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Bien choisir une caméra de vision industrielle

Les caméras sont utilisées pour capturer des images d’un objet ou d’un emplacement examiné pour un certain nombre d’applications d’imagerie telles que la vision industrielle ou l’automatisation industrielle. Les caméras sont des composants d’imagerie qui s’interfacent avec les lentilles d’imagerie. Les caméras comportent des capteurs conçus pour imager la lumière focalisée par les lentilles d’imagerie. Les caméras sont construites avec de nombreux formats de capteurs d’images, comme les capteurs CCD ou CMOS adaptés à presque toutes les applications d’imagerie de caméra. Elles trouvent une large application dans le contrôle de la production, la gestion des flux d’objets comme dans la microscopie. Ce guide ne traite pas des caméras de surveillance qui seront traitées à part.

 

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  • Comment choisir une caméra pour la vision industrielle ?

    Pour pouvoir choisir une caméra pour la vision industrielle, plusieurs facteurs importants sont à prendre en compte. Tout d’abord, il convient de vous demander si la caméra choisie est conforme à l’application que vous recherchez. Une caméra pour le contrôle de la production n’aura pas les mêmes caractéristiques qu’une caméra pour le guidage d’un robot.

    Ensuite, il est important de prendre en considération le spectre d’inspection nécessaire à votre application : aurez-vous besoin d’une vision infrarouge, ultraviolet ou autre?
    Il vous faudra également faire un choix entre différents types de capteurs d’image : capteur CCD, capteur CMOS, microbolomètre, capteur FPA.

    Enfin, il est essentiel de choisir la bonne interface de communication parmi les nombreuses interfaces qui existent : USB 2.0, USB 3.0, GigE, Camera Link, PoE et VGA.

    Le choix de chacune de ces caractéristiques dépendra aussi bien de votre application que de votre budget.

    Points à vérifier pour le choix d’une caméra pour la vision industrielle

    • application
    • spectre d’inspection
    • capteur d’image
    • interface de communication
  • Quel est l’objet de votre contrôle ?

    Votre caméra de vision industrielle doit être adaptée au contrôle que vous voulez effectuer. Votre priorité est donc de bien définir l’objet de votre contrôle et quel rayonnement permet de mieux extraire l’information recherchée. Ce rayonnement déterminera le spectre d’inspection nécessaire à l’observation par votre caméra. Par exemple, si votre caméra sert à la supervision de process, un spectre d’inspection assez large dans le visible sera sans doute nécessaire, alors qu’une caméra pour four aura besoin d’un spectre plus restreint dans l’infrarouge.

    Il existe plusieurs types de caméras avec des spectres d’observation variés : des caméras uniquement sensibles au visible, à l’infrarouge (permettant une vision thermique), aux rayons X (permettant de traverser la matière molle, donc très utiles pour l’imagerie médicale), à l’ultraviolet (également très utilisées dans l’imagerie médicale) et des caméras multispectrales (elles ont le spectre d’inspection le plus large puisqu’elles incluent tous les autres types de spectres).

    Enfin, l’objet ou le process à contrôler étant dans un environnement industriel, il faut prendre en compte l’intégration de la caméra (et la protection des éléments fragiles). Ainsi une caméra pour four sera intégrée dans un caisson de protection permettant de resister à des très hautes températures.

    Points à vérifier suivant l’objet de votre contrôle

    • rayonnement le plus adapté
    • spectre d’inspection de la caméra
    • intégration de la caméra dans l’environnement industriel
    • interface de communication
  • Quel capteur d’image utiliser pour votre caméra ?

    Il existe quatre types de capteurs d’image : les capteurs CCD, les capteurs CMOS, les microbolomètres et les capteurs FPA (Focal Plane Array). Pour trouver le capteur qui convient, il est important de définir au préalable le spectre d’inspection qui vous sera nécessaire. Par exemple, un capteur CCD ne pourra pas utiliser la vision infrarouge. Enfin, votre choix sera également déterminé par la qualité recherchée et le budget dont vous disposez.

    types de capteurs d’image :

    • CCD
    • CMOS
    • FPA
    • microbolomètre
  • Dans quel cas choisir un capteur CCD ?

    Les capteurs CCD sont peu onéreux. Ils ont donc l’avantage d’avoir un excellent rapport qualité/prix. Néanmoins, leur spectre d’inspection est uniquement sensible au visible. De plus, ils ont l’inconvénient d’être très sensibles à l’éblouissement et d’avoir un nombre d’électrons parasites qui augmente fortement avec la température. Il est donc parfois nécessaire de refroidir les capteurs CCD pour éviter les bruits thermiques. Notez cependant que les capteurs CCD modernes possèdent une technologie plus avancée qui leur permet d’avoir une qualité supérieure, proche de celle d’un capteur CMOS.

    Les capteurs CCD sont très utilisés dans les scanners par exemple.

    avantages / inconvénients :

    +++ rapport qualité/prix

     

    – – –  uniquement sensible au visible

    – – –  sensibles à l’éblouissement

    – – –  bruit sensible à la température

     

  • Dans quel cas choisir un capteur CMOS ?

    Plus onéreux que les capteurs CCD, les capteurs CMOS présentent plusieurs avantages. Tout d’abord, leur qualité est supérieure à celle des capteurs CCD (même si la technologie de la dernière génération de capteurs CCD les rapproche des capteurs CMOS). D’autre part, ils sont adaptés à la vision en faible niveau d’éclairement. La faible luminosité ne vous posera donc aucun problème. Enfin, ils ont une vitesse de lecture supérieure à la majorité des capteurs CCD, ainsi qu’un faible coût énergétique.

    Les capteurs CMOS sont concurrents des capteurs CCD et sont utilisés aussi pour les mêmes applications (scanners, laboratoires, surveillance de lignes de conditionnement).

    avantages / inconvénients :

    +++ qualité supérieure

    +++ sensibilité à l’infrarouge

    +++ résistance à l’éblouissement

    +++ vitesse de lecture

    +++ consommation faible en énergie

     

    – – –  prix élevé

     

  • Dans quel cas choisir un capteur microbolomètre ?

    Les capteurs microbolomètres sont employés uniquement pour les caméras thermiques et utilisent principalement les rayonnements infrarouges. Légers, les capteurs microbolomètres ont un faible coût énergétique et permettent en plus d’avoir une communication de sortie extrêmement rapide. Néanmoins, ils sont très chers. De plus, ils sont moins sensibles que les capteurs thermiques à détecteur refroidi car, à l’instar des capteurs CCD, le nombre d’électrons parasites augmente avec la température. Cela peut donc poser des problèmes de résolution. Notez cependant que la technologie actuelle tend à régler ces problèmes, rendant les capteurs microbolomètres plus performants.

    Grâce à leur légèreté, leur petite taille et leur faible consommation, les capteurs microbolomètres peuvent être fixés sur des casques de chantier ou des appareils portables.

    avantages

    • vitesse de lecture
    • consommation faible en énergie
    • legérète

    INCONVÉNIENTS

    • prix élevé
    •  sensibilité à l’infrarouge uniquement
    • sensibilité au bruit thermique
  • Dans quel cas choisir un capteur FPA ?

    Le principal avantage des capteurs FPA tient dans leur très grande sensibilité et leur qualité d’image exceptionnelle. La résolution de l’image n’est cependant pas tres grande (généralement  320×240 pixels). Très grands et très chers, ces capteurs d’image sont utilisés aussi bien dans le guidage d’armes que dans les caméras d’inspection, en passant par les images spatiales et médicales.

    avantages / inconvénients :

     

    +++ très grande sensibilité

    +++ qualité d’image exceptionnelle

     

    – – –  prix très élevé

    – – – résolution d’image faible

    – – – grande taille de capteur

  • Quelle interface de communication utiliser ?

    Après avoir déterminé le type de capteur que vous recherchez, vous devez choisir l’interface de communication que vous allez utiliser. Voici les principales interfaces de communication disponibles chez les fabricants de caméras. Chacune possède des avantages et des inconvénients :

    – USB 2.0 : ce système peu coûteux nécessite d’être relié à la caméra par un câble (pouvant atteindre 5 mètres). Avec un débit théorique allant jusqu’à 480 Mbits/s, ce système peut néanmoins manquer de fiabilité dans la transmission de données. Il est maintenant détrôné par l’USB 3.0

    – USB 3.0 : cette interface présente des caractéristiques similaires à l’USB 2.0, mais elle possède néanmoins un meilleur débit et une transmission plus fiable.

    – CameraLink : avec un débit très élevé (jusqu’à 6 Gbits/s), cette interface de communication très onéreuse est parfaite pour des résolutions élevées. La longueur du câble peut atteindre 10 mètres.

    – GigE (ou Giga Ethernet) : avec un débit pouvant aller jusqu’à 1 Gbit/s, cette interface de communication très bon marché est avantageuse si vous avez besoin de grandes longueurs de câble (en effet, il peut atteindre les 100 mètres).

    – PoE (ou Power Over Ethernet) : son débit peut aller jusqu’à 1 Gbit/s, et son principal avantage est de pouvoir alimenter la caméra en courant en même temps que la communication de données se fait.

    – VGA (Video Graphic Array) : les cartes VGA prennent en compte des résolutions de l’ordre de 640×480. Elles peuvent transmettre jusqu’à 256 couleurs. Cette interface tend à disparaître.

    résumé des interfaces de communication disponibles :

    • USB 2 & 3
    • CameraLink
    • GigE
    • PoE
    • VGA
    • FireWire
    • PAL/NTSC
  • De combien de mégapixels avez-vous vraiment besoin ?

    Plus une caméra est sensible, plus vous obtiendrez des images lisibles, même en cas de faible luminosité. La qualité de l’image dépend donc de la sensibilité de la caméra et de la résolution des images. Plus le nombre de mégapixels est élevé, plus l’image sera nette, précise. Si vous désirez observer des détails précis, nous vous conseillons donc d’utiliser une caméra avec une résolution au delà de 1 mégapixel. À noter également que le format H.264 est extrêmement performant.

    Notez également que les caméras megapixels sont devenues très courantes et abordables actuellement.

  • Quelles sont les applications principales d’une caméra pour la vision industrielle ?

    Les caméras pour la vision industrielle peuvent avoir des applications très variées. Elles peuvent être utilisées pour le contrôle de la production, la gestion de flux d’objets, l’inspection de surface (pour cela, la caméra doit être montée sur microscope), la fabrication de composants électroniques, ou encore le guidage de robots. Pour chaque application correspond la caméra adéquate.

    Pour le contrôle du flux de production d’une ligne d’emballage par exemple, il vous suffira d’une caméra CCD qui représente un investissement peu onéreux. Dans ce cas ce qu’il faut privilégier est la rapidité de scan de la camera (fps) et la résolution (caméra megapixel) Notez que les applications des caméras CCD peuvent également être gérées par les caméras CMOS mais elle sont plus onéreuses.

    La très grande précision des caméras FPA leur permet d’être utilisées tant dans le guidage que dans l’imagerie médicale.

    Si vous avez besoin d’une caméra pour identifier et mesurer les flux thermiques, nous vous conseillons les caméras microbolomètres.

  • Quel niveau de performance peut-on atteindre avec une caméra ?

    Dans une caméra, l’électronique de la camera joue moins sur les performances que le capteur par lui-même.

    Certaines caméras peuvent avoir une bonne résolution d’image avec une sensibilité faible, presque sans bruit thermique du fait d’une faible sensibilité du capteur.

    D’autres caméras auront, à l’inverse, besoin d’une grande sensibilité pour produire une image visible dans des conditions de lumière faible, sans pour autant que la résolution soit exceptionnelle, mais avec un risque de bruit thermique important comme conséquence d’une grande sensibilité du capteur.

    Enfin n’oubliez pas l’importance des objectifs fixées sur la caméra. Leur qualité optique, leur ouverture maximale et leur longueur focale jouent directement sur la qualité des images formées sur le capteur.

    Les performances d’une caméra dépendent fortement de son prix.

    les facteurs qui influencent la performance d’une caméra

    • sensibilité (exprimée en ISO)
    • résolution (exprimé en pixels)
    • vitesse (exprimée en fps – frame per second)
    • bruit thermique (provenant du capteur)
    • encombrement
  • Qu’est-ce qu’une caméra intelligente (SMART camera) ?

    Une caméra intelligente, aussi appelée SMART camera, est une caméra pouvant à la fois capturer et interpréter des images.

    Ces caméras présentent plusieurs avantages.

    Tout d’abord, elles sont autonomes dans le traitement des images et leur interprétation (il n’est pas nécessaire de les relier à un PC).

    De plus, après interpretation des images elle peuvent commander des automatismes pour produire des actions sur le process qu’elles surveillent.

    Enfin, ces caméras sont très compactes et ne prennent donc pas beaucoup de place. Elles sont facilement installables sur les lignes de production.

    Avantages d’une caméra intelligente :

    • autonome (intelligence embarquée)
    • traitement des images intégré
    • interprétation des images intégrée
    • commande numérique d’automatismes
    • encombrement réduit
    • installation simplifiée
  • Tendances

    Tout d’abord, les capteurs d’image ont fait de grandes avancées ces dernières années. La tendance est d’avoir de plus en plus de pixels pour une grande résolution mais aussi d’avoir une plus grande sensibilité (capteur d’image retroéclairés). Concernant la technologie CCD , les capteurs sont de plus en plus performants et ils partagent désormais de plus en plus de caractéristiques avec les capteurs de technologie CMOS. Cela se traduit par une meilleure résolution de l’image, mais également une limitation du bruit thermique aux bas niveaux d’éclairement.

    Au niveau des interfaces de communication, celles-ci sont de plus en plus rapides dans la transmission des données. Ainsi le partage d’images de haute résolution devient possible sur de longues distance sans perte de qualité, tout en restant dans un milieu industriel. La tendance pour les années à venir est de transmettre les données sans fil grâce au Wifi notamment.

    Enfin, les fabricants proposent presque tous des caméras intelligentes dans leurs catalogues. Elles sont en mesure de traiter des images, de les interpréter et de commander directement des automatismes. C’est une tendance actuelle forte, qui donne de plus en plus d’autonomie et d’intelligence aux caméras.

    Les dernières tendances pour les caméras

    • haute résolution
    • haute sensibilité
    • communication plus rapide
    • intelligence embarquée
    • autonomie
    • miniaturisation
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