Les techniques d’imagerie au-delà de la longueur d’onde visible améliorent les applications de vision industrielle.

Alors que les caméras multispectrales et hyperspectrales sont 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 des couleurs et la surveillance des processus ne sont que quelques exemples de la manière dont les composants d’imagerie non visibles entrent dans les systèmes de vision industrielle aujourd’hui.

Figure 1 : Basées sur la technologie du prisme, les caméras multispectrales Sweep + et Fusion fournissent des images simultanées de différents spectres lumineux à travers un seul chemin optique.

Sur la base de la technologie des prismes fournissant une capture simultanée le long d’un seul chemin optique sans roues à filtres 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 de zone, JAI propose trois caméras multispectrales dans sa série Fusion. Ces modèles à capteur 2-CCD ne diffèrent que par leur résolution et leurs 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, en ce sens qu’un CCD de Bayer capture des images en couleurs visibles (400 à 700 nm) dans un canal, et qu’un capteur monochrome capture des données dans le proche infrarouge (750 à 900+ nm) dans un second canal.

Pour les utilisateurs de caméras linéaires, JAI propose trois caméras multispectrales dans sa série Sweep+. Ces caméras quadri-linéaires à base de prisme fournissent des canaux séparés pour les données R, G, B et NIR. La SW-2001Q-CL est basée sur une matrice de pixels CCD 4 x 2048 et dispose d’une interface Camera Link avec une fréquence de ligne de 19 kHz, tandis que la LQ-401CL – également dotée d’une interface Camera Link – utilise une matrice CMOS 4 x 4096 avec une fréquence de ligne de 18 kHz. Doté d’une interface 10GigE, le SW-4000Q-10GE utilise une matrice CMOS 4 x 4096 avec une fréquence de ligne de 72 kHz.

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Enfin, la société propose également une option de balayage linéaire multispectral dans sa série Wave, avec son WA-1000D-CL, qui comporte deux capteurs linéaires InGaAs montés sur prisme (2 x 1024 pixels, interface Camera Link, fréquence de ligne de 39 kHz). Un canal couvre le spectre NIR supérieur et la bande SWIR inférieure (900 à 1400 nm), tandis que le second canal se situe dans la partie supérieure de la bande SWIR de 1400 à 1700 nm.Figure 3 : Sur la base d’un détecteur InSb refroidi, la caméra d’imagerie hyperspectrale FX50 peut être déployée dans le tri des plastiques noirs et dans la détection de la contamination sur les surfaces métalliques.

« En utilisant différentes sources de lumière à bande étroite dans 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 des aliments et le recyclage des plastiques », explique Rich Dickerson, directeur des communications marketing de JAI.

Développant également des caméras multispectrales en fabriquant des filtres et en fixant des filtres à micro-motifs directement sur les capteurs d’images grâce à un système d’alignement actif, Salvo Technologies (anciennement PIXELTEQ ; Seminole, FL, USA ; www.opticalfiltershop.com), propose une gamme d’imageurs multispectraux et polarimétriques. Les caméras de la série SpectroCam, qui sont disponibles en versions ultraviolet, VIS et SWIR, sont basées sur une roue à filtres en 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’images 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 ips. Les trois modèles sont basés sur des capteurs CCD (4 ou 8 MPixels) avec des matrices de filtres dichroïques personnalisées intégrées dans la matrice du plan focal au niveau de la plaquette, qui extraient des informations spectrales à fort contraste à des longueurs d’onde visibles et infrarouges spécifiques, selon la société. Ces caméras sont sensibles dans la gamme de 400 à 1000 nm et sont disponibles en version GigE ou CoaXPress avec des fréquences d’images allant jusqu’à 15 fps.

Spectral Devices (London, ON, Canada ; www.spectraldevices.com) propose deux types de caméras multispectrales, à image instantanée et à balayage linéaire. Les caméras à balayage linéaire de la société sont basées sur le capteur d’images CMOS à obturateur global CMV2000 de 2 MPixels de ams (Premstaetten, Autriche ; www.ams.com) et sont proposées en trois caméras standard à quatre bandes, ainsi que des modèles de caméras personnalisés allant de 2 à 16 bandes différentes. Ces caméras ciblent des applications telles que l’assurance et l’inspection de la qualité des aliments et l’inspection des plaquettes de silicium.Figure 4 : Avec une plage spectrale de 400 à 1000 nm, la caméra hyperspectrale Pika L ne mesure que 3,9 x 4,9 x 2,2 pouces et cible les applications de vision industrielle et de télédétection.

Les caméras instantanées sont basées sur le capteur d’images CMOS CMV4000 de 4 MPixels, également développé par ams, et sont conçues pour la capture simultanée d’une scène à plusieurs bandes. Proposées en six modèles standard – ainsi que des modèles personnalisés – les caméras capturent de 2 à 16 bandes à des vitesses allant jusqu’à 94 images par seconde à pleine cadence. Ces caméras multispectrales, selon la société, conviennent à des applications telles que la robotique, la transformation des aliments et la mesure des couleurs.

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Du côté des capteurs, imec (Louvain, Belgique ; www.imec-int.com) a développé un capteur d’image multispectral à intégration à retardement (TDI) appelé Argus, qui repose sur la technologie CCD-in-CMOS. Ces capteurs utilisent un format de 4096 colonnes et 256 étages par matrice CCD (ou bande), avec une taille de pixel de 5,4 µm. En outre, une version à sept bandes est disponible, ce qui permet aux utilisateurs d’ajouter sept filtres spectraux.

Ces prototypes intègrent des pilotes CMOS et des circuits de lecture et atteignent une fréquence de ligne allant jusqu’à 300 kHz. Lorsqu’ils sont combinés avec des filtres spectraux, l’imagerie TDI multispectrale est possible, et avec un nombre personnalisé de bandes et d’étages TDI. Les filtres colorés ou spectraux peuvent être post-traités sur la plaquette ou le couvercle en verre.

Imagerie hyperspectrale

Pour permettre l’imagerie hyperspectrale, imec a également créé des capteurs d’images hyperspectraux sur étagère basés sur des plaquettes appliquées directement sur les pixels (figure 2) du capteur d’images CMOS CMV2000 d’ams. Ces capteurs d’images sont disponibles dans les formats snapshot mosaic, snapshot tiled, line scan wedge et line scan CCD time delay integration (TDI) et offrent des options avec 4, 7, 16, 25, 32, 100+ et 150+ bandes. Les capteurs d’images sont intégrés dans plusieurs modèles de caméras de vision industrielle, qui conviennent tous à diverses applications d’inspection industrielle.

XIMEA (Münster, Allemagne ; www.ximea.com) propose quatre modèles basés sur les capteurs imec, dont deux capteurs à mosaïque en mosaïque avec 16 et 25 bandes, et deux modèles à balayage linéaire avec 100 et 150 bandes. Ces caméras sont dotées soit d’une interface USB3 avec des vitesses de 170 fps, soit d’une interface PCIe avec jusqu’à 340 fps, et de gammes spectrales de RVB+NIR, 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 des pixels à l’aide du traitement des couches minces de semi-conducteurs, la technologie d’imec permet aux solutions de capteurs d’images hyperspectrales de réduire le facteur de forme, de diminuer le poids et d’être adaptées aux systèmes de vision embarqués », déclare Ivan Klimkovic, responsable des grands comptes chez XIMEA. « XIMEA a couplé les capteurs hyperspectraux d’imec avec sa plate-forme de caméra xiQ, qui complète l’important facteur de taille en offrant 26,4 x 26,4 x 31 mm de dimension et seulement 31 grammes de poids. »

Photonfocus (Lachen, Suisse ; www.photonfocus.com) propose trois caméras hyperspectrales dotées de capteurs imec également. Disponibles en format mosaïque instantanée, ces caméras offrent des options avec 16 ou 25 bandes. Dotées d’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.

En outre, imec s’est associée à Adimec (Eindhoven, Pays-Bas ; www.adimec.com) pour développer le système hyperspectral VNIR d’imec, qui repose sur une caméra de vision industrielle Quartz d’Adimec dotée d’un capteur d’images CMOS de 2 MPixels. Offrant un format de balayage linéaire avec plus de 150 bandes et une interface Camera Link, ce système présente une gamme spectrale de 470 à 900 nm ou de 600 à 1000 nm.

Imec possède également ses propres produits hyperspectraux, notamment les systèmes SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR et SNAPSCAN SWIR, qui présentent une interface USB 3.0 et offrent des formats de balayage instantané et linéaire avec des bandes de 100+ et 150+, ainsi que des gammes spectrales de 470 à 900 nm, 600 à 1000 nm et 1100 à 1700 nm, selon le modèle.

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De nombreuses entreprises de vision industrielle développent également des caméras hyperspectrales en dehors du domaine de l’imec, notamment Specim (Oulu, Finlande ; www.specim.fi), qui propose la série de caméras FX. Ces caméras hyperspectrales fonctionnent en mode de balayage linéaire, sont disponibles en GigE, Camera Link ou Ethernet personnalisé, et sont conçues spécifiquement pour les applications industrielles de vision industrielle.

La caméra FX50 (figure 3) est basée sur un détecteur InSb refroidi et présente une résolution spatiale de 640 pixels, une gamme spectrale de 2,7 à 5,3 µm, une vitesse d’acquisition d’images de 380 ips et une sélection libre de la longueur d’onde parmi 154 bandes dans la couverture de la caméra. Cette caméra, selon la société, peut être utilisée pour le tri des plastiques noirs et pour la détection de la contamination sur les surfaces métalliques.

« Les déchets plastiques sont un énorme problème : on estime que d’ici 2050, il y aura plus de plastique que de poissons dans les océans. La majorité des plastiques non recyclables est constituée de types de plastiques mélangés 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 &Marketing chez Specim. « C’est là que les caméras hyperspectrales de la série FX de Specim interviennent. Avec la FX17 et la toute nouvelle FX50, nous pouvons désormais identifier et trier les différents plastiques, même les plastiques noirs, avec une précision de 99 %. »

Il poursuit : « 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 à base d’InGaAs avec une gamme spectrale de 900 à 1700 nm, une vitesse d’acquisition d’image de 670 fps et une sélection libre de la longueur d’onde parmi 224 bandes dans la couverture de la caméra. Les applications visées comprennent la qualité de l’alimentation humaine et animale, le tri des déchets, le recyclage et la mesure de l’humidité. Le modèle FX10 est une caméra à capteur d’image CMOS avec une gamme spectrale de 400 à 1000 nm, une vitesse d’acquisition d’image de 330 ips et une sélection libre de la longueur d’onde parmi 224 bandes dans la couverture de la caméra. Cette caméra, selon la société, cible les applications de vision industrielle telles que l’inspection de la qualité des aliments et la détection de la couleur/densité dans les applications d’impression.

Specim propose plusieurs autres caméras hyperspectrales, notamment les modèles Fenix, PFD-65-V10E et sCMOS-50-V10E, ainsi que la caméra portable Specim IQ, qui permet l’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, notamment la caméra à grand champ Model 4200, qui offre une résolution spatiale du capteur de 2,3 MPixels, une sensibilité dans la plage de 400 à 1000 nm et un accès à jusqu’à 600 bandes spectrales. La société propose également le modèle 4100H, qui fournit des cubes de données de 2,3 MPixels sur 550 bandes spectrales dans les longueurs d’onde du visible et du proche infrarouge (400 à 1000 nm). L’appareil dispose également d’un processeur embarqué et d’un éclairage intégré.

« Nous suscitons un intérêt énorme et croissant pour nos caméras destinées à l’inspection de la sécurité alimentaire et au traitement des semi-conducteurs », déclare Alexandre Fong, vice-président de l’ingénierie. « Avec l’introduction de solutions spectrales rentables, il existe un potentiel pour transformer les applications d’inspection automatisées 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, la société 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 : Série VNIR A (400 à 1000 nm, capteur CCD au silicium, 324 bandes spectrales sélectionnables, 90 ips) ; Série VNIR 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 étendu 640 (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 est la caméra Hyperspec MV de la société, qui a une gamme de longueurs d’onde de 400 à 1000 nm, 270 bandes spectrales sélectionnables, une interface Camera Link et une vitesse d’acquisition d’images de 485 fps.

Si BaySpec (San Jose, CA, USA ; www.bayspec.com), est une société qui développe des instruments spectraux pour des industries incluant la recherche et le développement, le biomédical et les télécommunications optiques, la société dispose également de caméras hyperspectrales qui conviennent à l’inspection industrielle. L’une de ces caméras est la caméra USB 3.0, qui sert de moteur optique aux imageurs hyperspectraux OCI-1000 (push-broom, jusqu’à 120 fps) et OCI-2000 (snapshot, jusqu’à 120 fps) de la société, qui couvrent la plage 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 FT-PI propriétaire et couvre une plage étendue de 400 à 1700 nm, dispose de 40 à 52 bandes spectrales sélectionnables et d’une fréquence d’images de 1 ips à 648 x 488 pixels spatiaux.

De même, Resonon (Bozeman, MT, USA ; www.resonon.com) est une société qui développe des caméras hyperspectrales pour les applications de laboratoire, d’extérieur et de télédétection, tout en gardant un œil sur le marché de la vision industrielle. Selon la société, 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 ips, interface USB 3.0), Pika XC2 (plage spectrale de 400 à 1000 nm, 447 bandes spectrales sélectionnables, 165 ips, interface 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.)

En dernier lieu, proposant deux caméras d’imagerie hyperspectrale pour les applications d’imagerie industrielle dans sa gamme HySpex, Norsk Elektro Optikk (NEO ; Skedsmokorset, Norvège ; www.hyspex.no). 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’images de 400 ips à pleine plage spectrale (évolutive en réduisant la plage), tandis que la caméra HySpex VNIR-1024 est basée sur un capteur d’images CMOS et offre une plage spectrale de 400 à 1000 nm avec 108 bandes spectrales sélectionnables et une fréquence d’images de 700 ips à pleine résolution spectrale.

Les deux caméras hyperspectrales, selon l’entreprise, sont extrêmement nettes – à la fois sur le plan spectral et spatial – avec moins de 10% de désenregistrement spatial et spectral (sourire et keystone).