Comment les lasers sans granularité améliorent-ils les inspections 3D

Les solutions de vision industrielle qui utilisent des capteurs de déplacement laser se composent de trois éléments essentiels : un générateur de ligne laser, une caméra pour capturer la réflexion de la ligne laser et un ordinateur pour traiter l’image et extraire les données 3D. Dans certains cas, des images 2D sont également extraites. Toutefois, la granularité laser a longtemps été un obstacle à la précision de ces systèmes et limitait leur capacité à acquérir des modèles en nuage de points 3D détaillés et des images en niveaux de gris 2D.

Carte de hauteur 2,5D (gauche) et nuage de points 3D (droite)

Le capteur de déplacement laser suit les modifications d’une ligne laser projetée à mesure que les produits traversent le plan du laser. Lorsqu’un produit traverse le plan, les modifications de la surface du produit sont enregistrées comme des modifications du profil. L’éclairage laser est particulièrement adapté à ces lecteurs 3D, sa propriété fondamentale étant la régularité. Le faisceau laser produit la ligne la plus fine et la moins divergente possible, et il est très lumineux. Lorsqu’il prend la forme d’une fine feuille de lumière, comme le faisceau en éventail d’un système de profilage laser, il se projette sur de grandes distances avec une épaisseur qui ne varie que de l’équivalent de quelques feuilles de papier. Mais ce comportement a bien sûr un coût.

Les causes de la granularité

La longueur d’onde pure de la lumière laser lui permet d’interférer avec elle-même et de créer des points sombres et lumineux aléatoires dans l’image. Lorsque l’on regarde un point créé par un laser, cette interférence a un aspect « granulaire ». La granularité est considérée comme indissociable de l’éclairage laser depuis 60 ans et perçue comme un problème en métrologie depuis tout aussi longtemps.

En métrologie, la granularité a une incidence considérable. Les points sombres et lumineux aléatoires provoquent une ondulation dans ce qui devrait être une ligne laser droite sur une pièce plate. Cette ondulation, ou incertitude, contribue directement à une erreur de hauteur aléatoire qui ne peut pas être étalonnée. C’est un aspect fondamental des optiques laser. C’est la limite fondamentale de la précision de tout système de mesure laser, et elle constitue un problème pour les systèmes de métrologie en ligne depuis des décennies.

Relever le défi de la granularité

Les ingénieurs cherchent à réduire l’incidence de la granularité sur la triangulation laser à l’aide de diverses méthodes. Étant donné que les facteurs ou variables de base qui permettent de contrôler la granularité sont la longueur d’onde et l’ouverture de la caméra, utiliser une longueur d’onde plus courte et une ouverture plus grande peut réduire de moitié la granularité moyenne. Toutefois, l’erreur de hauteur ne change que très peu. Si votre ligne était une route et la granularité représentée par des nids de poule, vous en auriez moins et ils seraient en moyenne moins profonds, mais vous en rencontreriez quand même plusieurs gros.

Une autre méthode courante qui permet de lutter contre les effets de la granularité consiste à acquérir plusieurs images et à en faire la moyenne. Cette méthode élimine la granularité de l’image par l’inverse de la racine carrée du nombre d’images, à condition que les figures de granularité aient été suffisamment modifiées par un mouvement ou tout autre moyen. L’image ainsi obtenue présente naturellement une moyenne des caractéristiques spatiales, mais elle nécessite aussi un temps et des frais de traitement généraux considérables.

Deux techniques classiques utilisées dans l’holographie laser réduisent ou éliminent pratiquement la granularité en déplaçant le laser ou un diffuseur situé entre le laser et l’écran éclairé. De cette façon, la granularité est considérablement réduite. Cependant, le déplacement d’éléments lourds (tout ce qui pèse plus de quelques grammes dans notre cas) limite le temps d’intégration de la caméra à plusieurs millisecondes, alors que de nombreuses mesures nécessitent quelques dizaines de microsecondes. Par ailleurs, les diffuseurs amoindrissent la qualité du faisceau, ce qui empêche d’obtenir une fine feuille de lumière.

La promesse de la vision industrielle sans granularité pour l’automatisation industrielle

Cognex a récemment fait breveter une solution de vision pour le profilage laser 3D, l’In-Sight 3D-L4000, qui élimine l’aspect et les effets de la granularité. Cette solution produit également une ligne parfaitement droite, nette et lumineuse tout en améliorant le fonctionnement du système dans les environnements sales. Enfin, elle respecte les limites de sécurité oculaire fixées pour les lasers de classe 2M.

L’In-Sight 3D-L4000 inspecte les composants automobiles moulés à l’aide d’une ligne laser sans granularité

L’In-Sight 3D-L4000 s’appuie sur un laser bleu de 450 nm dirigé par un micromiroir électromécanique (MEM) qui balaye le faisceau d’avant en arrière à 26 kHz vers un diffuseur optique spécial. Cet élément optique robuste a la propriété unique de diffuser la lumière laser dans une direction donnée sous la forme d’un éventail parfaitement uniforme. En même temps, il conserve une « épaisseur de feuille » équivalente à un faisceau laser non diffus avec la robustesse commune aux solutions monolithiques d’orientation de faisceau à semi-conducteurs.

Par ailleurs, la répartition de l’intensité tout au long de la ligne est uniforme. Une optique de champ concentre l’éventail laser et il n’y a pas de perte de lumière significative par rapport aux générateurs de lignes laser plus classiques. Ensemble, ces deux éléments optiques génèrent une ligne laser sur l’objet qui, une fois réfléchie vers le capteur, élimine toute granularité tout en préservant la luminosité du laser. Contrairement aux systèmes mécaniques qui essaient de limiter les effets de la granularité, le nouveau laser sans granularité élimine les causes de la granularité à la source. Cela permet de supprimer les nids de poule aussi bien superficiels que profonds sur le chemin du développement d’un système d’inspection performant basé sur la lecture laser 3D.

Enfin, comme la ligne laser est projetée depuis des milliers de points différents sur l’optique en plusieurs parties, elle rend le système résistant aux contaminants susceptibles de bloquer le projecteur laser. Cette méthode de projection présente l’avantage supplémentaire d’être sûre pour l’opérateur. Les sources laser de l’In-Sight 3D-L4000 sont classées dans la catégorie 2M au lieu de la catégorie 3B ou 3R. Les équipements de sécurité nécessaires, les ressources techniques et les coûts de déploiement sont donc considérablement réduits.

Ligne laser bleue sans granularité (gauche) et laser rouge avec granularité (droite)

L’intensité élevée du laser dirigé vers le produit génère une valeur signal-sur-bruit plus élevée que n’importe quelle autre solution de profilage laser 3D « à granularité réduite ». Cela permet aux systèmes de fonctionner en moyenne plus vite que la meilleure solution concurrente, avec un temps d’acquisition d’image de seulement 26 us. La réduction de la granularité va également de pair avec une résolution spatiale plus élevée, ce qui permet d’obtenir des mesures 3D plus précises. Autre avantage, la netteté et la luminosité de la ligne laser ainsi que la vitesse d’acquisition permettent de générer des images volumétriques 3D et en niveaux de gris 2D haute résolution à partir de la même solution. Les capacités sont donc augmentées, et les coûts réduits.