de production de masse.
Figure 1. Système de caméras de vision robotique dans une usine pharmaceutique
Dans quels secteurs et pour quelles applications l'optique de vision industrielle serait-elle utile ?
La vision industrielle et les solutions d'inspection automatique peuvent répondre aux besoins d'un large éventail de secteurs, de besoins et d'applications ; ainsi, presque tous les fabricants impliqués dans la production et la mise sur le marché de produits peuvent tirer profit de l'inspection visuelle de la qualité de leurs produits.
Les centres de recyclage ont recours à la spectroscopie pour trier les plastiques par type et les collecter dans des bacs distincts.
Les filières agricoles peuvent recourir à la vision industrielle, par exemple pour trier les variétés de laitue vert clair des variétés vert foncé qui défilent sur un tapis roulant, afin de les conditionner séparément.
Des secteurs tels que la distribution médicale, l'industrie pharmaceutique, la quincaillerie automobile et les équipements électriques, la production en série d'électronique grand public, l'aviation, l'avionique et les chaînes d'approvisionnement qui les soutiennent ont recours à la vision industrielle pour les tâches d'inspection en production.
Figure 2. Technologie de vision industrielle par codes-barres pour le tapis roulant d'une chaîne de production industrielle de sushis dans une usine agroalimentaire.
Comment concevoir et modéliser un système optique pour la vision industrielle ?
Pour développer et modéliser un système optique destiné à la vision industrielle, la première étape consiste à définir les spécifications, souvent pour un plan focal spécifique utilisé dans le système d'imagerie, et avec une certaine sensibilité. Cela a une incidence sur la conception du système d'éclairage, notamment sur le choix de la source lumineuse, la puissance requise et le rendement de collecte. En particulier, la réflectivité de la surface inspectée — c'est-à-dire la quantité de lumière qui pénètre dans le trajet optique — influence directement les exigences en matière d'éclairage.
En ce qui concerne le système d'imagerie, les facteurs clés sont les suivants :
- La taille de la caractéristique à déterminer sur la pièce inspectée
- L'ouverture numérique nécessaire pour la résolution, la profondeur de champ et le niveau du signal
- La distance entre la pièce inspectée et l'objectif
- La zone (champ de vision) de la pièce inspectée à photographier
- Caractéristiques de polarisation de l'objet
Il peut également exister des indicateurs au niveau du système portant sur des aspects plus généraux des performances du système. Par exemple :
- Exigences relatives à un rapport signal/bruit élevé, y compris les exigences concernant le fonctionnement de la caméra haute vitesse et l'exposition
- L'imagerie hypercentrique de pièces, qui présente une distorsion acceptable et offre de larges angles de vision pour les parois latérales des unités testées, peut entraîner des exigences d'éclairage particulières
- Exigences spécifiques pour les pièces de très grande taille (ou de petite taille)
- Caractéristiques du réseau de détecteurs, telles que le pas des pixels et les limites de l'angle du rayon principal (un des paramètres de la télécentricité)
- Exigences en matière de télécentricité afin qu'un changement de mise au point ne modifie pas la taille de l'objet
- Plage spectrale, longueurs d'onde d'échantillonnage et pondérations des longueurs d'onde
- Grossissement
- Distorsion admissible
- Contraintes d'enveloppe
- Contraintes de poids
- Volumes de production
- Objectif budgétaire
Les systèmes de vision industrielle ont recours au traitement du signal d'image (ISP) pour effectuer des inspections visuelles. Les aspects à prendre en compte lors de la conception des routines ISP sont les suivants :
- Une connaissance préalable de l'objet à identifier. Cela facilite la conception et l'apprentissage du système, de sorte que les algorithmes de détection soient optimisés pour un ensemble d'objets particulier
- Connaissance des caractéristiques des systèmes d'imagerie, telles que la résolution et le champ de vision, ainsi que des caractéristiques des capteurs d'image, notamment les dimensions de la matrice de pixels et la taille des pixels
- Conditions d'éclairage de la scène
- Techniques de traitement d'images telles que la détection des contours et la segmentation
- Méthodes de détection d'objets ou de caractéristiques
En ce qui concerne l'ensemble du système, d'autres questions portent sur l'enveloppe budgétaire globale et le coût.
Il est essentiel de concevoir un système optique capable de capter le plus d'informations possible pertinentes pour la tâche à accomplir, tout en tenant compte de la manière dont les méthodes de traitement d'image peuvent modifier ou améliorer les performances du système. Les paramètres de conception peuvent inclure l'éclairage structuré, la cohérence des sources lumineuses, la réflectivité, l'absorption, la diffusion, la réponse spectrale, le contraste de phase, les propriétés de polarisation, la radiométrie, etc.
Pour faciliter le développement d'un système de vision industrielle, Keysight propose LightTools pour la conception de l'éclairage, CODE V pour la conception des systèmes optiques, ainsi qu'ImSym, une plateforme qui fournit un modèle complet du système, incluant le système optique, les caractéristiques du détecteur et les méthodes de traitement du signal d'image.
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Références
[1] « Machine Vision - Automated Visual Inspection: Theory, Practice and Applications », Beyerer, Puente Leon, Frese, Springer Verlag, 2016.
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