Technologie de caméras linéaires

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1 Depuis plusieurs années, les caméras linéaires jouent un rôle prépondérant dans le monde de l imagerie. Elles présentent des avantages uniques, par rapport aux caméras matricielles, et peuvent également être utilisées dans des applications, où l on recourt habituellement à des caméras matricielles. Les caméras électroniques conventionnelles sont équipées d un capteur matriciel, constitué de pixels photosensibles disposés en lignes et en colonnes. L image délivrée est donc un tableau de pixels, défini par sa hauteur et sa largeur. Les caméras linéaires, quant à elles, sont équipées d un capteur n ayant qu une seule ligne de pixels. La caméra délivre les lignes successivement. On utilise ces caméras en balayant l objet à imager, la succession de lignes créant ainsi une image matricielle. L image est probante seulement s il y a un déplacement entre la caméra et l objet; c est également le principe de fonctionnement d un fax ou d un scanner de document. Figure 1 - Illustration d un capteur linéaire DALSA. Les avantages de cette technique sont: Hauteur d image variable La hauteur de l image obtenue est définie par le nombre de lignes acquises. Il est ainsi possible de définir librement la hauteur des images sans limitation. Prenons les caméras matricielles. Typiquement, elles ont un rapport largeur sur hauteur de 4:3 (par ex. 640x480 pixels, 1024x768 pixels, 1280x960 pixels, 1600x1200 pixels). Mais certains objets à mesurer ne correspondent pas à ces proportions. Par exemple, si un objet doit être mesuré avec une image de 1024x10000 pixels, ceci nécessitera soit de multiples caméras, soit de multiples images, issues d une seule caméra avec un déplacement. Puis il faut réunir ces images, ce qui constitue une tâche supplémentaire. Avec l imagerie linéaire, toutes les proportions sont envisageables, il est même possible de contrôler dynamiquement la STEMMER IMAGING GmbH STEMMER IMAGING Ltd. STEMMER IMAGING S.A.S. STEMMER IMAGING AG Gutenbergstr The Old Barn, Grange Court 23 bis, rue Edouard Nieuport Rietbrunnen Puchheim Tongham, Surrey GU10 1DW Suresnes 8808 Pfäffikon SZ Fax: Fax: Fax: Fax:

2 hauteur d image, de sorte à imager des objets de longueurs différentes sans reconfiguration. Cette technique a été utilisée, par exemple, dans des applications de sécurité pour imager le dessous des véhicules de longueurs variables, de la simple voiture au poids lourd. Applications Web Pour certaines applications, les pannes ne sont pas logiques. Dans la fabrication de papier, un défaut peut apparaître, à un endroit quelconque, sur le produit en défilement continu. Si l on utilise une caméra matricielle, ce défaut peut se retrouver à cheval sur deux images successives. Pour analyser le défaut, il faut réunir les images. Une caméra linéaire permet, elle, une image en continu de l application. Voir Figure 2. Espace restreint Si l espace est réduit, il peut être difficile de voir une zone de la taille requise. Une caméra linéaire n a besoin de voir qu une zone d un pixel de haut sur l objet. Ainsi, il faut seulement que la largeur de l objet, sur une petite hauteur, soit visible. Déroulement Il est possible d imager la surface d un objet cylindrique avec une caméra matricielle en trois prises de vues, mais les bords de l image seront écrasés par la perspective. Une caméra linéaire peut imager un cylindre en rotation sur son axe et créer une image de la surface déroulée et affranchie de perspective. Dans le cas d une bouteille, par exemple, cela signifie qu une étiquette peut être vérifiée, juste après application. Figure 2 - Schéma d une inspection web à l aide d une caméra linéaire.

3 Cependant, comparé aux caméras matricielles, certaines particularités à prendre en compte sont liées aux caméras linéaires: La mise en œuvre est plus longue, car il y a davantage de paramètres. La fréquence ligne, le temps d exposition et le nombre de lignes doivent être définis, avant même de faire la mise au point de l objectif. Dans quasiment toutes les applications linéaires, il faut déclencher la caméra par un signal externe. Ce déclenchement de ligne évite tout étirement ou écrasement de l image dans la hauteur. On paramètre, généralement, le déclenchement des lignes via un encodeur pour obtenir des pixels carrés en unités réelles. En outre, il peut être souhaitable d utiliser le déclenchement d image (frame trigger). Dans certains modes, ce frame trigger peut également servir à définir la longueur (nombre de lignes) de l image. Alignement mécanique: si le capteur d une caméra linéaire n est pas perpendiculaire au défilement de l objet, l image résultante présentera un biais géométrique, semblable à celui visible avec rolling shutter d une caméra matricielle. Temps d'exposition : pour les caméras matricielles, le temps d exposition peut aller jusqu'à 1/fréquence image, soit 1/30s pour une caméra à 30 images par seconde. Pour les caméras linéaires, le temps d exposition est limité par la fréquence ligne, qui est bien plus élevée. Il faut donc apporter plus d éclairage. Les applications pour caméras linéaires nécessitent souvent des cadences lignes élevées. Les capteurs linéaires ont habituellement de nombreuses sorties en parallèle, qui permettent d accélérer la fréquence ligne. Pour compenser les courts temps d exposition des applications linéaires, les tailles de pixels sont souvent grandes, soit de 7 à 14µm comparé à environ 3 à 6µm pour les capteurs matriciels. Cette plus grande ouverture à la lumière est bénéfique en termes de sensibilité et de dynamique. La contrepartie étant que cette taille de pixel a tendance à créer de longs capteurs, ce qui influe sur le type de monture et d objectif utilisable. Il est possible d adapter des objectifs à monture C sur les capteurs linéaires les plus courts, mais il arrive souvent que de plus grandes optiques, telles que les montures F(monture NIKKON) ou au-delà soient nécessaires. En outre, on peut augmenter la sensibilité de la caméra en utilisant des capteurs à plusieurs lignes. Prenons l exemple d un capteur de 1024 pixels de largeur et 2 pixels de haut. Comme la fréquence ligne est maîtrisée (soit par paramétrage ou parce qu il y a un asservissement), on peut cumuler les pixels issus des 2 lignes, séparées dans le temps par une valeur connue, pour doubler la sensibilité du capteur. En opérant de même pour davantage de lignes, le gain de sensibilité en sera d autant plus conséquent. Ce type de procédé a pour nom TDI Time Delay Integration, voir Figure 3. Le TDI a permis l utilisation des caméras linéaires dans des applications délicates, où l emploi d un éclairage puissant peut endommager l objet; c est le cas, par exemple, de certaines applications pharmaceutiques, au cours desquelles un produit actif peut être détruit par un éclairage trop puissant.

4 Figure 3 - Schéma expliquant comment de nombreuses lignes sont transformées par un capteur TDI en une seule ligne plus lumineuse. Figure 4 - Piranha HS 8k, caméra TDI 96-lignes de DALSA

5 Il existe trois types de caméra linéaire couleur: 1. Tri-CCD: La séparation spectrale est obtenue par un système optique à base de prisme. Ce type de caméra est souvent volumineux, puisqu il est nécessaire d y loger 3 capteurs; elle délivre des images d un bon rendu de couleur avec peu d artefacts, car elle fournit une mesure colorimétrique complète pour chaque pixel. Elle présente également moins de contraintes mécaniques que les autres. C est aussi la plus chère. On peut citer comme exemples les caméras JAI L107 et L108. Figure 5 - JAI L108CL, caméra couleur linéaire 3CCD à base de prisme. 2. Couleur Bayer: En appliquant des filtres colorés individuels aux pixels, il est possible de séparer l information spectrale d une couleur sur plusieurs pixels. La mesure colorimétrique complète est obtenue par interpolation. Avec des capteurs double-ligne, on obtient de bons résultats. La figure 6 montre une caméra DALSA Spyder3 Colour GigE, dotée d une seule ligne sensible au vert et d une autre alternant la sensibilité au rouge et au bleu. Figure 6 - DALSA Spyder3 Colour GigE, caméra couleur Bayer linéaire avec capteur couleur double-ligne.

6 3. Tri-Linéaire couleur: Un capteur trois lignes avec un filtre différent sur chaque ligne permet un meilleur rendu colorimétrique qu avec des capteurs Bayer, et ce avec une taille et un prix nettement plus réduits que dans le cas des caméras à base de prisme. Il simplifie également les besoins en optiques par rapport à ceux de ces dernières. La contrepartie est la présence d artefacts, si l objet se rapproche ou s éloigne de la caméra. La figure 7 montre une caméra DALSA Piranha couleur, équipée de ces filtres. Figure 7 - DALSA Piranha couleur, caméra linéaire trois-lignes.

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