Que ce soit pour la photographie ou les applications d’imagerie, les filtres polarisants sont des dispositifs optiques couramment utilisés pour réduire l’éblouissement, minimiser les reflets et améliorer le contraste de l’image. Classiquement, ces filtres sont placés devant l’objectif de l’appareil photo ou de la caméra via différents dispositifs. Des tentatives ont été menées pour ajouter des polariseurs directement à l’intérieur des appareils afin de réduire l’usage des accessoires externes souvent fragiles.
Sony vient de concrétiser cette idée par le développement d’une nouvelle gamme de capteurs CMOS intégrant des filtres polarisants. De nouvelles perspectives s’ouvrent maintenant pour les applications à lumière polarisée. Parmi les applications qui profiteraient de ces nouvelles catégories de caméras, citons l’analyse des contraintes, l’amélioration du contraste, la détection d’éraflures ou d’objets à partir d’une seule prise d’image.
Capteur polarisé doté de quatre directions de polarisation et de la fonction ‘global shutter’
Grâce à sa technologie Polarsens, Sony Semiconductor Solutions propose un capteur d’image1 polarisé doté de pixels de 3.45 µm x 3.45 µm et d’un polariseur quadri directionnel intégré sur la photodiode du capteur.
En plus de capter la luminosité et la couleur, ce capteur peut également capturer les informations de polarisation qui ne peuvent pas être détectées avec un capteur d’image classique. Le capteur polarisé peut être utilisé dans de nombreuses applications du secteur industriel, telle que l’inspection automatisée lorsque la visibilité et la détection sont difficiles.
(1) Sony propose des modèles 5 mégapixels (IMX250MZR/MYR) lancés en Septembre/Décembre 2018 et 12 mégapixels (IMX253MZR/MYR) prévus pour Septembre/Octobre 2019 ; MZR pour la version monochrome, MYR pour la couleur.
Un polariseur à quatre directions est intégré au capteur d’image
Le capteur polarisé de Sony peut prendre une image polarisée suivant quatre directions en une seule prise (Fig.1). Il permet le calcul de la direction et du degré de polarisation en fonction de l’intensité reçue par chaque direction de polarisation. Avec une puissance de calcul suffisante, il est possible d’obtenir les informations de polarisation en temps réel.
Le polariseur est intégré sur la puce sous la couche de micro-lentilles
Avec les types classiques de capteurs polarisés, le polariseur est placé au-dessus de la couche de micro-lentilles (Fig.2). En revanche, avec le capteur Sony, le polariseur est positionné sur la puce sous la couche de micro-lentilles (Fig. 3). Plus la distance est courte entre le polariseur et la photodiode meilleurs sont le taux d’extinction2 et la dépendance à l’angle d’incidence.
Puisque le polariseur est intégré pendant le processus de fabrication du semi-conducteur, la forme et la formulation du polariseur, l’uniformité, la productivité en masse et la durabilité sont excellentes comparées aux capteurs polarisés conventionnels. De plus, le capteur polarisé de Sony est recouvert d’une couche antireflet qui aide à réduire la réflectance et supprime la lumière parasite et les images fantômes.
(2) Le taux d’extinction est le rapport entre la sensibilité de la lumière de l’axe de transmission et la sensibilité de la lumière de l’axe d’extinction. Plus le nombre est élevé, meilleures sont les spécifications et les performances.
Fonction Global Shutter
Les applications industrielles nécessitent la capture d’image d’objets se déplaçant rapidement. Cependant, certains capteurs CMOS actuels ne sont pas en mesure de produire une image sans déformation des objets en mouvement en raison du mode d’exposition des pixels du type Rolling Shutter. Les capteurs Sony résolvent ce problème en incluant une mémoire analogique à chaque pixel et en exposant les pixels simultanément (mode Global Shutter), ce qui permet une qualité d’image optimale sans distorsion de l’image.
Fréquence d’image élevée
La conversion analogique / numérique en parallèle des colonnes du capteur CMOS permet d’obtenir des images à haute vitesse : jusqu’à 163.4 images/s pour les modèles 5 mégapixels (IMX250MZR/MYR), et 68.3 images/s pour les modèles 12 mégapixels (IMX253MZR/MYR).
Mode ROI et mode Trigger
Les capteurs polarisés sont dotés de nombreuses fonctions nécessaires aux applications industrielles, telles que le mode ROI et le mode Trigger. Le mode ROI permet de définir des régions d’intérêt, jusqu’à 8 × 8 = 64 emplacements pour le capteur IMX250MZR/MYR. En plus il permet le chevauchement des régions spécifiées.
Par ailleurs diverses méthodes d’exposition sont fournies pour le mode Trigger qui contrôle le temps d’exposition à l’aide d’un signal impulsionnel externe.
Qu’est-ce que la polarisation ?
La lumière comporte plusieurs éléments physiques : la luminosité (amplitude), la couleur (longueur d’onde) et la polarisation (direction de la vibration). La lumière du soleil ou celle des lampes fluorescentes vibre dans différentes directions et est appelée « lumière non polarisée ».
Degré et direction de polarisation
La polarisation a deux informations physiques, qui sont le degré de polarisation et la direction de la polarisation. Ces informations peuvent être utilisées pour diverses applications telles que la détection des rayures de surface, l’inspection de particules, la distorsion et la reconnaissance de forme.
Exemple d’utilisation du Degré de Polarisation
La lumière est réfléchie par la surface de l’objet sous forme de rayons lumineux plus ou moins polarisés. Le Degré de Polarisation de la lumière réfléchie dépend de l’état de la surface (matériau, couleur, rugosité, etc.) et de l’angle de réflexion.
Dans l’image de Degré de Polarisation (Fig.6), le blanc correspond à une polarisation élevée et le noir à une polarisation faible.
Par exemple, le point de couture est facilement visible en raison de la différence de degré de polarisation du fil et du cuir.
Exemple d’utilisation de la Direction de Polarisation
La direction de polarisation fournit les informations de direction du plan de réflexion d’un objet.
L’image de la Direction de Polarisation (Fig.8) montre l’angle de la direction de polarisation en couleur à l’aide de la cartographie couleurs HSV (Fig.9).
Dans cet exemple, la partie supérieure du cube est mise en surbrillance bleu clair, ce qui signifie que l’angle de la direction de polarisation est de 90 degrés.
Etudes de cas
- Inspection du verre (rayures et taches)
Ces deux images montrent des bosses et des poussières sur une plaque de verre homogène. Nous pouvons facilement trouver des rayures et des taches (empreintes digitales et poussières) grâce aux différences de degré de polarisation.
- Inspection du remplissage de tablette
Grâce à la différence de degré de polarisation entre la tablette et l’emballage en aluminium, il est facile d’identifier si les tablettes sont remplies ou non.
- Inspection de distorsion
Avec les informations de direction de polarisation, nous pouvons identifier à la fois les distorsions et la direction de distorsion du plan.
- Suppression des reflets
Les informations de polarisation peuvent être utilisées pour supprimer les reflets sur le pare-brise. Le capteur polarisé de Sony qui est doté d’un polariseur à quatre directions, peut simultanément éliminer les réflexions dans les plans multiples.
Découvrez la première caméra Sony XCG-CP510 avec capteur polarisé
NB : Toutes les images ont été générées par la carte d’évaluation du capteur polarisé de Sony Semiconductor Solutions.