Améliorer la qualité de production : l'imagerie numérique haute vitesse améliore la vision machine traditionnelle

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

L'imagerie haute vitesse repousse les limites

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

Caractéristiques clés des caméras de vision machine haute vitesse

Les caméras de vision machine haute vitesse diffèrent des caméras de vision machine traditionnelles à plusieurs égards. Au lieu de capteurs COTS ou à dispositif à transfert de charge (CCD), les caméras haute vitesse intègrent des capteurs à semi-conducteurs complémentaires à oxyde métallique (CMOS) conçus sur mesure. Lorsqu'ils sont conçus spécifiquement pour les applications haute vitesse, les capteurs CMOS offrent une vitesse et une sensibilité inégalées, menant à des inspections plus détaillées et des rendements plus élevés dans les applications de vision machine comme la détection de défauts, la mesure de pièces, et plus. Les caméras de vision machine haute vitesse qui incorporent des capteurs CMOS avec plusieurs mégapixels atteignent une qualité d'image exceptionnelle même à des taux d'images difficiles.

Caractéristiques souhaitables

Les caméras de vision machine haute vitesse gagnent du terrain dans les applications sciences de la vie, tests balistiques, impression 3D, et plus.

Il ne suffit pas que les caméras de vision machine aillent simplement plus vite ; elles doivent être conçues pour le gérer. En plus de taux 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 machine :

Résolution : Les caméras de vision machine Phantom intègrent des capteurs CMOS jusqu'à 9 mégapixels. Ces capteurs multi-mégapixels — couplés aux petites tailles de pixels des caméras — produisent des images plus détaillées à des taux d'images rapides.

Sensibilité à la lumière : Généralement, plus la taille du pixel est petite, plus le détail d'imagerie est grand — 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, résultant en un ISO natif élevé. En conséquence, ces caméras atteignent une excellente qualité d'image malgré les temps d'exposition bas nécessaires pour les applications de vision machine haute vitesse.

Temps d'exposition : Les caméras Phantom ont des temps d'exposition aussi bas que 1 microseconde. Cette capacité — avec une haute sensibilité à la lumière et de petites tailles de pixels — fige suffisamment le mouvement haute vitesse tout en éliminant le flou de mouvement.

Plage dynamique : La plage dynamique entre en jeu quand une image a beaucoup de nuances, ou quand un sujet est presque de la même couleur que son arrière-plan. Plus la plage dynamique d'une caméra est haute, plus le capteur peut détecter de définition d'ombrage. Les caméras de vision machine Phantom ont une plage dynamique entre 54,8 et 59,7 décibels, les rendant adaptées pour des applications sombres comme l'inspection de semi-conducteurs.

En plus de capteurs hautement personnalisés, les caméras de vision machine haute vitesse utilisent la technologie de câble cuivre CoaXPress (CXP), leur permettant de transférer d'énormes quantités de données vers des frame grabbers backend compatibles, standard de l'industrie, en temps réel. Cette capacité de streaming instantané évite le processus chronophage de sauvegarde des données dans la RAM limitée de la caméra avant de les télécharger vers un ordinateur. Lorsqu'elles sont couplées avec des unités DVR prêtes à l'emploi, ces caméras de streaming supportent également des applications d'enregistrement plus longues dans l'aérospatiale, comme la dynamique de fusées, la dynamique d'avions et la balistique, pour n'en nommer que quelques-unes.

Le protocole CXP6 est actuellement la méthode standard de transfert de données la plus rapide. Chaque câble cuivre atteint des taux de transfert de données de 6,25 gigabits par seconde de la caméra vers la machine réceptrice backend. Le standard CXP12 plus récent double ce taux, rendant à la fois CXP6 et CXP12 idéaux pour les caméras nécessitant un débit élevé.

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

Alors que la plupart des caméras de vision machine 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 jusqu'à 9 gigapixels par seconde. Ces caméras divisent et transmettent les images par lignes, puis recousent chaque image ensemble en utilisant un algorithme simple — rendant possibles des taux d'images et résolutions plus élevés. En s'appuyant sur GenICam, une interface de programmation générique, ces caméras facilitent également la configuration et l'intégration dans les systèmes existants.

Configurations temps réel vs enregistrement long

La configuration backend dans les systèmes de vision machine haute vitesse dépend de plusieurs variables, y compris le taux d'images requis, la résolution et le temps d'enregistrement. Pour l'analyse en temps réel, les utilisateurs peuvent utiliser jusqu'à 16 canaux CXP6 standards sur la caméra de streaming. Alors que les câbles CXP6 permettent une communication jusqu'à 68 mètres, les connecteurs à fibre optique atteignent 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 synchronisation rapides et flexibles.

Autres composants matériels et logiciels :

• Frame grabber spécifique à l'application et carte frame grabber CXP6 ;
• Logiciels, y compris l'API frame grabber, Matlab®, LABVIEW ou tout outil de vision post-traitement ;
• Matériel de traitement d'image, généralement un microprocesseur GPU ou FPGA ;
• Un ordinateur avec emplacements PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3.

Alors que la plupart des applications haute vitesse ont lieu en centaines de millisecondes, les applications de vision machine peuvent nécessiter des temps d'enregistrement plus longs — plusieurs minutes à une demi-heure, par exemple — pour accommoder des événements comme les lancements de navettes spatiales. Pour surmonter les défis de stockage associés à une si grande quantité de données, les caméras de vision machine haute vitesse peuvent streamer 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.

Extension des applications de vision machine traditionnelles

Grâce aux caméras de vision machine haute vitesse, les fabricants peuvent atteindre une imagerie avec une résolution et une précision d'enregistrement plus élevées. Ces caractéristiques augmentent les vitesses de ligne et les volumes de production, diminuent les goulots d'étranglement et réduisent les coûts par unité. En même temps, ces caméras de streaming peuvent capturer des cibles à l'échelle nanométrique qui sont autrement difficiles à voir — sans parler d'analyser — en utilisant des caméras de vision machine traditionnelles, transformant la vision machine d'un outil de contrôle de processus à un outil de diagnostic. En conséquence, la vision machine gagne du terrain dans des industries comme les sciences de la vie, la fabrication de semi-conducteurs, les produits pharmaceutiques et plus.

Inspection de semi-conducteurs

Les caméras de vision machine haute vitesse jouent un rôle de plus en plus important dans la fabrication de semi-conducteurs, une industrie pilotée par le débit. Plus précisément, elles identifient et signalent rapidement les défauts de pièces dès qu'ils surviennent, réduisant les coûts et temps d'arrêt liés aux défauts, améliorant le débit, et maintenant les temps d'inspection au minimum.

Les caméras de vision machine de haute qualité trouvent l'équilibre nécessaire entre sensibilité à la lumière, rapport signal-bruit et taux d'images rapides requis par les applications de semi-conducteurs, qui impliquent généralement des échelles de taille submicronique. À la 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 haute vitesse

Utilisés dans de nombreuses applications agroalimentaires, pharmaceutiques et agricoles, les spectromètres haute vitesse diffractent la lumière blanche en diverses longueurs d'onde pour créer un spectre d'absorption, permettant de détecter la présence de certains matériaux. Une application émergente pour ce processus implique la vérification de la composition chimique de comprimés pharmaceutiques en utilisant des caméras de vision machine haute vitesse. Les caméras enregistrent les comprimés alors qu'ils se déplacent le long d'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 gardant les lignes de production en mouvement.

Grâce à leurs vitesses d'enregistrement rapides et 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 des douzaines de comprimés dans le même champ de vision simultanément, améliorant le débit dans les opérations pharmaceutiques critiques.

Caractéristiques des caméras de streaming

Dans les applications de vision machine en streaming, les données d'image circulent directement vers un frame grabber et PC ou DVR d'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 seulement par la quantité de stockage dans le PC ou DVR.

• Autres caractéristiques des caméras de streaming haute vitesse incluent :
• Profondeur de bits configurable — 8/12 bits, 8/10 bits
• Alimenté par la technologie CXP6 pour certains streamers qui consomment moins de 27 volts
• Conformité GenICam pour une intégration facile
• Compatibilité avec les frame grabbers 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 machine haute vitesse ont le potentiel de changer la façon dont les systèmes ferroviaires sont inspectés. Contrairement aux caméras de vision machine traditionnelles, qui perdent un temps précieux pendant l'année à cause de la pluie, la neige ou les tempêtes de poussière, les caméras de streaming fournissent le taux d'images élevé, la résolution et la sensibilité à la lumière nécessaires pour voir à travers des conditions météorologiques difficiles. Contrairement à la plupart des caméras, elles gèrent aussi la lumière blanche sans l'utilisation de filtres d'objectif supplémentaires.

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

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