Améliorez la qualité de la production :l'imagerie numérique à grande vitesse améliore la vision industrielle traditionnelle

La vision industrielle est un outil de contrôle de processus éprouvé pour une variété d’applications d’automatisation industrielle. Traditionnellement, cette technologie intègre des capteurs d'imagerie, des modules d'éclairage et des processeurs disponibles dans le commerce (COTS) pour guider, inspecter ou identifier les pièces à mesure qu'elles se déplacent le long des lignes de production. Par rapport aux opérateurs humains, les systèmes de vision industrielle sont rapides, précis et reproductibles, améliorant la qualité des produits, réduisant les taux de rebut et augmentant la productivité dans des environnements de fabrication au rythme rapide.

Bien que les avantages opérationnels soient clairs, l’imagerie numérique à grande vitesse étend encore plus les avantages, les capacités et les cas d’utilisation de la vision industrielle. Grâce à leur haute résolution, leurs fréquences d'images rapides et leurs capacités de streaming, les caméras haute vitesse permettent la vision industrielle dans des applications difficiles qui nécessitent une analyse en temps réel ou des temps d'enregistrement longs, telles que la fabrication de semi-conducteurs, les lancements de navettes spatiales, l'inspection ferroviaire et bien plus encore. Pour ces raisons, les systèmes de vision industrielle à grande vitesse capturent ce que les systèmes de vision traditionnels ne peuvent pas, en mettant en lumière les processus trop petits ou trop rapides pour être vus par l'œil humain.

Principales caractéristiques des caméras de vision industrielle à grande vitesse

Les caméras de vision industrielle à grande vitesse diffèrent des caméras de vision industrielle traditionnelles de plusieurs manières. À la place des capteurs COTS ou CCD (Charge Coupled Device), les caméras haute vitesse intègrent des capteurs CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) conçus sur mesure. Lorsqu'ils sont conçus spécifiquement pour les applications à grande vitesse, les capteurs CMOS offrent une vitesse et une sensibilité inégalées, conduisant à des inspections plus détaillées et à des rendements plus élevés dans les applications de vision industrielle telles que la détection de défauts, la mesure de pièces, etc. Les caméras de vision industrielle à grande vitesse qui intègrent des capteurs CMOS de plusieurs mégapixels offrent une qualité d'image exceptionnelle, même à des fréquences d'images difficiles.

Fonctionnalités souhaitables

Les caméras de vision industrielle à grande vitesse gagnent du terrain dans les applications des sciences de la vie, les tests balistiques, l'impression 3D, etc.

Il ne suffit pas que les caméras de vision industrielle aillent simplement plus vite; ils doivent être conçus pour le gérer. En plus des fréquences d'images rapides dépassant 67 000 ips, les caractéristiques suivantes sont importantes à garder à l'esprit lors de la sélection de caméras haute vitesse pour les applications de vision industrielle :

Résolution : Les caméras de vision industrielle Phantom intègrent des capteurs CMOS jusqu'à 9 mégapixels. Ces capteurs multi-mégapixels, associés aux petites tailles de pixels des caméras, produisent des images plus détaillées à des fréquences d'images rapides.

Sensibilité à la lumière : En règle générale, plus la taille des pixels est petite, plus le détail de l'imagerie est élevé, ce qui est particulièrement important dans les applications nécessitant un microscope. Les capteurs CMOS présentent des tailles de pixels aussi petites que 5,6 micromètres, ce qui se traduit par une sensibilité ISO native élevée. En conséquence, ces caméras atteignent une excellente qualité d'image malgré les faibles temps d'exposition nécessaires aux applications de vision industrielle à grande vitesse.

Temps d'exposition : Les caméras fantômes ont des temps d'exposition aussi faibles que 1 microseconde. Cette fonctionnalité, associée à une sensibilité élevée à la lumière et à des pixels de petite taille, fige suffisamment les mouvements à grande vitesse tout en éliminant le flou de mouvement.

Plage dynamique : La plage dynamique entre en jeu lorsqu'une image présente beaucoup de nuances ou lorsqu'un sujet est presque de la même couleur que son arrière-plan. Plus la plage dynamique d’une caméra est élevée, plus le capteur peut détecter une définition d’ombrage élevée. Les caméras de vision industrielle Phantom ont une plage dynamique comprise entre 54,8 et 59,7 décibels, ce qui les rend adaptées aux applications plus sombres comme l'inspection des semi-conducteurs.

En plus des capteurs hautement personnalisés, les caméras de vision industrielle à grande vitesse utilisent la technologie de câble en cuivre CoaXPress (CXP), ce qui leur permet de transférer en temps réel de grandes quantités de données vers des cartes d'acquisition d'images back-end compatibles et conformes aux normes de l'industrie. Cette capacité à diffuser des données instantanément évite le processus fastidieux de sauvegarde des données dans la RAM limitée de la caméra avant de les télécharger sur un ordinateur. Lorsqu'elles sont associées à des unités DVR disponibles dans le commerce, ces caméras de streaming prennent également en charge des applications d'enregistrement plus longues dans l'aérospatiale, telles que la dynamique des fusées, la dynamique des avions et la balistique, pour n'en nommer que quelques-unes.

Le protocole CXP6 est actuellement la méthode de transfert de données standard la plus rapide. Chaque câble en cuivre atteint des taux de transfert de données de 6,25 gigabits par seconde de la caméra au récepteur principal. La norme CXP12, plus récente, double ce taux, ce qui rend les CXP6 et CXP12 idéales pour les caméras nécessitant un débit élevé.

Grâce à leur sensibilité à la lumière et à leurs fréquences d'images rapides, les caméras de streaming de haute qualité sont idéales pour l'inspection des semi-conducteurs.

Alors que la plupart des caméras de vision industrielle fournissent jusqu'à 2 gigapixels par seconde de débit de données, les caméras de streaming les plus rapides au monde atteignent des vitesses de transfert de données directes allant jusqu'à 9 gigapixels par seconde. Ces caméras divisent et transmettent les images par lignes, puis assemblent chaque image à l'aide d'un algorithme simple, ce qui permet des fréquences d'images et des résolutions plus élevées. En s'appuyant sur GenICam, une interface de programmation générique, ces caméras facilitent également la configuration et l'intégration dans les systèmes existants.

Configurations en temps réel ou en enregistrement long

La configuration du backend dans les systèmes de vision industrielle à grande vitesse dépend d'un certain nombre de variables, notamment la fréquence d'images, la résolution et la durée d'enregistrement requises. Pour une analyse en temps réel, les utilisateurs peuvent utiliser jusqu'à 16 canaux CXP6 standard sur la caméra de streaming. Alors que les câbles CXP6 permettent une communication jusqu'à 68 mètres, les connecteurs à fibre optique permettent d'atteindre des distances plus longues, jusqu'à 200 kilomètres. Les utilisateurs peuvent également utiliser l'entrée/sortie à usage général (GPIO) de la caméra pour une signalisation et une synchronisation rapides et flexibles.

Les autres composants matériels et logiciels incluent :

• Carte d'acquisition d'images spécifique à l'application et carte d'acquisition d'images CXP6 ;

• Logiciels, y compris l'API Frame Grabber, Matlab®, LABVIEW ou tout outil de vision de post-traitement ;

• Matériel de traitement d'image, généralement un microprocesseur GPU ou FPGA ;

• Un ordinateur doté d'emplacements PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3.

Alors que la plupart des applications à grande vitesse se déroulent en centaines de millisecondes, les applications de vision industrielle peuvent nécessiter des durées d'enregistrement plus longues (de plusieurs minutes à une demi-heure, par exemple) pour s'adapter à des événements tels que les lancements de navettes spatiales. Pour surmonter les défis de stockage associés à une telle quantité de données, les caméras de vision industrielle à haute vitesse peuvent diffuser les données directement vers une unité DVR, qui dispose de plusieurs téraoctets d'espace. Cette configuration plug-and-play permet aux utilisateurs de stocker facilement les données entrantes pour une analyse ultérieure.

Développer les applications traditionnelles de vision industrielle

Grâce aux caméras de vision industrielle à grande vitesse, les fabricants peuvent obtenir des images avec une résolution et une précision d'enregistrement plus élevées. Ces fonctionnalités augmentent la vitesse des lignes et les volumes de production, diminuent les goulots d'étranglement et réduisent les coûts par unité. Dans le même temps, ces caméras de streaming peuvent capturer des cibles à l'échelle nanométrique qui seraient autrement difficiles à voir (et encore moins à analyser) à l'aide de caméras de vision industrielle traditionnelles, transformant ainsi la vision industrielle d'un outil de contrôle de processus en un outil de diagnostic. En conséquence, la vision industrielle gagne du terrain dans des secteurs tels que les sciences de la vie, la fabrication de semi-conducteurs, les produits pharmaceutiques et bien plus encore.

Certains des derniers domaines d'application de la vision industrielle à grande vitesse incluent :

Inspection des semi-conducteurs : Les caméras de vision industrielle à grande vitesse jouent un rôle de plus en plus important dans la fabrication de semi-conducteurs, une industrie axée sur le débit. Plus précisément, ils identifient et signalent rapidement les défauts des pièces dès qu'ils surviennent, réduisant ainsi les coûts et les temps d'arrêt liés aux défauts, améliorant le débit et réduisant les temps d'inspection au minimum.

Les caméras de vision industrielle de haute qualité établissent l'équilibre nécessaire entre la sensibilité à la lumière, le rapport signal/bruit et les fréquences d'images rapides requises par les applications de semi-conducteurs, qui impliquent généralement des échelles de taille submicronique. Avec une résolution complète de 4 096 × 2 304, la caméra de streaming Phantom S990, par exemple, présente des tailles de pixels de 6,75 μm, un bruit de 9,6e et des vitesses d'enregistrement de 938 ips, générant des images de haute qualité qui permettent au logiciel d'imagerie de détecter des variations subtiles entre les zones claires et sombres indiquant un défaut.

Spectromètres à grande vitesse : Utilisés dans de nombreuses applications agroalimentaires, pharmaceutiques et agricoles, les spectromètres à grande vitesse diffractent la lumière blanche en différentes longueurs d'onde pour créer un spectre d'absorption, permettant de détecter la présence de certains matériaux. Une application émergente de ce processus consiste à vérifier la composition chimique des comprimés pharmaceutiques à l’aide de caméras de vision industrielle à grande vitesse. Les caméras enregistrent les tablettes alors qu’elles se déplacent sur un convoyeur. Ensuite, en fonction de la lumière diffractée, absorbée et transmise qui atteint l'objectif, la caméra peut signaler les comprimés défectueux, tout en maintenant les lignes de production en mouvement.

Grâce à leurs vitesses d'enregistrement rapides et à leur sensibilité à la lumière, les caméras de streaming haute vitesse sont idéales pour cette application émergente. En plus de fournir une méthode d'inspection sans contact, ces caméras peuvent facilement inspecter simultanément des dizaines de comprimés dans le même champ de vision, améliorant ainsi le débit des opérations pharmaceutiques critiques.

Fonctionnalités de la caméra de streaming

Dans les applications de streaming de vision industrielle, les données d'image circulent directement vers une carte d'acquisition d'images et un PC ou un DVR à enregistrement long via la technologie de câble CXP. Les utilisateurs peuvent accéder immédiatement à ces données soit pour une application en temps réel, soit pour un enregistrement long et sont limités uniquement par la quantité de stockage sur le PC ou le DVR.

• Les autres fonctionnalités des caméras de streaming haut débit incluent :

• Profondeur de bits configurable :8 /12 bits, 8 /10 bits

• Alimenté par la technologie CXP6 pour certains streamers consommant moins de 27 volts

• Conformité GenICam pour une intégration facile

• Compatibilité avec les cartes d'acquisition PCIe3 CXP6

• GPIO fournit des fonctionnalités de signalisation communes et avancées

• Transfert de données évolutif pour des besoins de données réduits

Inspection ferroviaire : Les caméras de vision industrielle à grande vitesse ont le potentiel de changer la façon dont les systèmes ferroviaires sont inspectés. Contrairement aux caméras de vision industrielle traditionnelles, qui perdent un temps précieux au cours de l'année à cause de la pluie, de la neige ou des tempêtes de poussière, les caméras de streaming offrent la fréquence d'images, la résolution et la sensibilité à la lumière élevées nécessaires pour voir à travers des conditions météorologiques difficiles. Contrairement à la plupart des appareils photo, ils gèrent également la lumière blanche sans utiliser de filtres d'objectif supplémentaires.

D'autres domaines d'application émergents pour les caméras de streaming incluent les sciences de la vie, telles que le diagnostic cellulaire; identification des flacons et hémolyse ; tests balistiques; soudage au laser; et impression 3D.

Cet article a été rédigé par Uma Gobena, ingénieur d'application Vision, Vision Research (Wayne, NJ). Pour plus d'informations, visitez ici  .