De nouveaux capteurs et applications de vision industrielle stimulent les progrès de l'optique

Apr 27, 2023

Source de toutes les images : A3

Avant qu'une caméra puisse capturer une image d'un objet, l'objectif doit collecter la lumière diffusée de l'objet et la distribuer correctement sur la zone active du capteur. C'est l'une des raisons pour lesquelles les capteurs de caméra et les nouvelles applications de vision industrielle ont tendance à entraîner des avancées parallèles dans le domaine de l'optique, et les fournisseurs d'optique doivent continuellement évoluer à mesure que les technologies de vision industrielle progressent.

"Nous voyons constamment des applications de vision industrielle passer à des résolutions plus élevées", déclare Nick Sischka, récemment promu directeur du développement des produits d'imagerie chez Edmund Optics. "Nous avons cessé de remarquer que les pixels deviennent beaucoup plus petits et voyons plutôt la taille des capteurs augmenter."

Alors que des entreprises comme Gpixel et Sony continuent de sortir des capteurs toujours plus grands (par exemple, 152 MP), le défi pour les fournisseurs d'optique est de suivre le rythme. Ces objectifs seront assez grands - plus grands que les objectifs plein format généralement utilisés en photographie - et jusqu'à ce que de nouveaux soient développés, un objectif photographique moyen format peut être la meilleure option.

« Des objectifs pour les très grands capteurs de 60,6 mm de diagonale qui offrent plus de 150 mégapixels doivent être développés », déclare Mark Peterson, cofondateur et vice-président, technologie de pointe, Theia Technologies. "Malheureusement, le coût de développement, la grande taille de l'objectif et le faible volume initial maintiendront ces objectifs à un prix élevé."

Jason Baechler, président de MORITEX North America Inc., est d'accord. "Lors de la conception d'optiques pour des capteurs de plus en plus grands, plusieurs défis existent, en particulier si les tailles/pas de pixel sont assez petits", dit-il. "Les deux principaux défis sont le contrôle de la taille et du coût des objectifs/optiques à aligner avec les caméras utilisant ces nouveaux capteurs. Au-delà du simple défi d'adresser tous les capteurs de caméra, ces deux facteurs augmentent la nécessité de faire des compromis en optique et les conceptions mécaniques."

Pour les objectifs bi-télécentriques, MORITEX conçoit les lentilles frontales/objectifs pour correspondre au champ de vision maximal avec une résolution ciblée. Cette partie avant de l'objectif peut alors convenir à une large gamme de formats de capteur d'image, ce qui minimise la variation des composants au sein de son portefeuille et optimise le coût des composants d'objectif télécentrique les plus chers. La partie arrière de la lentille (côté image), cependant, varie en fonction du format de l'image et le résultat est que la longueur n'est pas toujours optimisée.

Pour cette raison, note Baechler, "nous proposons toujours des objectifs télécentriques côté objet de différents formats pour les applications qui ont des besoins d'espace plus restreints". Cependant, ces objectifs (MORITEX MML) ne peuvent être utilisés qu'avec un format de capteur spécifique ou plus petit, en supposant que la taille de la monture est la même. Pour l'automatisation d'usine et d'autres objectifs à distance focale fixe non télécentriques (où certains objectifs de grande taille ou à haute puissance n'entraînent pas le coût), les compromis augmentent avec la polyvalence et la compétitivité des coûts des produits.

En minimisant le nombre d'éléments dans un objectif et en simplifiant les systèmes opto-mécaniques pour le réglage de la distance de travail (WD), de l'ouverture et de la mise au point, un objectif peut être conçu pour une plage de distance de travail et/ou une taille d'ouverture limitées. Une autre façon d'aborder cela consiste à concevoir des produits couvrant une gamme de formats de capteurs et à proposer des adaptateurs de montage pour s'adapter à différentes caméras.

"Cette approche présente l'avantage d'une résolution améliorée car le format d'image du capteur devient plus petit par rapport au format d'image maximal de l'objectif", explique Baechler. "En conséquence, un objectif conçu pour une diagonale d'image (ou ligne) de 62 mm et des pixels de 5 µm pourrait correspondre à un capteur avec des pixels de 3 µm et une diagonale de 43,5 mm."

En réponse à la diffusion croissante de capteurs plus grands, Navitar Inc. a également développé des optiques optimisées pour une utilisation avec les formats de caméra plus grands. Un nouveau produit convient aux applications industrielles haut de gamme telles que l'inspection des tranches de semi-conducteurs, l'inspection FPD et les MEMS, ainsi qu'aux applications des sciences de la vie et biomédicales telles que les expériences multi-puits et l'imagerie cellulaire.

Jeremy Goldstein, propriétaire et PDG de Navitar, note que les nouvelles optiques pour tirer parti des caméras de plus grand format "permettent à Navitar de fournir à leurs clients des images à champs de vision plus larges afin que le client puisse voir plus d'objets à la fois. Cela augmente le traitement le débit et la rapidité de la collecte des données, ce qui est extrêmement important pour toutes les industries, à la fois industrielles et médicales. »

Dans la recherche et les instruments biologiques en particulier, la capture d'une plus grande surface d'un échantillon diminue le temps nécessaire pour collecter des données significatives et la possibilité de photoblanchiment des cellules marquées. Selon Goldstein, le temps passé auparavant à déplacer l'optique, la scène ou à attendre que le logiciel assemble plusieurs images ensemble est considérablement réduit lors de l'utilisation du système.

Les rapports de l'industrie s'attendent à ce que l'imagerie non visible, y compris l'ultraviolet, l'infrarouge à ondes courtes, l'IR, l'hyperspectrale et le multispectral, augmente de plus de 30 % au cours des cinq prochaines années. Alors que les options de capteur/caméra se sont rapidement développées ces dernières années, les coûts ont baissé, ce qui a entraîné une explosion de nouvelles applications, ce qui, à son tour, a accru la demande pour une variété d'objectifs nécessaires pour répondre à ces nouvelles applications.

Peterson note que Theia a développé des objectifs uniquement SWIR dans le passé avant que les nouveaux capteurs hyperspectraux ne soient disponibles. "Nous évaluons maintenant de nouveaux types d'objectifs qui peuvent fonctionner avec les capteurs vis-SWIR avancés qui réagissent aux longueurs d'onde de 400 nm à 1700 nm, pour fournir une image ultra-large et supprimer la distorsion en barillet sans logiciel."

Il ajoute : « L'application qui tue pour cette bande de longueur d'onde vis-SWIR n'a pas encore été identifiée, mais le coût décroissant des capteurs hyperspectraux nécessitera la disponibilité de lentilles qui complètent la large bande de longueur d'onde. »

Dans l'imagerie hyperspectrale, Sony a introduit des capteurs d'imagerie à large bande, mais jusqu'à ce qu'il y ait un véritable revêtement hyperspectral dessus, la plupart des applications utiliseront une bande de longueur d'onde étroite sur ce capteur, comme SWIR, selon Sischka.

"Il est souvent plus logique d'avoir une solution multi-caméras avec différents capteurs se concentrant sur différentes bandes d'ondes plutôt que d'avoir une caméra très coûteuse qui peut imager sur l'ensemble du large spectre", déclare Sischka. "Une exception à cela serait une application où la réduction du poids est une priorité, comme l'imagerie aérienne à partir d'un drone."

Parmi les autres progrès de l'optique qui sont importants pour le marché de la vision industrielle, citons les zooms, les nouveaux matériaux optiques et les méthodes de fabrication améliorées. Par exemple, les zooms - qui étaient auparavant considérés comme indésirables en raison des inquiétudes concernant les effets des vibrations sur la mécanique motorisée - sont adoptés en plus grand nombre, selon Peterson.

L'adoption accrue est motivée par des applications où le sujet n'est pas seulement un produit de forme uniforme sur une chaîne de montage, mais un objet à une distance inconnue et variable. Un exemple est les applications mobiles, où l'objet ou l'imageur ou les deux peuvent se déplacer. Pendant ce temps, les robots fixes et les robots autonomes itinérants nécessitent la flexibilité d'un zoom pour naviguer et identifier des objets dans un environnement dynamique.

Peterson dit également que les objectifs motorisés avec zoom et mise au point réglables offrent une plus grande polyvalence et commodité, permettant un ajustement aux conditions changeantes, la configuration à distance et le fonctionnement. Combiné à la haute résolution et à la correction NIR, ainsi qu'à l'IA et à l'apprentissage automatique, ce type d'objectif peut être un outil puissant pour permettre des tâches d'identification et de reconnaissance de niveau supérieur, telles que la détection des défauts, la reconnaissance optique des caractères (OCR) et la reconnaissance automatique des plaques d'immatriculation. .

L'une de ces applications est les systèmes de trafic intelligents (ITS), où la flexibilité d'optimiser le champ de vision et la distance de mise au point après l'installation initiale et sans qu'il soit nécessaire d'arrêter le trafic est rendue possible par le zoom et la mise au point motorisés. L'optimisation des images est essentielle pour obtenir les meilleures performances pour identifier les cibles à l'aide de l'OCR, de l'IA et de l'apprentissage automatique.

"Il existe un malentendu courant selon lequel un système d'imagerie n'est utile que s'il est limité en pixels et fonctionne à la fréquence de Nyquist", déclare Sischka. "Les lentilles d'imagerie peuvent en fait être très utiles au-delà de la fréquence de Nyquist, ce qui signifie que la taille des pixels est inférieure à la taille du point focalisé de la lentille. Par exemple, le maculage de plusieurs pixels sur une caractéristique est utile pour les solutions de trafic intelligentes car cela leur permet de remarquer de petites différences entre des objets qui se ressemblent relativement les uns aux autres."

Comme mentionné précédemment, l'incorporation de métamatériaux sera très excitante mais n'est pas encore tout à fait là, dit Sischka. La science des matériaux sera essentielle pour faire de nouveaux développements au service de capteurs plus grands et de plages de longueurs d'onde plus larges. L'imagerie computationnelle et la possibilité d'utiliser des éléments diffractifs ont également conduit à des avancées récentes.

Baechler est d'accord. "Les options de matériaux ont permis de réduire les coûts tandis que les performances augmentent pour les lentilles conçues pour les capteurs IR-SWIR", dit-il. "Les lentilles liquides permettent de nouvelles solutions et également une polyvalence accrue des conceptions optiques de base existantes."

Lorsque Samsung, un spécialiste de la fabrication d'écrans LCD, s'est concentré sur la fabrication de panneaux LCD vers la fabrication de panneaux QD-OLED (diode électroluminescente organique à affichage à points quantiques), l'entreprise avait besoin de nouvelles machines d'inspection optique automatisée (AOI) pour effectuer le inspection. La solution AOI nécessitait un système de microscope modulaire pour effectuer l'inspection. Samsung a évalué divers objectifs de différents fabricants, mais a choisi l'objectif Navitar 4X HR car il offrait non seulement un champ de vision plus large par rapport à un objectif 5X concurrent, mais il offrait également une NA plus élevée.

Goldstein voit également l'expansion continue de l'utilisation de "techniques d'assemblage avancées qui assurent le centrage de chaque élément optique de l'ensemble de lentilles au lieu de simplement déposer des éléments de lentille dans des barillets", ajoutant que Navitar est à la pointe de cette technologie. "En combinant les techniques d'assemblage avancées avec l'utilisation étendue d'équipements d'intégration objectif-capteur automatisés, nous améliorons les performances de l'objectif et améliorons considérablement les performances d'imagerie du système optique."

Alors que les fabricants d'objectifs tentent de suivre le rythme de la sortie de nouveaux capteurs de caméra et de l'expansion des applications de vision industrielle où des solutions avancées sont désormais réalisables, de nouvelles opportunités émergent continuellement, y compris dans le domaine de la robotique et des machines autonomes. L'augmentation de la plage dynamique permet aux véhicules autonomes d'être beaucoup plus robustes et les robots sont désormais capables d'effectuer plusieurs tâches. Dans les applications de vente au détail, ils peuvent reconnaître simultanément les pannes de produits, les risques pour la sécurité et les écarts d'étiquettes. Comme la plupart des robots, ils automatisent les tâches fastidieuses et répétitives, libérant le talent humain pour des tâches de plus grande valeur nécessitant plus de nuances et de discrétion.

En plus des nouvelles applications, les applications existantes bénéficient également du débit plus élevé obtenu par des optiques de plus grand format qui tirent parti des capteurs de plus grand format. Fournir plus de données pour améliorer la qualité d'image et la vitesse de traitement des images devrait améliorer l'efficacité et les performances de l'IA, permettant de nouvelles avancées en matière d'automatisation. Des données et des métadonnées précises sur l'optique et les capteurs sont essentielles pour permettre des concepts tels que le jumeau numérique et l'industrie 4.0.

John Lewis est responsable du développement du marché chez Cognex Corp. (Natick, MA). Pour plus d'informations, appelez le (508) 650-3000 ou visitez www.cognex.com.