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#Actualités du secteur
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Les caméras multispectrales et hyperspectrales élargissent la portée de l'imagerie industrielle
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L'inspection de la qualité, l'inspection des couleurs et la surveillance des processus ne sont que quelques exemples de la façon dont les composants d'imagerie non visibles entrent en ligne de compte dans les systèmes de vision industrielle actuels.
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Les techniques d'imagerie au-delà de la longueur d'onde visible améliorent les applications de vision industrielle.
Bien que les caméras multispectrales et hyperspectrales soient déployées dans de nombreuses applications et industries, un domaine amélioré par l'émergence de ces technologies est l'inspection industrielle. L'inspection de la qualité des produits alimentaires et des boissons, l'inspection et le tri des produits pharmaceutiques, l'inspection et le contrôle des couleurs et la surveillance des processus ne sont que quelques exemples de la façon dont les composants d'imagerie non visibles entrent en ligne de compte dans les systèmes de vision industrielle actuels.
Imagerie multispectrale
L'imagerie multispectrale et hyperspectrale constitue deux méthodes de capture d'images au-delà des longueurs d'onde visibles. L'imagerie hyperspectrale fait appel à des bandes spectrales étroites, habituellement contiguës, pouvant comprendre des centaines ou des milliers de spectres, tandis que l'imagerie multispectrale fait appel à des bandes spectrales de largeurs de bande variables, pas nécessairement contiguës, mais comportant jusqu'à 10 bandes stratégiquement choisies.
Les deux méthodes font essentiellement référence au même concept d'imagerie, le multispectral couvrant moins de bandes spectrales discrètes. Les caméras multispectrales acquièrent habituellement plusieurs longueurs d'onde dans une seule image, et les techniques varient de l'utilisation d'une architecture standard de filtre de pixels à large bande passante à l'utilisation de filtres accordables à bande étroite dans l'espace pixel. Déployées dans des applications industrielles telles que l'inspection des matériaux, l'inspection des semi-conducteurs et de l'électronique et l'inspection de la qualité alimentaire, les caméras multispectrales sont disponibles en formats balayage de surface et balayage linéaire.
Teledyne DALSA (Waterloo, ON, Canada ; www.teledynedalsa.com), par exemple, offre à ses caméras Linea ML, lauréate du programme 2018 Innovators Award, des capteurs CMOS quad-linéaires 8k x 4 et 16k x 4 avec trois canaux RGB natifs et un canal NIR (near-infrared) séparé. Les caméras sont sensibles aux longueurs d'onde du visible (400 à 700 nm) et du proche infrarouge (700 à 1000 nm) avec des filtres dichroïques au niveau de la tranche de silicium et capturent des images RVB+NIR indépendantes en un seul balayage. Les caméras Linea ML offrent un débit de 75 kHz x 4 ou 5 Go/sec via l'interface fibre optique Camera Link HS. Les caméras offrent une fréquence de ligne de 70 kHz grâce à Camera Link, et disposent de filtres de niveau wafer pour une séparation spectrale claire des canaux.
Disponibles avec une sortie 8, 10 ou 12 bits et un mode région d'intérêt multiple, les caméras ciblent les applications d'inspection d'impression, d'inspection électronique, de classement des matériaux, d'inspection de bande, de tri couleur et d'inspection alimentaire, selon la société.
Basées sur la technologie du prisme qui permet la capture simultanée le long d'un seul trajet optique sans roues filtrantes ou autres pièces mobiles, plusieurs caméras multispectrales (Figure 1) sont proposées par JAI (San Jose, CA, USA, www.jai.com). Pour les utilisateurs de caméras à balayage régional, JAI propose trois caméras multispectrales dans sa série Fusion. Ces modèles de capteurs 2-CCD ne diffèrent que par la résolution et les interfaces de données : AD-080CL (0,8 MPixel, interface Camera Link, 30 ips), AD-080GE (0,8 MPixel, interface GigE Vision, 30 ips) et AD-130GE (1,3 MPixel, interface GigE Vision, 31 ips) Chaque caméra est basée sur le même aspect multispectral, dans la mesure où un CCD Bayer capture des images couleur visibles (400 à 700 nm) en un canal et un capteur monochrome capture des données proche infrarouge (750 à 900+ nm) dans un second canal.
Pour les utilisateurs de caméras à balayage linéaire, JAI propose trois caméras multispectrales dans sa série Sweep+. Ces caméras quadrilinéaires à prismes fournissent des canaux séparés pour les données R, G, B et NIR. Le SW-2001Q-CL est basé sur un réseau de pixels 4 x 2048 CCD et dispose d'une interface Camera Link avec une fréquence de ligne de 19 kHz, tandis que le LQ-401CL - également avec interface Camera Link - utilise un réseau CMOS 4 x 4096 avec une fréquence de ligne 18 kHz. Doté d'une interface 10GigE, le SW-4000Q-10GE utilise un réseau CMOS 4 x 4096 avec une fréquence de ligne de 72 kHz.
Enfin, l'entreprise propose également une option de balayage linéaire multispectral dans sa série Wave, avec son WA-1000D-CL, qui dispose de deux capteurs linéaires InGaAs à prismes (2 x 1024 pixels, interface Camera Link, fréquence ligne 39 kHz). L'un des canaux couvre le spectre NIR supérieur et la bande SWIR inférieure (900 à 1400 nm), tandis que le second canal tombe dans la partie supérieure de la bande SWIR de 1400 à 1700 nm.
"En utilisant différentes sources lumineuses à bande étroite de la gamme NIR et SWIR, ainsi que des techniques de fusion d'images, cette caméra peut être utilisée pour détecter et trier des substances difficiles à différencier, en particulier dans des applications telles que l'inspection alimentaire et le recyclage des plastiques ", explique Rich Dickerson, Directeur des communications marketing, JAI.
Développant également des caméras multispectrales en fabriquant des filtres et en attachant des filtres microstructurés directement aux capteurs d'image par un système d'alignement actif, Salvo Technologies (précédemment PIXELTEQ ; Seminole, FL, USA ; www.opticalfiltershop.com), propose une gamme de caméras multispectrales et polarimétriques. Les caméras de la série SpectroCam, disponibles dans les versions ultraviolet, VIS et SWIR, sont basées sur une roue filtrante à rotation continue composée de six à huit filtres optiques interchangeables. Les versions UV et VIS, qui couvrent respectivement 200 à 900 nm et 400 à 1000 nm, sont basées sur des capteurs d'image CCD, tandis que les versions SWIR utilisent des capteurs InGaAs.
Les caméras multispectrales PixelCam offrent des capacités d'imagerie multispectrale de trois à neuf bandes spectrales, jusqu'à 30 images par seconde. Les trois modèles sont basés sur des capteurs CCD (4 ou 8 MPixel) avec des réseaux de filtres dichroïques personnalisés intégrés dans le réseau plan focal au niveau de la plaquette qui extraient des informations spectrales à contraste élevé à des longueurs d'onde visibles et infrarouges spécifiques, selon la société. Ces caméras sont sensibles dans la plage de 400 à 1000 nm et sont disponibles en version GigE ou CoaXPress avec une fréquence d'images allant jusqu'à 15 images par seconde.
Spectral Devices (London, ON, Canada ; www.spectraldevices.com) offre deux types de caméras multispectrales, l'instantané et le balayage linéaire. Les caméras linéaires de la société sont basées sur le capteur d'image CMV2000 CMV2000 à obturateur global de 2 MPixel d'ams (Premstaetten, Autriche ; www.ams.com) et sont proposées en trois caméras standard à quatre bandes, ainsi que des modèles de caméras personnalisées allant de 2 à 16 bandes différentes. Ces caméras ciblent des applications telles que l'assurance et l'inspection de la qualité alimentaire et l'inspection des plaquettes.
Les caméras instantanées sont basées sur le capteur d'image CMV4000 CMOS 4 MPixel, également développé par ams, et sont conçues pour la capture simultanée d'une scène sur plusieurs bandes. Offertes en six modèles standard ou personnalisés, les caméras capturent de 2 à 16 bandes à des vitesses allant jusqu'à 94 images par seconde à pleine cadence. Selon l'entreprise, ces caméras multispectrales conviennent à des applications telles que la robotique, la transformation des aliments et la mesure des couleurs.
Côté capteur, imec (Louvain, Belgique ; www.imec-int.com) a développé un capteur d'image à intégration multispectrale à retardement temporel (TDI) appelé Argus, qui est basé sur la technologie CCD-in-CMOS. Les capteurs utilisent un format de 4096 colonnes et 256 étages par capteur CCD (ou bande), avec une taille de pixel de 5,4 µm. De plus, une version à sept bandes est disponible, ce qui permet aux utilisateurs d'ajouter sept filtres spectraux.
Ces prototypes intègrent des circuits d'attaque et de lecture CMOS et permettent d'atteindre une fréquence de ligne allant jusqu'à 300 kHz. En combinaison avec des filtres spectraux, l'imagerie TDI multispectrale est possible, et avec un nombre personnalisé de bandes et d'étages TDI. Des filtres colorés ou spectraux peuvent être post-traités sur la plaquette ou sur le couvercle en verre.
Imagerie hyperspectrale
Pour permettre l'imagerie hyperspectrale, imec a également créé des capteurs d'images hyperspectrales prêts à l'emploi basés sur des plaquettes appliquées directement sur le dessus des pixels (Figure 2) du capteur d'images CMOS CMV2000 à partir de ams. Ces capteurs d'image sont disponibles en formats mosaïque d'instantané, mosaïque d'instantané, coin de balayage linéaire et intégration à retardement temporel (TDI) CCD à balayage linéaire et offrent des options avec 4, 7, 16, 25, 32, 100+, et 150+ bandes. Les capteurs d'image sont intégrés dans plusieurs modèles de caméras de vision industrielle, qui conviennent tous à une utilisation dans diverses applications d'inspection industrielle.
XIMEA (Münster, Allemagne ; www.ximea.com) propose quatre modèles basés sur des capteurs imec, dont deux capteurs mosaïques à 16 et 25 bandes, et deux modèles à balayage linéaire à 100 et 150 bandes. Ces caméras disposent soit d'une interface USB3 avec une vitesse de 170 images/seconde, soit d'une interface PCIe avec une vitesse de 340 images/seconde, avec des plages spectrales RGB+NIR de 470 à 630 nm, 600 à 950 nm, 600 à 975 nm et 470 à 900 nm, selon le modèle.
"En appliquant des filtres spectraux à bande étroite au niveau du pixel, la technologie d'imec permet aux capteurs d'images hyperspectrales de réduire le facteur de forme, d'abaisser le poids et d'être adaptés aux systèmes de vision embarqués ", explique Ivan Klimkovic, Key Account Manager chez XIMEA. "XIMEA a couplé les capteurs hyperspectraux d'imec avec sa plate-forme de caméra xiQ, qui complète l'important facteur taille en offrant 26,4 x 26,4 x 26,4 x 31 mm en dimensions et seulement 31 grammes en poids."
Photonfocus (Lachen, Suisse ; www.photonfocus.com) propose trois caméras hyperspectrales avec capteurs imec. Disponibles en format mosaïque, ces caméras offrent des options avec 16 ou 25 bandes. Avec une interface GigE, les caméras offrent des vitesses allant jusqu'à 50 ips et des plages spectrales de 470 à 630 nm, 470 à 900 nm, 595 à 860 nm, 600 à 975 nm et 665 à 975 nm, selon le modèle.
De plus, imec s'est associé à Adimec (Eindhoven, Pays-Bas ; www.adimec.com) pour développer le système hyperspectral imec VNIR, basé sur une caméra de vision industrielle Adimec Quartz avec un capteur d'image CMOS 2 MPixel. Offrant un format de balayage linéaire avec plus de 150 bandes et une interface Camera Link, ce système offre une plage spectrale de 470 à 900 nm ou de 600 à 1000 nm.
Imec dispose également de ses propres produits hyperspectraux, dont les systèmes SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR et SNAPSCAN SWIR, qui disposent d'une interface USB 3.0 et offrent des formats snapshot et line scan avec des bandes 100+ et 150+, ainsi que des gammes spectrales 470 à 900 nm, 600 à 1000 nm et 1100 à 1700 nm, selon le modèle.
De nombreuses sociétés de vision industrielle développent également des caméras hyperspectrales en dehors du domaine de l'imec, dont Specim (Oulu, Finlande ; www.specim.fi), qui propose la série de caméras FX. Ces caméras hyperspectrales fonctionnent en mode balayage linéaire, sont disponibles en GigE, Camera Link ou Ethernet personnalisé, et sont conçues spécifiquement pour les applications de vision industrielle.
La caméra FX50 (Figure 3) est basée sur un détecteur InSb refroidi et offre une résolution spatiale de 640 pixels, une plage spectrale de 2,7 à 5,3 µm, une vitesse d'acquisition d'image de 380 images/s, et une sélection de longueur d'onde libre parmi 154 bandes dans la couverture de la caméra. Cette caméra, selon l'entreprise, est adaptée à une utilisation dans le tri de plastique noir et à la détection de contamination sur les surfaces métalliques.
"Les déchets plastiques constituent un énorme problème : on estime qu'en 2050, il y aura plus de plastique dans les océans que de poissons. La majorité des plastiques non recyclables sont des plastiques mixtes qui ne peuvent pas être réutilisés parce que les technologies traditionnelles de tri des plastiques ne répondent pas aux exigences industrielles pour les séparer de manière suffisamment fiable et efficace ", explique Hannu Mäki-Marttunen, responsable des ventes et du marketing chez Specim. "C'est ici qu'interviennent les caméras hyperspectrales de la série Specim FX. Avec le FX17 et le tout nouveau FX50, nous pouvons maintenant identifier et trier différents plastiques, même noirs, jusqu'à 99% de précision."
Cela signifie que les clients finaux de Specim peuvent désormais transformer les déchets plastiques en une ressource précieuse qui peut être réutilisée comme matière première pour l'industrie plastique
Le modèle FX17 est une caméra basée sur InGaAs avec une plage spectrale de 900 à 1700 nm, une vitesse d'acquisition d'image de 670 images/s, et une sélection de longueur d'onde libre parmi 224 bandes dans la couverture de la caméra. Les applications cibles comprennent la qualité des denrées alimentaires et des aliments pour animaux, le tri des déchets, le recyclage et la mesure de l'humidité. Le modèle FX10 est une caméra CMOS basée sur un capteur d'image CMOS avec une plage spectrale de 400 à 1000 nm, une vitesse d'acquisition d'image de 330 images/s, et une sélection de longueur d'onde libre parmi 224 bandes dans la couverture de la caméra. Cette caméra, selon l'entreprise, cible les applications de vision industrielle telles que l'inspection de la qualité alimentaire et la détection de la couleur/densité dans les applications d'impression.
Specim propose un certain nombre d'autres caméras hyperspectrales, notamment les modèles Fenix, PFD-65-V10E et sCMOS-50-V10E, ainsi que la caméra portable Specim IQ, qui permet une analyse mobile des matériaux et offre une gamme spectrale de 400 à 1000 nm.
HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA ; www.hinaleaimaging.com) fabrique également des caméras hyperspectrales, dont la caméra grand champ modèle 4200, qui possède une résolution spatiale de capteur de 2,3 MPixels, une sensibilité de 400 à 1000 nm et un accès à 600 bandes spectrales. La société propose également le modèle portable 4100H, qui délivrerait des cubes de données de 2,3 MPixels sur 550 bandes spectrales dans le visible et le proche infrarouge (400 à 1000 nm). L'appareil dispose également d'un processeur intégré et d'un éclairage intégré.
"Nous sommes de plus en plus intéressés par nos caméras pour l'inspection de la sécurité alimentaire et le traitement des semi-conducteurs ", déclare Alexandre Fong, vice-président de l'ingénierie. "Avec l'introduction de solutions spectrales rentables, il est possible de transformer les applications d'inspection automatisée avec cette profondeur de nouvelles informations."
Ciblant les applications avancées de vision industrielle comme l'un de ses principaux marchés, Headwall Photonics (Bolton, MA, USA ; www.headwallphotonics.com) est une autre société développant des caméras spectrales. Pour sa caméra Micro-Hyperspec, par exemple, l'entreprise cite la vision industrielle comme application cible. Cette caméra est disponible en versions VNIR, NIR, NIR étendu et SWIR, qui offrent toutes une interface Camera Link : VNIR série A (400 à 1000 nm, capteur CCD au silicium, 324 bandes spectrales sélectionnables, 90 ips) ; VNIR série E (400 à 1000 nm, capteur sCMOS, 369 bandes spectrales sélectionnables, 250 ips) ; NIR 640 (900 à 1700 nm, détecteur InGaAs, 134 bandes spectrales sélectionnables, 120 ips) ; NIR 320 (900 à 1700 nm, détecteur InGaAs, 67 bandes spectrales sélectionnables, 346 ips) ; VNIR 640 étendu (600 à 1700 nm, détecteur InGaAs, 267 bandes spectrales sélectionnables, 120 ips) ; SWIR 384 (900 à 2500 nm, détecteur MCT, 166 bandes spectrales sélectionnables, 450 ips) et SWIR 640 (900 à 2500 nm, détecteur MCT, 267 bandes spectrales sélectionnables, >200 ips)
Conçue uniquement pour les applications de vision industrielle, la caméra Hyperspec MV de la société a une plage de longueurs d'onde de 400 à 1000 nm, 270 bandes spectrales sélectionnables, une interface Camera Link et une vitesse d'acquisition d'image de 485 images par seconde.
Bien que BaySpec (San Jose, CA, USA ; www.bayspec.com), soit une société qui développe des instruments spectraux pour les industries incluant la recherche et le développement, les télécommunications biomédicales et optiques, la société possède également des caméras hyperspectrales qui conviennent à l'inspection industrielle. L'une de ces caméras est la caméra OCI-OEM USB 3.0, qui sert de moteur optique aux imageurs hyperspectrales OCI-1000 (en peigne, jusqu'à 120 ips) et OCI-2000 (instantané, jusqu'à 120 ips) de la société, qui couvrent la gamme de 600 à 1000 nm avec jusqu'à 100 (OCI-1000) ou 25 (OCI-2000) bandes spectrales sélectionnables.
Une autre option est la caméra hyperspectrale GoldenEye Snapshot de la société, qui utilise la technologie propriétaire FT-PI et couvre une plage étendue de 400 à 1700 nm, dispose de 40 à 52 bandes spectrales sélectionnables, et une fréquence d'image de 1 ips à 648 x 488 pixels.
De même, Resonon (Bozeman, MT, USA ; www.resonon.com) est une société qui développe des caméras hyperspectrales pour des applications en laboratoire, en extérieur et en télédétection, tout en gardant un œil sur le marché de la vision industrielle. Selon l'entreprise, les caméras suivantes conviennent aux applications d'imagerie industrielle : Pika L (Figure 4 ; plage spectrale de 400 à 1000 nm, 281 bandes spectrales sélectionnables, 249 i/s, interface USB 3.0), Pika XC2 (plage spectrale de 400 à 1000 nm, 447 bandes spectrales sélectionnables, 165 i/s, USB 3.0), Pika NIR-320 (plage spectrale de 900 à 1700 nm, 164 bandes spectrales sélectionnables, 520 ips, interface GigE) et Pika NIR-640 (900 à 1700 nm, 328 bandes spectrales sélectionnables, 249 ips, interface GigE)
Enfin, Norsk Elektro Optikk (NEO ; Skedsmokorset, Norvège ; www.hyspex.no) offre deux caméras d'imagerie hyperspectrale pour des applications d'imagerie industrielle dans sa gamme HySpex. La caméra HySpex SWIR-384 est basée sur un capteur MCT et offre une plage spectrale de 950 à 2500 nm avec 288 bandes spectrales sélectionnables et une fréquence d'image de 400 images par seconde à pleine plage spectrale (possibilité de réduction de la plage), tandis que la caméra HySpex VNIR-1024 est basée sur un capteur CMOS et offre une plage spectrale de 400 à 1000 nm avec 108 bandes spectrales sélectionnables et une fréquence d'images de 700 images par seconde à résolution spectrale totale.
Selon la société, les deux caméras hyperspectrales sont extrêmement nettes, tant spectralement que spatialement, avec moins de 10 % d'erreurs d'alignement spatial et spectral (sourire et clé de voûte)
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