Imagerie hyperspectrale ou vision industrielle standard, l'investissement en vaut-il la peine ?

L'imagerie hyperspectrale est l'une des technologies les plus impressionnantes et les plus survendues de la vision industrielle. Elle fait quelque chose dont aucune caméra ordinaire n'est capable, voir la chimie d'un matériau et pas seulement sa couleur ou sa forme. Elle est aussi coûteuse, gourmande en données et facile à acheter alors qu'une solution bien moins chère aurait suffi. La vraie question n'est donc pas ce que l'hyperspectral peut faire. C'est de savoir si votre problème en a réellement besoin.

Voici comment la technologie fonctionne, où elle justifie vraiment son coût et comment elle se compare aux alternatives RGB et proche infrarouge qui conviennent mieux à la plupart des applications.

Ce qu'est réellement l'imagerie hyperspectrale

Une caméra couleur normale voit le monde dans trois larges bandes, le rouge, le vert et le bleu. Votre œil fait à peu près la même chose. L'imagerie hyperspectrale va bien plus loin. Elle décompose la lumière de chaque pixel en dizaines, voire centaines, de bandes de longueur d'onde étroites et contiguës, et enregistre le spectre complet en chaque point. Le résultat n'est pas une image plane. C'est un cube de données, deux dimensions d'espace et une troisième de longueur d'onde, où chaque pixel porte sa propre empreinte spectrale.

Cela compte parce que les matériaux absorbent et réfléchissent la lumière selon des motifs propres à leur chimie. Deux objets peuvent paraître identiques à l'œil et à une caméra RGB tout en ayant des spectres totalement différents. Un système hyperspectral lit ces spectres et distingue les matériaux. Une grande partie de l'information utile se situe dans l'infrarouge à ondes courtes, au-delà de ce que les capteurs au silicium peuvent voir, et c'est pourquoi de nombreuses caméras hyperspectrales industrielles utilisent des capteurs SWIR spécialisés.

La plupart des caméras hyperspectrales industrielles sont des caméras linéaires. Elles acquièrent une ligne à la fois en travers du produit et construisent l'image complète à mesure que le produit défile sur un convoyeur, ce qui s'intègre bien à une ligne de production. La contrepartie, c'est qu'un système hyperspectral produit une quantité énorme de données et exige un vrai logiciel en arrière-plan pour transformer tous ces spectres en une simple décision de conformité, de rejet ou de tri.

Où l'hyperspectral justifie sa place

L'hyperspectral n'est pas une amélioration polyvalente. Il est rentable sur un ensemble précis de problèmes, ceux où ce que vous devez détecter est une différence de matériau ou de chimie sans indice visuel fiable. Trois secteurs montrent clairement ce schéma.

Tri et sécurité agroalimentaires

C'est là que l'hyperspectral excelle. Il peut repérer un fragment de plastique, de carton ou de pierre de la même couleur que le produit et qui passerait tout droit devant une caméra couleur. Il peut mesurer la teneur en humidité, en matière grasse, en sucre ou en matière sèche sur tout un flux de produits plutôt que sur un échantillon de laboratoire. Il peut détecter les meurtrissures et les débuts d'altération avant qu'ils ne soient visibles. Pour les lignes agroalimentaires à haut débit, où un corps étranger est à la fois un risque de sécurité et un risque pour la marque, cette vision à l'échelle chimique vaut beaucoup d'argent.

Recyclage et tri des déchets

Le recyclage est l'application hyperspectrale classique. Différents plastiques, PET, HDPE, PVC et polypropylène, se ressemblent pour une caméra couleur mais présentent des signatures nettement différentes dans l'infrarouge à ondes courtes. Un trieur hyperspectral lit le type de polymère de chaque objet pendant qu'il défile sur la ligne et déclenche un jet d'air pour le dévier, des centaines de fois par seconde. C'est la colonne vertébrale de la récupération automatisée moderne des matériaux. Il vaut la peine d'en connaître aussi la principale limite. Les plastiques très foncés et noirs absorbent l'essentiel de la lumière infrarouge et constituent un cas difficile bien connu, encore un domaine de développement actif plutôt qu'un problème résolu.

Inspection pharmaceutique

En pharmacie, la valeur réside dans la certitude chimique. L'imagerie hyperspectrale peut confirmer qu'un comprimé contient le bon principe actif, vérifier qu'un mélange de poudre est homogène, mesurer un revêtement ou signaler une contrefaçon, le tout sans toucher ni détruire le produit. Parce qu'elle contrôle la composition plutôt que l'apparence, elle appuie la vérification du contenu et de la qualité que la fabrication réglementée exige de plus en plus.

Ce dont une installation hyperspectrale a réellement besoin

Un système hyperspectral exige davantage de chaque composant qu'un système de vision standard, et cela représente une grande part du coût. Quatre éléments doivent fonctionner ensemble.

La caméra en est le cœur. Une caméra comme la Teledyne Kaleido réunit le capteur, le spectrographe et l'interface dans une seule unité SWIR, acquiert jusqu'à 1 280 points en travers de la ligne à des cadences de ligne supérieures à 2,3 kHz et fonctionne sur 10 GigE. Des fonctions comme la sélection intégrée des bandes spectrales et les régions d'intérêt comptent plus qu'il n'y paraît, car elles ramènent le flot de données à ce dont vous avez réellement besoin et raccourcissent le travail d'intégration.

L'éclairage doit être lumineux et spectralement large, car la caméra ne peut mesurer que les longueurs d'onde que la lumière fournit effectivement. Une source à large bande ou configurable comme la ProPhotonix COBRA MultiSpec, qui peut être équipée de jusqu'à douze longueurs d'onde, du visible à l'infrarouge à ondes courtes, assure un éclairage uniforme le long de la ligne. Un éclairage uniforme est essentiel quand chaque pixel est une mesure.

L'objectif est un élément que l'on sous-estime. Un objectif ordinaire fait converger les différentes longueurs d'onde sur des plans légèrement différents, ce qui brouille les spectres mêmes que vous cherchez à lire. Un objectif hyperspectral est corrigé pour maintenir la mise au point sur toute la plage. Le Kowa LM-HC-VIS-SWIR couvre 450 à 2 000 nanomètres en tant qu'objectif hyperspectral à large bande. Le Computar ViSWIR Hyper APO couvre 400 à 1 700 nanomètres avec son décalage de mise au point entièrement corrigé. Ce sont les bons outils, plutôt qu'un objectif standard détourné de son usage.

C'est dans le logiciel que l'argent part discrètement. Transformer un cube de données en décision demande de la chimiométrie et des modèles de classification, pas un simple seuil. Des plateformes comme celle d'EVK, avec son logiciel chimiométrique SQALAR et son matériel de traitement ALPHA, sont conçues pour classer les matériaux en quelques millisecondes et piloter directement un trieur. Sur de nombreux projets, le développement du modèle est le poste le plus important du budget, pas le matériel.

Le surcoût et où il se cache

Il n'y a pas moyen d'y échapper, l'hyperspectral coûte bien plus cher que la vision industrielle standard. Une caméra matricielle d'inspection standard va de quelques centaines d'euros à environ 18 000 € au plus haut de gamme. Une caméra hyperspectrale SWIR, avec son capteur InGaAs spécialisé et son spectrographe intégré, se situe généralement dans la fourchette de 36 000 € à 84 000 €, davantage encore pour les plages spectrales les plus larges. Les caméras hyperspectrales dans le visible coûtent moins cher que les SWIR. Dans tous les cas, vous êtes un ordre de grandeur au-dessus d'une caméra standard avant même d'avoir acheté quoi que ce soit d'autre.

La caméra n'est qu'une partie de la facture. L'éclairage, l'optique corrigée, le logiciel et le traitement ajoutent généralement 30 à 50 pour cent de plus. Un système complet d'inspection ou de tri hyperspectral, une fois l'intégration comprise, atteint sans peine les dizaines de milliers d'euros et au-delà, la même catégorie que nos systèmes de vision personnalisés et sur mesure. Le coût unique le plus élevé n'est souvent pas du tout le matériel. C'est le développement de l'application, le travail de construction et de validation du modèle de classification qui rend fiable la décision de tri ou de conformité sur votre produit réel. Rien de tout cela ne fait de l'hyperspectral un mauvais investissement. Cela en fait un investissement dont vous voulez être sûr avant de vous engager, et c'est précisément pourquoi la question du titre est la bonne à poser.

Comment il se compare au RGB et au proche infrarouge

La plupart des problèmes d'inspection n'ont pas besoin d'hyperspectral. Y recourir en premier est une habitude coûteuse. L'ordre raisonnable consiste à adapter l'outil à la différence que vous cherchez à voir.

Si la différence est visible, une caméra couleur ou monochrome est plus rapide, moins chère et meilleure. Couleur, forme, impression, défauts de surface, contrôles d'assemblage, tout cela relève de la vision industrielle ordinaire et l'hyperspectral ajoute du coût sans aucun bénéfice.

Si la différence est un simple contraste de matériau ou d'humidité, une seule bande de proche infrarouge suffit souvent à la révéler. Une simple caméra NIR, ou une caméra standard avec le bon filtre, peut voir l'humidité, voir à travers certains emballages ou séparer deux matériaux pour une infime fraction du coût d'un système hyperspectral complet.

Si vous devez séparer plusieurs matériaux ou lire une propriété chimique et que vous savez déjà quelles sont les quelques longueurs d'onde qui comptent, une configuration multispectrale de quelques bandes choisies vous donne l'essentiel de la puissance de l'hyperspectral pour une fraction du coût, souvent quelques milliers d'euros plutôt que des dizaines de milliers.

L'hyperspectral justifie sa place quand la caractéristique distinctive est de nature chimique et sans indice visuel, quand vous devez distinguer de nombreux matériaux à la fois, ou quand vous ne savez pas encore quelles longueurs d'onde comptent et avez besoin du spectre complet pour les trouver. Ce dernier point est le plus utile. Une démarche courante et économique consiste à utiliser l'hyperspectral au stade de la faisabilité pour découvrir les deux ou trois bandes qui séparent votre produit, puis à déployer en production une caméra multispectrale ou filtrée bien moins chère, réglée exactement sur ces bandes. Le tri en temps réel de flux véritablement mélangés, comme le recyclage, est le cas où le système hyperspectral complet reste à demeure sur la ligne.

Alors, l'investissement en vaut-il la peine ?

La réponse, c'est que tout dépend du problème. Si ce que vous devez voir est chimique et invisible pour une caméra ordinaire, l'hyperspectral peut faire des choses que rien d'autre ne permet. Pour la sécurité agroalimentaire, le recyclage et la vérification pharmaceutique, c'est souvent le seul outil qui fonctionne. Si votre différence est visible, ou si une seule bande de proche infrarouge la révélerait, l'hyperspectral est un moyen coûteux de résoudre un problème moins cher. Le pire des résultats est d'acheter un système hyperspectral pour une application qui n'en avait pas besoin, ou de l'écarter pour une application qui en avait réellement besoin. Pour éviter les deux, testez votre produit réel avant de dépenser, et c'est à cela que sert une étude de faisabilité.

Réservez une étude de faisabilité hyperspectrale

Si vous avez un problème de tri ou d'inspection qui pourrait nécessiter l'hyperspectral, le moyen le plus rapide de le savoir est de placer votre produit devant la bonne caméra et de regarder. Nous réaliserons une étude de faisabilité, verrons si le contraste spectral dont vous avez besoin est bien présent et reviendrons avec une recommandation claire et un système adapté, hyperspectral ou non. Si une installation bien plus simple fait l'affaire, nous vous le dirons clairement.

Pour réserver une étude de faisabilité hyperspectrale, contactez notre équipe

Écrivez-nous à info@clearview-imaging.com ou appelez le +33 5 33 52 33 38

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