Éclairage des rayures sur surfaces métalliques : champ sombre sans approximations

Presque toute inspection de rayures qui échoue commence de la même manière : un anneau lumineux puissant est installé, l'image paraît propre et uniformément éclairée, et les rayures restent invisibles. La lumière n'est pas trop faible. La géométrie est mauvaise, et aucun courant ne la corrigera.

Cette note porte sur la géométrie : ce que le champ sombre fait réellement sur le métal, comment régler l'angle au lieu de le deviner, et où la méthode cesse de fonctionner. Elle ne cite aucun taux de détection, car ceux-ci appartiennent à une pièce précise, à une population de rayures précise et à un critère d'acceptation précis, et aucun ne se transporte bien entre projets.

Pourquoi une image propre et uniformément éclairée masque les rayures

Sur une surface usinée ou polie, une rayure est un changement de pente, pas un changement de couleur. Sous un éclairage à angle élevé, la surface plane et les flancs de la rayure renvoient tous deux la lumière vers l'objectif, de sorte que les deux apparaissent brillants et le contraste s'effondre. Plus l'éclairage est bon — uniforme, diffus, sans éblouissement —, plus la rayure disparaît complètement.

Le champ sombre inverse la géométrie. La source est placée hors du coin spéculaire imagé par la caméra (le « W d'éclairage » dans le traitement standard de l'éclairage frontal). Une surface plane réfléchit la lumière rasante loin de l'objectif et apparaît sombre ; les flancs de la rayure, inclinés par rapport à la surface, redispersent la lumière vers l'objectif et apparaissent brillants. Le contraste vient de la pente, donc il survit sur des pièces où un contraste fondé sur la luminance n'a rien à exploiter.

Le test pratique pour savoir si une surface est candidate au champ sombre est simple : si l'on peut y voir une lampe ou une fenêtre qui s'y réfléchit, le champ sombre fonctionnera. Si la surface paraît uniformément mate sous tous les angles, la même diffusion qui fait fonctionner le champ sombre se produit déjà partout, et le fond montera avec le défaut.

Angle : le choisir selon le budget d'ombre, pas dans un catalogue

L'éclairage à faible angle va d'environ 5° à 30° au-dessus de la surface. Des angles plus bas rejettent plus complètement la réflexion de la surface plane, ce qui augmente le contraste du défaut ; mais une surépaisseur de hauteur h projette une ombre d'environ h / tanθ, et cette ombre peut masquer le défaut situé derrière. À 10°, une bavure de 0.5 mm projette une ombre d'environ 2.8 mm de long — sur une pièce dense, cela couvre plusieurs éléments.

L'angle n'est donc pas un paramètre libre à minimiser. Il est fixé par deux exigences concurrentes : assez incliné pour que les ombres n'engloutissent pas les régions voisines, assez bas pour que la surface plane reste sombre. En pratique, commencer à 20–30° pour les pièces à éléments hauts et à 10–15° pour les surfaces planes à rayures fines, puis vérifier en faisant tourner une rayure de référence dans quatre orientations.

L'azimut décide si une rayure est visible ou non

Une rayure est une rainure à deux flancs. La lumière qui arrive perpendiculaire à la rainure se disperse fortement depuis les deux flancs ; la lumière qui arrive parallèle à elle produit surtout de l'ombre le long de la rainure et bien moins de signal. Une seule barre lumineuse présente donc un angle mort systématique à 90° de son orientation privilégiée, et cet angle mort est invisible dans l'image — l'opérateur voit simplement « aucun défaut » sur cette moitié de la pièce.

La solution n'est pas plus de puissance mais plus de directions : des barres opposées avec un angle compris de 120–180°, ou un anneau à faible angle à quatre quadrants. Quand une seule direction est inévitable, faire tourner la pièce ou la lumière entre les captures et fusionner les images. Il vaut la peine de fabriquer l'échantillon de référence avec des rayures dans au moins quatre orientations, car un jeu de validation avec une seule direction de rayure validera un montage qui ignore la moitié de la population réelle.

Barres, anneaux et la limite de rugosité

Les barres lumineuses sont l'option flexible : une barre pour une orientation connue, deux opposées pour une orientation mixte, quatre pour un contrôle omnidirectionnel. Les anneaux à faible angle sont plus compacts et symétriques, ce qui convient aux pièces cylindriques, où toute préférence d'azimut tournera avec la pièce. Les deux reposent sur le même principe ; le choix est mécanique.

La limite, c'est la rugosité de surface. Le champ sombre dépend du maintien de la surface plane sombre. À mesure que Ra augmente, une plus grande partie de la surface disperse sous des angles que l'objectif peut voir, le fond se relève et le contraste tombe. Les surfaces grenaillées, moulées au sable et fortement brossées sont généralement de mauvaises candidates ; les surfaces rodées, rectifiées, tournées et polies sont de bonnes candidates. Les surfaces texturées produisent aussi un fond moucheté qui défait la segmentation par seuillage — dans ces cas, l'éclairage diffus à angle élevé avec filtrage de suppression de texture est souvent plus stable, même s'il est optiquement moins élégant.

Que mesurer au lieu de « ça a l'air mieux »

Trois chiffres rendent un montage en champ sombre défendable :

• Contraste défaut-fond à exposition fixe, mesuré sur une rayure connue, pas sur la plus belle image.
• Uniformité du fond dans tout le champ, car un coin lumineux y masquera des défauts. Un échantillonnage en neuf points suffit.
• Couverture d'orientation : la même rayure vue aux azimuts 0°, 45°, 90° et 135°, avec le contraste minimal consigné.

Garder l'exposition fixe entre candidats. Si la comparaison est faite à la « meilleure exposition » pour chaque géométrie, le résultat mesure la patience de l'opérateur plutôt que l'éclairage.

Combiner champ sombre et mesure

Beaucoup de cellules exigent à la fois une dimension et un contrôle de surface. C'est là que le champ sombre devient coûteux : un objectif télécentrique rejette la majeure partie de la lumière dispersée, donc l'image est sombre, et pousser l'exposition pour compenser coûte en cadence. Quand la mesure est l'exigence principale, la disposition habituelle est un canal transmis distinct pour la silhouette et un canal à faible angle pour la surface, chacun avec sa propre recette, plutôt qu'un éclairage de compromis. Les compromis entre géométries transmise et à faible angle pour la métrologie sont traités dans l'éclairage pour mesure télécentrique.

Pour le métal plat réfléchissant où le défaut est une marque ou une bosse plutôt qu'une rayure, l'éclairage coaxial est souvent le meilleur outil, et la logique de sélection diffère : l'éclairage coaxial pour métal réfléchissant expose quand cela s'applique.

Du matériel adapté à la géométrie

Chez POMEAS, la géométrie est servie par des barres et des anneaux à faible angle. La gamme d'éclairage pour vision industrielle comprend des barres lumineuses pour l'éclairage rasant opposé et sur quatre côtés, des anneaux diffus pour les surfaces qui exigent moins de directivité, et un contrôleur à quatre canaux qui permet d'équilibrer chaque côté indépendamment — ce qui compte, car un montage quatre côtés déséquilibré ignore une orientation systématiquement plutôt qu'aléatoirement.

Quand la pièce est un cylindre tourné ou rectifié, un anneau à faible angle garde la géométrie symétrique à mesure que la pièce tourne, de sorte que la luminance ne pulse pas à chaque révolution. C'est un avantage mécanique qui vaut plus qu'un petit gain en sortie de pointe.

Questions fréquentes

Puis-je trouver des rayures avec un anneau lumineux normal si je baisse la luminosité ?

Non. La luminosité n'est pas de la géométrie. Atténuer un anneau à angle élevé maintient l'éclairage dans le coin spéculaire, de sorte que les zones plates renvoient encore de la lumière et le contraste reste faible. La source doit sortir de ce coin — physiquement, pas électriquement.

À quel point l'angle doit-il être bas ?

Commencer à 20–30° quand la pièce comporte des éléments hauts, et à 10–15° quand la surface est plane et les rayures fines. Puis comparer la longueur de l'ombre (environ h / tanθ) à l'espacement des éléments, et vérifier avec une rayure de référence tournée dans quatre orientations.

Pourquoi toute l'image s'éclaircit-elle sur certaines pièces ?

Parce que la surface est diffuse plutôt que spéculaire : la rugosité disperse la lumière dans toutes les directions, y compris vers l'objectif. Le champ sombre ne peut pas séparer un défaut d'un fond qui disperse de la même façon ; ces pièces exigent une autre stratégie.

Faut-il quatre lumières ou deux suffisent-elles ?

Deux barres opposées couvrent la plupart des orientations mais laissent une zone d'angle mort résiduelle à 90° de leur axe. Quatre côtés, ou un anneau à quatre quadrants, suppriment la préférence. Si l'on sait que la population de rayures suit une direction, une barre plus une validation tournée est défendable.

Un objectif télécentrique aide-t-il en champ sombre ?

Il aide à la mesure, pas au contraste de surface. Un diaphragme télécentrique rejette une grande partie de la lumière dispersée, donc les images en champ sombre sont plus sombres. Utiliser l'optique télécentrique quand les dimensions comptent et accepter le coût en lumière, ou séparer les deux fonctions dans des canaux distincts.

Qu'envoyer pour une revue d'éclairage

Envoyer une bonne pièce et une pièce avec des rayures représentatives, l'état de surface (Ra ou procédé), le champ de vision, l'espace disponible pour une source à faible angle, et le critère d'acceptation en mots. Une photographie de l'image actuelle est utile, mais seulement si la géométrie d'éclairage et l'exposition sont indiquées — sinon elle décrit un symptôme sans sa cause.