Gagnez du temps et facilitez-vous la vie grâce à la polarisation sur capteur

Pourquoi utiliser la polarisation sur capteur ?

De nombreux systèmes de vision ont du mal à atténuer les effets d’une luminosité dynamique ou excessive, des reflets, du flou et des éclats de lumière sur les surfaces réfléchissantes comme le verre, le plastique et le métal. Les caméras de vision artificielle Blackfly S dotées des fonctionnalités de polarisation sur capteur et antireflet de Sony intégrées à Spinnaker SDK fournissent une solution facile à mettre en œuvre, légère et fiable pour répondre à ces situations difficiles. Grâce à un contrôle précis et dynamique de l’exposition, du gain, de la balance des blancs et de la correction des couleurs, les caméras Blackfly S dotées d’une polarisation sur capteur capturent la lumière à partir de quatre angles dans un seul cadre, réduisant ainsi considérablement la complexité du système et la conception de l’application.

Les systèmes qui reposent sur plusieurs caméras et filtres derrière un prisme de séparation des faisceaux, ou une seule caméra avec un filtre rotatif ou une roue de filtrage, sont volumineux, compliqués et lents. En détectant simultanément l'angle et l'intensité de toute la lumière polarisée sur le capteur, les caméras Blackfly S à capteurs polarisés offrent une vitesse accrue et une réduction considérable de la taille, de la complexité et de la consommation d'énergie par rapport aux solutions existantes.

Modèles de caméras pris en charge :

Caméras Blackfly S GigE avec polarisation sur capteur

BFS-PGE-123S6P-C : 12,3 MP, 10 FPS, Sony IMX253MZR, polarisé

BFS-PGE-51S5P-C : 5,0 MP, 24 FPS, Sony IMX250MZR, polarisé-mono

BFS-PGE-51S5PC-C : 5,0 MP, 24 FPS, Sony IMX250MYR, polarisé-RVB

Caméras Blackfly S USB3 avec polarisation sur capteur

BFS-U3-51S5PC-C : 5,0 MP, 75 FPS, Sony IMX250MYR, polarisé-RVB

BFS-U3-51S5P-C : 5,0 MP, 75 FPS, Sony IMX250MZR, polarisé-mono

La polarisation sur caméra est utile pour les applications suivantes :

Systèmes aériens sans pilote (UAS)

Les applications comme les UAS ou les drones fonctionnent généralement en extérieur dans des conditions d’éclairage non contrôlées. La Blackfly S fournit quatre ensembles d’images polarisées, avec des angles de polarisation à 0 °, 45 °, 90 ° et 135 °, pour compenser des conditions d’éclairage changeantes et le mouvement et l’orientation relatifs de l’UAS. En fournissant aux ingénieurs d’application quatre ensembles d’images polarisées par cadre, la Blackfly S réduit la complexité du système, le poids de la charge utile et les points de défaillance tout en améliorant la qualité de l’image et le temps de décision dans des conditions d’éclairage difficiles.

Systèmes de transport intelligents (ITS)

L’utilisation d’une configuration de filtre polarisé est difficile pour les applications ITS comme la détection du non-port de la ceinture de sécurité ou de l’utilisation d’appareils mobiles au volant à travers des pare-brise réfléchissants, car les conditions d’éclairage extérieur changent tout au long de la journée. Certains systèmes surmontent ces obstacles avec des configurations à plusieurs caméras/filtres, qui compromettent considérablement la fiabilité du système tout en augmentant les coûts de matériel et de maintenance. La polarisation sur caméra peut capturer simultanément quatre ensembles d’images par cadre, garantissant ainsi qu’au moins une de ces images est efficace pour éliminer les reflets indésirables. Les développeurs d’applications ont la possibilité de choisir une ou plusieurs images polarisées pendant le post-traitement, ce qui leur permet d’économiser du temps et de l’argent sur le développement, l’intégration et la maintenance.

Réflexions sur un pare-brise dans des conditions d’éclairage extérieur, avec et sans polarisation.

Détection et identification

La polarimétrie est idéale pour détecter des objets autrement difficiles à identifier en utilisant des images visibles ou thermiques traditionnelles. Les véhicules camouflés ou les structures cellulaires microscopiques continuent de refléter la lumière polarisée orientée parallèlement à la surface ; ces réflexions se distinguent clairement en mode AoLP (Angle de polarisation linéaire), comme illustré ci-dessous.

Un véhicule bien camouflé avant et après l’utilisation de la polarisation sur capteur

Optimisation de l’apprentissage profond pour les AUV et les USV.

Le désencombrement des images en éliminant les éclats et les reflets indésirables peut simplifier la formation des systèmes d'apprentissage en profondeur. Ceci est particulièrement utile dans les environnements à éclairage très éblouissants rencontrés par les véhicules autonomes et les engins submersibles marins (véhicules de surface non habités marins, USV).

Autres applications

La haute résolution et le faible bruit de lecture des caméras Blackfly S permettent d’analyser un large champ de vision avec un équipement de microscopie standard (p. ex. les propriétés de polarisation et l’activité optique des composés biologiques peuvent différencier les tissus sains et malades). Plusieurs autres applications telles que la fabrication de semi-conducteurs et de composants électroniques, la fabrication et l’inspection d’écrans plats, l’emballage alimentaire, les cosmétiques, l’emballage pharmaceutique, la logistique, la microscopie et l’inspection traitent des surfaces réfléchissantes, où la polarisation sur caméra peut être particulièrement utile.

Qu’est-ce qui différentie les caméras Blackfly S dotées de capteurs polarisés Sony ?

Polarisation sur capteur de Sony

Les capteurs IMX253MZR et IMX250MZR de Sony sont basés sur leurs capteurs CMOS à obturateurs globaux IMX253 et IMX250, de respectivement 12 et 5 mégapixels. Chaque pixel individuel a son propre filtre polarisant ; ces filtres sont orientés à 0 °, 45 °, 90 ° et 135 ° et disposés en blocs répétitifs de deux pixels. Ces capteurs possèdent des fonctionnalités qui minimisent l'impact de l'efficacité quantique réduite (QE) résultant de l'ajout de filtres polarisants aux pixels. Par exemple, les filtres polarisants de l'IMX250MXR ont un taux d'extinction de 4:1 suffisamment élevé pour fournir des données polarimétriques précises sans bloquer la lumière à polarisation croisée. Cela garantit que même lorsque l'alignement du filtre dépasse une quantité minimale de lumière, la photodiode sensible à la lumière recevra une quantité suffisante de lumière pour capturer des images utiles. Cela lui permet de capturer des images à faible bruit, même dans des conditions difficiles nécessitant un gain pour compenser un QE réduit.

Spinnaker SDK avec fonctionnalités de suppression des reflets

Spinnaker SDK prend en charge les appels d’API pour créer une image à reflet réduit à partir des images source en choisissant le pixel le plus sombre de chaque quadrant de polarisation. Grâce aux mesures polarimétriques, il peut réduire dynamiquement les reflets des surfaces non métalliques, réduisant ainsi la complexité du système et permettant de gagner du temps dans le développement d’applications. Voir l’exemple ci-dessous :

L : Image polarisée brute | M : Image polarisée avec sujet d’intérêt surligné en rouge | R : Image traitée avec réduction antireflet activée

Fréquences d’images plus élevées (et compression sans perte)

Les caméras Blackfly S GigE avec capteurs d’image CMOS polarisés de Sony permettent des fréquences d’images plus élevées à haute résolution (p. ex. jusqu’à 14 FPS à 12 MP) sans perdre de données d’image en utilisant la compression sans perte intégrée au micrologiciel de la caméra. Cette vitesse de traitement accrue et cette haute résolution peuvent être particulièrement utiles dans les applications industrielles et de recherche très exigeantes.

Interprétation des données de polarisation

L’interprétation et la caractérisation des paramètres de polarisation de la lumière nécessitent des mesures venant de quatre angles de polarisation. Pour y parvenir pour chaque pixel du capteur, un processus d'interpolation où les données provenant de pixels adjacents sont combinées est nécessaire. Ceci est analogue à la manière dont les données des pixels rouges, verts et bleus adjacents sont combinées sur les capteurs de couleur pour produire des valeurs RVB pour chaque pixel. Ce processus est pris en charge de manière native par Spinnaker SDK.

Combinaison de polarisation et de couleur

Le capteur IMX250MYR ajoute un tableau de filtre de couleur au capteur sous les filtres polarisants. Ce capteur utilise un modèle unique Quad-Bayer qui priorise la résolution spatiale du domaine de polarisation plutôt que la résolution spatiale des informations de couleur.

Pixels RVB réorganisés en « super-pixels » de 2x2. Chaque super-pixel a un filtre polarisant par orientation et contient toutes les informations nécessaires pour calculer les paramètres Stokes à cet emplacement.

Capture d’écran de l’interface graphique de Spinnaker SDK mettant en évidence des « super-pixels » de 2x2’

Fonction d’obturateur globale

Les capteurs d’image CMOS à obturateur roulant sont incapables d’identifier avec précision les objets en mouvement rapide, en raison de la distorsion du plan focal. Les caméras Blackfly S équipées des nouveaux capteurs polarisés sur capteur de Sony répondent à ce problème en fournissant une mémoire analogique à l’intérieur de chaque pixel, fournissant une fonction d’obturateur globale permettant des images de haute qualité sans distorsion du plan focal.

Lecture complémentaire :

La lumière est une onde électromagnétique transversale. En se propageant, elle oscille perpendiculairement à la direction de propagation. La plupart des sources lumineuses émettent une lumière non polarisée, dont toutes les ondes oscillent à des angles aléatoires. Lorsque la lumière est alignée de sorte que la plupart des ondes oscillent selon un angle précis, on dit qu’elle est polarisée. La polarisation circulaire est également possible, même si elle dépasse le cadre de ce guide.

Lumière non polarisée oscillant à des angles aléatoires contre lumière polarisée alignée sur un angle

Filtres polarisants

Les filtres polarisants constituent la base de la plupart des technologies de lumière polarisée. En alignant une série de fentes étroites, les filtres polarisants font passer la lumière qui oscille perpendiculairement aux fentes tout en bloquant la lumière qui oscille parallèlement à celles-ci.

Le filtre polarisant passe le faisceau jaune qui est parallèle à l’axe du polariseur (ou perpendiculaire à l’angle des fentes) et bloque le faisceau bleu aligné perpendiculairement à l’axe de polarisation (ou parallèle à l’angle des fentes).

Les applications industrielles reposent fréquemment sur une paire de filtres polarisants ; l'un qui crée une source de lumière polarisée et l'autre qui ne laisse passer que la lumière polarisée alignée sur une orientation spécifique. Ces systèmes nécessitent généralement des filtres parfaitement alignés et un éclairage hautement contrôlé. Ils ne sont sensibles qu'à un angle de lumière polarisée.

Au fur et à mesure de la rotation du filtre polarisant, l’intensité de la lumière qu’il fait passer augmente à mesure qu’il s’aligne et diminue au fur et à mesure qu’il se déplace au-delà de l’angle d’alignement.

Lorsque vous faites pivoter un filtre polarisant aligné sur l’angle de l’onde bleue, celui-ci commence à bloquer l’onde bleue et passe à l’onde orange.

Lorsqu'il est tracé, le changement d'intensité par rapport à l'orientation du polariseur est similaire à une fonction sinusoïdale. Le rapport entre les intensités les plus élevées et les plus faibles est appelé le taux d'extinction.

En raison de la nature transversale de la lumière, les angles de polarisation ne peuvent dépasser 180 °. Les fentes d’un filtre polarisant étant toutes parallèles, la rotation d’un filtre de 180 ° le ramène à son orientation initiale. Cela explique pourquoi l'intensité augmente et diminue deux fois lorsque le filtre pivote sur 360 °.

Comment la lumière se polarise-t-elle ?

La lumière peut être polarisée en émettant directement depuis une source cohérente, en passant à travers un filtre polarisant ou en réfléchissant sur une surface non métallique. L’angle de la lumière polarisée réfléchie par l’eau ou une surface polie est parallèle à la surface.

L'angle de la lumière polarisée peut changer à mesure qu'elle traverse certains matériaux optiquement actifs, tels que des molécules biologiques et des produits pharmaceutiques.

Paramètres de Stokes

Les quatre paramètres de Stokes sont un moyen pratique de décrire l'état de polarisation d'un faisceau lumineux. Les paramètres de Stokes sont à la base de nombreux calculs et algorithmes de polarimétrie. Les utilisateurs souhaitant adapter des techniques existantes ou créer leurs propres techniques doivent savoir comment déterminer les paramètres Stokes sur l’IMX250MZR.

S0 est l'intensité du faisceau lumineux. Sur l'IMX250MZR, ceci est calculé en ajoutant les intensités des pixels polarisés verticalement et horizontalement.

S1 est la différence entre les composantes horizontale et verticale. Les valeurs positives sont polarisées linéairement et horizontalement tandis que les valeurs négatives sont polarisées linéairement et verticalement.

S2 est le composant à 45 °. Les valeurs positives sont polarisées linéairement à 45 °. Les valeurs négatives sont polarisées linéairement à -45 ° (soit 135 °).

S3 est la composante de polarisation circulaire. Bien que ce paramètre ne soit pas mesuré par l’IMX250MZR, il peut souvent être estimé avec précision. Dans les environnements extérieurs et à éclairage passif, S3 est supposé être égal à 0, car la lumière solaire n'est pas polarisée et la réflexion ou la diffusion de la lumière solaire ne produit qu'une polarisation linéaire.

Dans les environnements à illumination active contrôlée, il est possible d'éliminer toutes les sources de lumière non polarisée, permettant ainsi de caractériser la composante circulaire.

Les paramètres de Stokes S1, S2 et S3 sont fréquemment représentés sous la forme d'un ensemble de coordonnées sphériques associées à une sphère de Poincaré. Cette notation est un moyen pratique de comprendre la contribution relative de chacune des composantes polarisées d'un faisceau lumineux à son état de polarisation global.

Sphère de Poincaré. En extérieur, on peut estimer que la composante S3 est égale à 0. L’intensité, Ip est égale à 1.

Les paramètres de Stokes peuvent être utilisés pour calculer des paramètres polarimétriques et améliorer considérablement l'imagerie du spectre visible.

Degré de polarisation linéaire

Le degré de polarisation linéaire (DoLP) est le principal moyen d'interpréter les données de polarisation. Le DoLP constitue la proportion de lumière polarisée à un pixel donné. Une source de lumière parfaitement polarisée aura un DoLP de 100 %, tandis que la lumière non polarisée aura un DoLP de 0%.

Différence entre un DoLP de 100 % et un DoLP de 0 %

Angle de polarisation linéaire (AoLP)

L'angle de polarisation linéaire (AoLP) est l'angle de polarisation moyen de la lumière pour un pixel donné. Si le DoLP est faible, seule une petite quantité de lumière sera polarisée. Dans ce cas, les valeurs AoLP résultantes afficheront un bruit spatial et temporel clair. Ceci est analogue à un signal de faible intensité amplifié avec un gain élevé. À mesure que le DoLP augmente, les valeurs AoLP deviendront moins bruyantes.