Objectif zoom 12.5X pour l'inspection des disques codeurs optiques

Un codeur incrémental 512 P/R comporte deux pistes de 512 lignes chacune plus une fenêtre de référence zéro, et une seule ligne manquante ou pontée se traduit par une impulsion perdue ou une erreur de phase en sortie. Cette note consigne l'inspection sur banc d'un disque à substrat métallique avec un objectif zoom continu POMEAS 12.5X, corrige un chiffre de champ de vision qui ne survit pas au contact de la caméra réelle, et sépare ce que les images démontrent de ce qu'elles ne démontrent pas.

Aperçu du projet

La pièce est un disque codeur optique à substrat métallique, marqué 512 P/R, du type placé entre une LED et une matrice de photodétecteurs à l'intérieur d'un codeur rotatif et qui transforme la position angulaire en signaux A, B et Z. Les utilisateurs en aval sont les constructeurs de moteurs servo, les fabricants d'articulations et de réducteurs de robot, les fournisseurs de codeurs pour plateaux à entraînement direct et machines-outils, et les fabricants de capteurs automobiles d'angle de direction ou de position de papillon.

L'inspection est un contrôle cosmétique et de continuité avant expédition du réseau après lithographie ou gravure : lignes coupées, lignes manquantes, lignes pontées, bavures de bord, résidus de gravure, contamination de surface et rayures. Ce n'est ni un test électrique ni un étalonnage. Tout ce qui suit doit être lu avec cette limite à l'esprit.

Le défi de l'inspection

Le disque de la Figure 1 porte plusieurs milliers d'éléments de ligne sur une poignée de pistes concentriques, avec des lignes individuelles larges de quelques dizaines de micromètres. À cette échelle, l'œil humain et une loupe sont dépassés, et un microscope à grossissement fixe répète le problème décrit dans la plupart des travaux d'inspection de lignes fines : à faible grossissement une coupure est invisible, à fort grossissement on ne trouve pas l'endroit où regarder.

Le second problème est plus discret : les défauts qui comptent le plus modifient à peine l'image. Une paire de lignes pontées ne diffère d'une paire saine que par un intervalle sombre, et une bavure modifie un bord de quelques micromètres. Que l'un ou l'autre apparaisse dépend moins du grossissement que de la manière dont la lumière frappe le bord, et c'est pourquoi l'éclairage figure aux côtés de l'optique dans ce cas.

Figure 1 — La pièce : un disque codeur métallique 512 P/R. Les pistes concentriques sont les canaux A et B ; le marquage gravé 512 P/R et le numéro de pièce se trouvent sur le plat entre les pistes et le moyeu. Photographié tel que reçu, poussière comprise.

Configuration optique

Deux entrées demandent une note. Le BOM consigne l'objectif comme 63010 + 12101D, un codage interne POMEAS plutôt qu'un modèle commercial ; les chiffres optiques consignés avec lui — 0.58X–7.5X et 77 ± 2 mm — correspondent à la série LZL-12100, et 12101D est le code du sous-ensemble coaxial de cette famille. Comme l'éclairage consigné est une lumière annulaire et qu'aucun port coaxial n'est câblé sur la photographie du banc, cet article traite l'objectif comme un zoom manuel de la série LZL-12100 et n'affirme pas que la variante coaxiale était installée. La page de la LZL-12101 est la déclinaison coaxiale correspondante, utile si le même poste doit plus tard regarder au fond d'une cavité.

La seconde note concerne la caméra. Le modèle est une caméra de mesure HDMI tierce, pas un produit POMEAS, et sa fiche technique ne figure pas au dossier du projet. Tout ce qui suit et qui dépend de la géométrie du capteur est donc calculé deux fois, à partir de deux zones actives plausibles, et signalé comme dérivé.

Champ de vision : corriger le chiffre de 18.33 mm

Le dossier du projet indique un champ de 18.33 mm à 0.58X. Ce nombre est réel, mais il appartient à un autre capteur. En divisant une diagonale 2/3″ de 11.0 mm par 0.58 on obtient 18.97 mm ; en la divisant par 0.6 on obtient 18.33 mm. Autrement dit, 18.33 mm est le chiffre 2/3″ à 0.60X, reporté dans un dossier dont la caméra est une 1/2″. Sur la caméra réelle, le même objectif donne un champ plus petit :

La différence n'est pas académique. À 18.33 mm, un disque d'à peu près ce diamètre tient dans une seule image à l'extrémité basse ; à 13.8 à 14.2 mm, peut-être pas, et le poste doit alors indexer autour du disque, en utilisant la faible puissance pour la navigation plutôt que pour une vue d'ensemble en une seule prise. Les deux lignes calculées sont de classe C : l'arithmétique est correcte sur des tailles de capteur supposées, et la zone active doit être lue sur la fiche technique de la caméra avant d'inscrire un champ dans une spécification.

Figure 2 — Schéma, et non une photographie. Champ diagonal à 0.58X pour trois formats de capteur, montrant pourquoi le chiffre publié de 18.33 mm ne se transpose pas à une caméra 1/2 pouce.

Éclairage : lumière annulaire, rétroéclairage, et ce que les images utilisent réellement

Le BOM liste une lumière annulaire. La photographie du banc montre aussi une base éclairée sous la plaque de verre, et le texte du projet mentionne un rétroéclairage transmis. Ce ne sont pas la même affirmation : une lumière visible sur une photographie ne fait pas nécessairement partie de la configuration livrée, aussi le rétroéclairage est-il consigné ici comme non confirmé.

Cette distinction compte parce que les deux lumières répondent à des questions différentes. Une lumière annulaire travaille en réflexion : elle dépose de l'énergie sur le plat métallique et sur les bords des lignes, et le contraste des images ci-dessous provient de cette lumière réfléchie. Un rétroéclairage transmis travaille à travers la pièce : il produit des fenêtres lumineuses partout où le substrat est transparent et sombres partout où la matière le bloque, ce qui est la manière naturelle de trouver une ligne coupée sur une échelle en verre ou en film. Sur un disque métallique opaque, il n'y a rien à traverser, donc un rétroéclairage apporte peu au contraste des lignes et sert surtout à localiser les bords et à voir à travers l'alésage central.

Si un même poste doit traiter des disques métalliques et en verre, la lumière doit être commutable et la recette doit consigner quelle lumière a produit chaque résultat. Un défaut visible sous un éclairage et pas sous l'autre est un résultat normal, pas une contradiction.

Séquence d'inspection

Naviguer. Démarrer à 0.58X, confirmer la disposition des pistes, les compter, et lire le marquage 512 P/R pour s'assurer que la bonne pièce est sur le porte-pièce. Si le disque ne tient pas dans le champ, indexer autour et noter les positions angulaires couvertes.

Zoomer. Passer au grossissement de travail. La profondeur de champ chute vite : 2.75 mm à 0.58X deviennent 0.27 mm à 2X et 0.05 mm à 7.5X, aussi la mise au point se règle une fois par zone à fort grossissement et l'on ne touche plus le porte-pièce entre les images.

Balayer et enregistrer. Travailler radialement le long d'une piste, puis de la suivante, et archiver chaque image avec sa position. Un défaut sans position n'est pas exploitable pour l'ingénieur qui doit corriger la machine de gravure.

Ce que montrent les images

La Figure 3 couvre trois pistes concentriques plus le marquage gravé en une seule vue, c'est l'image de navigation. La Figure 4 montre le même disque à fort grossissement, où les lignes individuelles, leurs bords et le plat métallique entre les pistes sont résolus.

Figure 3 — Vue à faible grossissement. Trois pistes concentriques et la gravure 512 P/R tiennent dans une seule image ; les points brillants dispersés sont des particules libres sur la surface métallique, pas des défauts de réseau.

Figure 4 — Vue à fort grossissement de deux pistes. Les bords des lignes sont propres et continus dans ce champ ; les artefacts visibles sont des particules posées sur le plat entre les pistes. Aucune ligne coupée ou pontée n'a été consignée dans cette image, et aucune n'est revendiquée.

Limites d'ingénierie et ce qui n'a pas été vérifié

Les images démontrent une qualité d'image, pas une performance de détection. Il n'existe aucune trace d'une inspection à 100 pour cent des 512 lignes de chaque piste, pas de bibliothèque de défauts avec vérité terrain connue, pas d'étude de répétabilité. Une image qui résout une ligne de 30 µm et une irrégularité de bord de 3 µm est une condition préalable à une détection fiable, pas une preuve de celle-ci. Prouver la performance de détection exige des défauts semés et une mesure du taux d'évasion.

3.05 µm est une spécification d'objectif, pas une capacité d'inspection. Elle décrit le plus fin détail que l'objectif peut transférer dans le plan objet en conditions nominales. Le plus petit défaut qu'un poste peut déclarer de façon fiable est fixé par le contraste, l'éclairage, l'échantillonnage des pixels au grossissement choisi et la règle de décision. Il est normalement plusieurs fois plus grossier que le chiffre de l'objectif, et doit être mesuré sur des pièces réelles.

L'inspection visuelle n'est pas un test électrique. Un disque peut paraître parfait et échouer sur l'erreur de phase, le rapport cyclique ou l'amplitude du signal ; un disque à la ligne limite peut passer les deux. Rien ici ne mesure le signal A/B, la relation de phase ou l'erreur d'interpolation, et l'article ne fait aucune affirmation sur la précision du codeur.

Échantillonnage à faible grossissement. Avec une caméra 2 MP 1/2″, un pixel couvre environ 6.5 µm de l'objet à 0.58X et environ 0.5 µm à 7.5X, contre une résolution d'objectif de 3.05 µm. À l'extrémité basse la caméra est le terme limitant, à l'extrémité haute c'est l'objectif ; c'est la raison pratique pour laquelle la faible puissance sert à naviguer et la forte à juger.

Distorsion. Le dossier du projet cite une distorsion TV de 0.05 pour cent ou mieux. La page produit actuelle de la famille indique une distorsion TV minimale de 0.001 pour cent, et les deux chiffres ne se réconcilient pas. La distorsion doit être prise dans la révision de la fiche technique livrée avec l'objectif, et mesurée si un travail dimensionnel est prévu.

Figure 5 — Montage sur banc. Porte-pièce vertical avec bouton de mise au point et réglage XY, lumière annulaire à l'objectif, disque sur une plaque de verre au-dessus d'une base éclairée. Le rétroéclairage visible ici n'est pas détaillé dans le BOM.

Où cette configuration trouve sa place

Toute pièce à lignes fines qui doit être fouillée sur une grande surface et jugée à fort grossissement est candidate : disques de codeur et d'échelle, échelles linéaires en verre, réticules et masques, grilles gravées, motifs de résistances à couche mince et réseaux de pistes de circuits flexibles. La même plage convient à la retouche et à l'inspection à réception, où l'opérateur doit d'abord trouver un défaut puis le caractériser.

Questions que ce cas soulève habituellement

Quel champ de vision un objectif 12.5X donne-t-il sur une caméra 1/2 pouce ?

Environ 11.0 x 8.3 mm à 0.58X et 0.85 x 0.64 mm à 7.5X, en supposant une zone active nominale de 6.4 x 4.8 mm. Si la caméra est un capteur 1920 x 1080 à pixels de 3.75 um, le champ à l'extrémité basse devient 12.4 x 7.0 mm. Le chiffre de 18.33 mm qui circule pour cet objectif est une valeur 2/3 de pouce à 0.6X et ne s'applique pas à une caméra 1/2 pouce.

3.05 um est-il le plus petit défaut que cet objectif peut détecter ?

Non. 3.05 um est la résolution optique publiée dans le plan objet, pas une capacité d'inspection. Ce qu'un poste détecte de façon fiable dépend du contraste, de l'éclairage, de l'échantillonnage des pixels et de la règle de décision, et est normalement plusieurs fois plus grossier. Cela doit être établi sur des pièces réelles avec des défauts semés plutôt que lu sur une fiche technique.

Lumière annulaire ou rétroéclairage pour l'inspection de disques codeurs ?

Lumière annulaire pour les défauts de surface sur un disque métallique opaque, où les bords de lignes, les bavures, les ponts et la contamination se voient en réflexion. Rétroéclairage pour les échelles transparentes ou en film, où une ligne coupée apparaît comme un changement de la lumière transmise. Si les deux types de pièces sont prévus, le poste a besoin des deux lumières et la recette d'inspection doit consigner laquelle a été utilisée pour chaque résultat.

Ce poste d'inspection peut-il remplacer le test électrique du codeur ?

Non. Il contrôle le réseau, qui n'est qu'une cause de défaillance. L'erreur de phase, le rapport cyclique, l'amplitude du signal et la précision d'interpolation sont des propriétés électriques mesurées avec le disque en rotation dans un codeur. L'inspection optique et le test électrique sont complémentaires, et ce cas ne fait aucune affirmation sur la performance du signal du codeur.

Pourquoi ne pas utiliser un microscope à grossissement fixe pour un disque 512 P/R ?

Parce que la zone à fouiller est grande et que le défaut est petit. Une puissance fixe faible ne peut pas résoudre une coupure et une puissance fixe élevée ne peut pas la trouver. Un zoom 12.5:1 conserve un seul porte-pièce et une seule distance de travail tout en couvrant à la fois la vue de navigation et la vue de jugement, et c'est ce qui rend praticable l'inspection sur banc d'un disque entier.

Demander une solution d'inspection similaire

Envoyez le diamètre extérieur du disque ou de l'échelle, la largeur et le pas des lignes, le plus petit défaut à attraper, le modèle de caméra et la taille du capteur, la distance de travail disponible, et si la pièce est opaque ou transparente. Nous répondrons avec une plage de grossissements, un tableau de champs et une proposition d'éclairage plutôt qu'un seul numéro de pièce. Contactez POMEAS, ou partez de l'objectif zoom continu LZL-12100 12.5X et de la comparaison des modèles 12.5X. Pour l'étape précédente à celle-ci, choisir entre familles de zoom, le guide 6.5X contre 12.5X couvre les arbitrages.

Étude de cas connexe : un objectif zoom 14X utilisé dans une cellule de décapsulation laser, où l'axe optique doit être incliné et où la profondeur de champ devient le facteur limitant.