Rétroéclairage diffus ou collimaté pour la mesure dimensionnelle

Deux rétroéclairages de même surface émissive et de même luminosité peuvent donner des diamètres mesurablement différents sur la même pièce. La différence ne réside pas dans le flux lumineux ; elle réside dans l'ouverture angulaire, et elle se manifeste par un bord qui se déplace lorsque la pièce s'épaissit.

Cette note explique d'où vient cette erreur, quelle est sa taille, et l'unique condition mécanique qui décide si un rétroéclairage collimaté peut être utilisé du tout.

Le bord est défini par la transmission, pas par l'apparence

Un rétroéclairage transforme la pièce en silhouette. Le bord dans l'image est l'endroit où la transmission chute de près de 100 % à près de 0 %, et un seuil placé sur cette transition définit le contour mesuré. C'est pourquoi le rétroéclairage est le choix par défaut pour les trous, diamètres, jeux et dégagements : le bord ne se soucie ni de l'état de surface, ni de la couleur, ni de l'oxydation, mais seulement de la géométrie.

Cela signifie aussi que toute la mesure repose sur la forme de cette transition. Si la transition est nette et stable, le seuil tombe au même endroit à chaque fois. Si elle est floue ou asymétrique, le seuil glisse avec l'exposition, la mise au point et l'épaisseur de la pièce — et la répétabilité qui semblait correcte en usine dérive en production.

Où le rétroéclairage diffus perd le bord

Un rétroéclairage diffus émet sur une plage angulaire large, typiquement plusieurs dizaines de degrés. Pour une pièce mince, c'est sans importance. Pour une pièce d'épaisseur t, les rayons arrivant sous un angle α éclairent la paroi latérale, et cette paroi fait alors partie de la zone claire. Le bord mesuré se situe quelque part sur la paroi plutôt qu'à la silhouette réelle, et l'erreur croît à peu près comme t·tanα.

Mettons des chiffres. À t = 2 mm et α = 30°, t·tanα ≈ 1.15 mm. Ce n'est pas une nuance d'éclairage ; c'est une erreur à l'échelle millimétrique sur une mesure qui peut être tolérée à quelques dizaines de micromètres près. Même à α = 10°, l'estimation est d'environ 0.35 mm. L'estimation exclut la diffraction et l'aberration de l'objectif, considérez-la donc comme une borne inférieure du problème et non comme une correction à appliquer.

Pour les tôles fines, les films et les pièces estampées de quelques dixièmes de millimètre, le même calcul donne quelques micromètres et le rétroéclairage diffus est parfaitement adéquat — à condition que l'émetteur soit proche de la pièce et que le fond soit uniforme.

Ce que change le rétroéclairage collimaté

Un rétroéclairage collimaté émet une lumière quasi parallèle, typiquement à un ou deux degrés près. Les rayons se propagent axialement, si bien que la paroi latérale d'une pièce épaisse n'est jamais éclairée : la silhouette est définie par la face avant seule, et le bord mesuré ne dépend plus de l'épaisseur. La transition s'affûte aussi, car le flou géométrique dû à l'ouverture angulaire disparaît.

Il y a un prix mécanique. Pour remplir tout le champ de lumière parallèle, la pupille d'entrée de l'objectif doit être au moins aussi grande que le champ de vision. Un objectif C-mount standard a une pupille de quelques millimètres à quelques centimètres, donc la condition échoue immédiatement. Un objectif télécentrique place la pupille à l'infini et, en pratique, offre une ouverture suffisamment grande pour accepter tout le champ — c'est pourquoi les rétroéclairages collimatés et les objectifs télécentriques sont spécifiés ensemble, et pourquoi un rétroéclairage collimaté sur un objectif standard se comporte comme un diffuse coûteux.

Cet appariement n'est pas une convention marketing ; c'est la condition dans laquelle les rayons parallèles peuvent être collectés. Cela signifie aussi que l'ouverture du rétroéclairage doit être dimensionnée d'après le plus grand champ que la cellule exploitera, et non d'après la recette actuelle.

Stabilité du seuil et budget d'exposition

Avec une silhouette propre, les variables restantes sont la stabilité de la luminosité et l'exposition. Un driver à courant constant compte plus ici que sur une cellule éclairée par l'avant : une ondulation de luminosité de 5 % déplace légèrement le seuil à chaque image, et sur une tolérance de 10 µm cela suffit à produire une distribution de mesure bimodale que personne ne sait expliquer.

L'exposition a une deuxième contrainte dans les applications en mouvement. Le flou de mouvement égale la vitesse multipliée par le temps d'exposition ; le maintenir en dessous d'un tiers de pixel fixe l'exposition maximale pour une vitesse de ligne donnée. C'est là que l'éclairage et la mécanique cessent d'être séparables : si l'exposition requise est plus courte que ce que la lumière disponible permet, la réponse est un émetteur plus puissant, une distance de travail plus courte ou un axe plus lent — pas plus de gain, qui ajoute du bruit précisément là où le seuil du bord se décide.

Longueur d'onde, diffraction et transition du bord

Les longueurs d'onde plus courtes produisent un flou de diffraction plus étroit à ouverture donnée, donc un rétroéclairage bleu donne un bord légèrement plus net qu'un rouge sur la même géométrie. L'effet est faible comparé à l'erreur d'ouverture angulaire ci-dessus, mais il est gratuit, et il compte lorsque l'exigence se situe à la limite de ce que l'optique peut faire.

La longueur d'onde interagit aussi avec le matériau. Le silicium est transparent dans le proche infrarouge, donc une plaquette ou une puce peut être inspectée en transmission dans le NIR d'une manière que la lumière visible ne peut pas atteindre. Le rouge pénètre mieux que le bleu certains revêtements et plastiques sombres. Rien de cela ne change l'argument géométrique ; cela change de quoi la silhouette est faite.

Choisir entre les deux, dans l'ordre

• Estimez t·tanα pour l'épaisseur réelle et l'angle réel de l'émetteur. Si le résultat est nettement dans la tolérance, le rétroéclairage diffus est le choix plus simple, moins cher et plus tolérant.
• Si l'estimation approche la tolérance, passez au collimaté — et confirmez que l'objectif est télécentrique avant de commander.
• Vérifiez la surface de l'émetteur par rapport au plus grand champ, avec marge. Un rétroéclairage sous-dimensionné produit une chute de luminosité au bord, un problème de luminosité qui ressemble à un problème de bord.
• Confirmez le budget d'exposition à la vitesse de ligne, et choisissez un contrôleur à sortie de courant constant et temporisation de déclenchement définie plutôt qu'une simple alimentation.
• Validez sur les pièces les plus épaisses et les plus minces de la famille, pas seulement la pièce nominale. La sensibilité à l'épaisseur est précisément l'enjeu du choix.

La gamme POMEAS couvre les deux côtés de cette décision : rétroéclairages télécentriques parallèles aux ouvertures de 30 mm à 265 mm, y compris des versions à angle droit pour les cellules sans place derrière la pièce, et éclairages de surface parallèles à haute uniformité pour le travail général de silhouettes. La gamme d'éclairage les répertorie avec les contrôleurs, et le côté optique est couvert par l'objectif télécentrique LTC05-40 pour les champs plus petits.

Si la mesure doit aussi survivre à un changement de grossissement — une cellule à objectif zoom qui mesure plusieurs tailles de pièces — le budget d'éclairage doit être recalculé à chaque palier, car l'éclairement de l'image chute environ avec le carré du grossissement. Cette interaction est traitée dans l'éclairage pour la mesure télécentrique, et le mécanisme du flou de bord lui-même dans pourquoi le bord d'un micro-trou floute en rétroéclairage.

Questions fréquentes

Un rétroéclairage collimaté est-il toujours plus précis ?

Pour les pièces épaisses, oui — il élimine l'erreur de bord dépendant de l'épaisseur. Pour les tôles et films minces, l'erreur d'ouverture angulaire est déjà de quelques micromètres, donc le gain peut ne pas justifier le coût ni l'exigence d'objectif télécentrique.

Puis-je utiliser un rétroéclairage collimaté avec un objectif C-mount standard ?

Dans un sens limité seulement. La pupille de l'objectif est bien plus petite que le champ, donc la majeure partie de la lumière parallèle est perdue et l'image se comporte comme avec un rétroéclairage diffus. L'appariement n'a de sens qu'avec un objectif télécentrique, dont la pupille peut accepter tout le champ.

Quelle erreur un rétroéclairage diffus introduit-il sur une pièce de 3 mm ?

En utilisant t·tanα comme estimation géométrique, 3 mm à 30° donnent environ 1.7 mm ; à 10°, environ 0.5 mm. Les deux chiffres ignorent la diffraction et les effets d'objectif, ils indiquent donc l'ampleur du problème, pas une correction à soustraire.

La couleur du rétroéclairage influe-t-elle sur le diamètre mesuré ?

Elle influe sur la largeur de la transition du bord via la diffraction et la correction chromatique de l'objectif. Les longueurs d'onde plus courtes donnent un bord légèrement plus net. L'effet est bien plus faible que l'erreur d'ouverture angulaire, mais il vaut la peine de fixer une seule longueur d'onde pour une métrologie répétable.

Pourquoi la mesure dérive-t-elle entre les équipes ?

Habituellement une dérive de luminosité ou thermique qui déplace le seuil, ou une variation d'épaisseur des pièces dans le lot. Verrouillez le courant, enregistrez l'exposition, et revérifiez l'estimation de t·tanα par rapport à la plage d'épaisseur réelle avant d'ajuster les seuils.

Une ouverture plus large est-elle un moyen moins coûteux d'affûter le bord ?

Elle affine l'image mais réduit la profondeur de champ, et sur une silhouette rétroéclairée la pièce peut se trouver hors de la profondeur restante. Pour une pièce immobile sur un montage plan, ce compromis est parfois acceptable ; pour un matériau en mouvement, il ne l'est généralement pas, c'est pourquoi il vaut mieux corriger le bord dans la géométrie d'éclairage que dans l'ouverture.

Qu'envoyer pour une revue d'éclairage

Envoyez la famille de pièces avec ses membres les plus minces et les plus épais, la tolérance sur la dimension mesurée, l'objectif et la caméra s'ils sont déjà choisis, l'espace derrière la pièce, et la vitesse de ligne si la pièce est en mouvement. Ces cinq éléments décident si la réponse est un rétroéclairage diffus, un collimaté, ou une tout autre disposition optique.