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La polarisation génère de nouvelles visions

Interview de notre expert Jan Sandvoss

Un système de vision qui polarise la lumière permet de révéler des informations non visibles sur les propriétés des produits, comme les tensions à l’intérieur du plastique et du verre. M. Jan Sandvoss, expert en polarisation chez STEMMER IMAGING, nous donne un aperçu de cette technique et de ses possibilités.

M. Sandvoss, pouvez-vous nous expliquer brièvement comment fonctionne la polarisation ?

Jan Sandvoss : Pour mieux comprendre le fonctionnement des caméras de polarisation, il faut examiner de plus près les principes de base de la physique. La lumière est définie par une onde électromagnétique transversale qui se propage, composée d'ondes électriques et magnétiques oscillantes qui sont perpendiculaires les unes aux autres et à la direction dans laquelle elles se déplacent.

La polarisation est définie par le plan d'oscillation de l'onde électrique. La lumière n'est généralement pas polarisée, ce qui signifie que les ondes électriques peuvent se propager dans toutes les directions. S'il n'y a qu'une seule direction d'oscillation, on parle de lumière polarisée linéairement. Si la phase des champs électriques et magnétiques n'est pas la même, on dit que l'onde est polarisée de façon elliptique.

Si les ondes sont déphasées de 90 degrés (un quart de longueur d'onde), on parle de lumière polarisée circulairement. Cela s'applique à l'ensemble du spectre électromagnétique, donc à la lumière ultraviolette (UV), à la lumière visible avec des longueurs d'onde entre 440 et 650 nm, au proche infrarouge (NIR) et à la lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR).

Quelle est la principale différence entre une lumière polarisée et non polarisée ?

Jan Sandvoss: La lumière non polarisée est constituée de nombreuses ondes qui oscillent dans différentes directions. C’est le cas des ampoules à incandescence ou de la lumière du soleil. En vision industrielle, ce type d'éclairage présente un inconvénient majeur : en particulier lors de l'inspection d'objets dont les surfaces sont brillantes, il est pratiquement impossible d'éviter les réflexions sur certaines zones.

La lumière polarisée, en revanche, signifie que toutes les ondes émises par une source de lumière sont polarisée de la même façon. Elles vont dans la même direction et les amplitudes des champs électriques sont identiques. Grâce à une utilisation intelligente de la polarisation, il est possible de filtrer les réflexions indésirables. Dans certains cas, cela peut faciliter et améliorer l'inspection de caractéristiques optiques des objets.

Pouvez-vous nous donner quelques exemples typiques d'applications ?

Jan Sandvoss: Cette technologie peut apporter une solution à quelques applications intéressantes. En général, l’état de polarisation de la lumière peut être modifié par certaines caractéristiques présentes sur la surface des objets : la rugosité, des rayures, des bosses ou un revêtement par exemple. D'autres propriétés physiques telles que la contrainte mécanique ou la biréfringence jouent également un rôle. Ce sont notamment les objets dont les surfaces brillent, miroitent ou réfléchissent la lumière, comme les films d’emballage, le métal ou le verre, qui profitent au maximum de la polarisation lors de leur inspection par un système de vision. En effet, les images obtenues avec une lumière polarisée améliorent les processus de vision industrielle, comme la détection de rayures ou la lecture de codes inscrits sous différentes couches de films plastiques.

Inspection de surfaces brillantes avec des reflets

polarisée à 0°

polarisée à 90°

avec quatre polariseurs

Un système de polarisation approprié est par exemple en mesure de vérifier les languettes de fermeture d’un jeu de cartes emballé dans un film plastique. Avec une lumière non polarisée, il est très difficile, voire impossible de détecter des défauts dans ce cas précis. Un autre exemple concerne les applications classiques de « pick & place » où des objets brillants, souvent métalliques provoquent toujours des réflexions dans différentes zones de l'image lorsqu’ils sont placés sous différents angles d’éclairage et de polarisation.

Si, à partir de différentes images, on combine les zones qui ne présentent aucunes réflexions en une seule image, il est possible de fusionner des zones faciles à évaluer. Cela simplifie le traitement de l'image ainsi que l'identification des objets et de leur position sur cette image reconstituée.

Inspection des plis d’un emballage (jeu de cartes)

image brute

non polarisée S0

polarisée HSV

Quand la polarisation est-elle devenue intéressante pour la vision industrielle ?

Jan Sandvoss: À l'automne 2018, Sony a mis sur le marché le capteur CMOS IMX250MZR dont les fonctions de polarisation sont intégrées au niveau du pixel et permettent de résoudre une variété de tâches de vision. Depuis, le sujet a considérablement gagné en importance dans le domaine de la vision industrielle. Ce capteur est capable de filtrer la lumière selon quatre angles : 0°, 45°, 90° et 135°. Il ne transmet que la partie de la lumière qui est dans la même orientation que le polariseur respectif.

Pour chaque unité de calcul, le capteur Sony utilise quatre grilles en nanofils, orientées selon les angles mentionnés plus haut. Le polariseur est situé entre la photodiode et la microlentille. La conception du capteur intelligent réduit l'effet de diaphonie indésirable qui se produit lorsque la lumière, à un angle polarisé, est dirigée de façon incorrecte vers un pixel adjacent.

Ce capteur a donc dû intéresser de nombreux fabricants souhaitant concevoir des caméras de polarisation ?

Jan Sandvoss: En effet, il existe déjà un certain nombre de grands fabricants de caméras qui ont lancé des produits utilisant cette technologie. Les partenaires de longue date de STEMMER IMAGING tels qu’Allied Vision, JAI et Teledyne DALSA en font partie.

Tout comme pour les caméras matricielles, quatre filtres avec différents angles de polarisation ont été mis en place pour l'acquisition directe. Cependant, aussi bien pour les caméras matricielles que linéaires, il est également possible de définir d'autres angles de polarisation « virtuels » par interpolation à partir des quatre directions principales afin d'obtenir un alignement optimal pour différentes tâches.

En quoi les images de caméras de polarisation et celles de caméras conventionnelles diffèrent-elles ?

Jan Sandvoss: Le vecteur de Stokes est à la base des images de polarisation. La polarisation de la lumière peut être spécifiée quantitativement en utilisant ce vecteur. Celui-ci se compose de quatre valeurs qui définissent la direction et l'amplitude de la polarisation d'une onde électromagnétique et donc le degré de la polarisation linéaire, circulaire ou elliptique.

Après la prise d’image avec une caméra de polarisation, il est possible de générer des images qui représentent les trois premiers paramètres de Stokes. Dans une étape ultérieure, les images des paramètres de Stokes peuvent être combinées en images uniques, dans lesquelles l'intensité du pixel représente le degré de polarisation linéaire (DoLP) et l'angle de polarisation moyen (AoMP). Pour une meilleure visualisation, ces images DoLP et AoMP peuvent également être mises en correspondance avec l'espace couleur HSV. De cette façon, on peut par exemple mieux visualiser les contraintes dans la structure des objets en plastique. Ce type de visualisation simplifie également l'évaluation ultérieure des images.

De quel équipement avez-vous besoin pour prendre des images polarisées ?

Jan Sandvoss: En plus d'une caméra de polarisation, un éclairage et des objectifs appropriés sont nécessaires pour obtenir des images de haute qualité. Bien entendu, comme pour tout système de vision, des câbles sont nécessaires pour transférer les images vers l'ordinateur de traitement.

Par ailleurs, pour l'évaluation des images de polarisation, certains environnements logiciels, tels que la bibliothèque logicielle Common Vision Blox développée par STEMMER IMAGING, contiennent déjà des outils appropriés.

Les caméras de polarisation peuvent révéler la troisième dimension de la lumière, la rendant ainsi utilisable pour la vision industrielle. Cela signifie que la technique peut être utilisée pour détecter des propriétés ou des défauts qui resteraient invisibles avec une autre technique.