Une source de lumière RVB multiplexée à bande étroite
Un éclairage multiplexé à bande étroite offre plusieurs avantages par rapport aux sources de lumière blanche traditionnelles à large bande :
Réduction des aberrations chromatiques
Les aberrations chromatiques sont causées par des longueurs d’onde différentes qui se focalisent à des profondeurs différentes.
L’utilisation de longueurs d’onde à bande étroite permet d’obtenir des images plus nettes et plus précises.Augmentation de la saturation et du contraste
La lumière à bande étroite garantit que chaque pixel d’une certaine couleur (filtre rouge, vert ou bleu) sur le capteur capte le minimum de lumière parasite provenant des autres couleurs de la source lumineuse.
Cela donne des couleurs plus vives et des images à contraste élevé.Sélection personnalisable des longueurs d’onde
Avec la bonne combinaison de LEDs et de filtres, il est possible de sélectionner des longueurs d’onde spécifiques.
Celles-ci peuvent être choisies pour correspondre à la sensibilité maximale du filtre Bayer de la caméra, maximisant ainsi le rapport signal/bruit et la précision des couleurs.Illumination monochromatique
Lorsque chaque LED de couleur est contrôlée électroniquement, il est possible d’alterner entre chaque longueur d’onde indépendamment pour éviter les artefacts induits par le filtre Bayer de la caméra.
Résultats
Voici quelques résultats comparant l’éclairage en lumière blanche, RVB à large bande et RVB à bande étroite :
Toutes les images ont été capturées directement à partir du flux brut (RAW12) de la caméra.
Les couleurs originales sont non traitées (Gimp > Couleurs > Auto > Balance des blancs).
Les couleurs ajustées utilisent l’outil “Niveaux” de Gimp.
Un dématriçage (debayer) à quart de résolution a été appliqué.
L’empilement de mise au point (focus stacking) a été utilisé.
L’objectif utilisé est un Olympus MPlanFL N 5x/0.15 avec une lentille de tube BH2-MA.
Ce n’est pas une combinaison optimale et cela induira plus d’aberrations chromatiques.
Néanmoins, l’éclairage monochromatique à bande étroite permet de tout corriger.
| Lumière blanche | |
| (Couleurs originales) | (Couleurs ajustées) |
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On peut voir que la lumière RVB à bande étroite (FWHM = 15 nm) donne des images beaucoup plus colorées. Les images monochromatiques combinées ont également une saturation plus élevée que celles multiplexées.
Avec un éclairage monochromatique à bande étroite combiné et la bonne combinaison de longueurs d’onde, il est possible d’obtenir des résultats impressionnants.
STM32F103C6T6A en fausses couleurs.
R=446nm, V=550nm, B=660nm, FWHM=15nm
Interférence par couche mince
Avec une illumination RVB à bande étroite (gauche), les interférences ont un contraste beaucoup plus élevé qu’avec une lumière blanche (droite).
Résultats dans les longueurs d’onde bleues
Les résultats les plus impressionnants sont obtenus dans les longueurs d’onde bleues.
Utiliser une LED bleue à la place de la LED blanche améliore légèrement les résultats. Mais la combiner avec un filtre passe-bande étroit permet d’obtenir des résultats comparables à ceux obtenus avec un objectif apochromatique.
Contournement des limites du filtre Bayer
Les filtres Bayer sur les capteurs CMOS sont larges (environ 100 nm).
Exemple avec le Sony IMX477 :
| Canal | λ1 (début) | λ2 (fin) | FWHM | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bleu | 400 nm | 505 nm | 105 nm | |||||
| Vert | 478 nm | 598 nm | 120 nm | |||||
| Rouge | 580 nm | 700 nm | 120 nm | |||||
| B/V crosstalk | 472 nm | 512 nm | 40 nm | |||||
| V/R crosstalk | 576 nm | 614 nm | 38 nm |
Avec l’éclairage traditionnel, les longueurs d’onde se mélangent et traversent le filtre Bayer, causant :
Couleurs désaturées
Le crosstalk entre pixels du filtre Bayer conduit à des couleurs plus ternes / moins colorées.Images fantômes
Les aberrations chromatiques latérales et le crosstalk peuvent faire “baver” un canal de couleur sur un autre, créant des images fantômes et dégradant la qualité globale de l’image.Résolution réduite
Pour les objectifs non-apochromatiques (qui ne corrigent pas les aberrations chromatiques sur tout le spectre visible), les différentes longueurs d’onde se focalisent sur des plans différents. Cela peut considérablement réduire la résolution spatiale avec un éclairage à large bande.
Multiplexage RVB
Il existe plusieurs façons de combiner différentes LED.
Séparateurs de faisceau
Une solution consiste à utiliser deux séparateurs de faisceau, mais environ 2/3 de la lumière sera tout de même perdue.Fibre optique
Zeptobars utilise de la fibre optique, mais cette méthode est sous-optimale et la majeure partie de la lumière est perdue.Miroirs dichroïques
La solution la plus efficace est d’utiliser des miroirs dichroïques. Dans ce cas, presque aucune lumière n’est perdue, mais les miroirs doivent être adaptés aux LED et peuvent être coûteux.
Une autre solution abordable est de récupérer un X-Cube provenant d’un projecteur 3-LCD pour pièces.
Lumière RVB avec X-Cube
Une solution simple : monter des LED RVB collimatées sur un X-Cube.
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| X-Cube trouvé dans un projecteur 3-LCD Sony VPL X1000 | |
Le design du support LED provient du projet PUMA. C’est une manière modulaire d’obtenir un faisceau collimaté à partir d’une LED de 3W.
Illumination monochromatique
Utiliser une source lumineuse RVB à bande étroite multiplexée plutôt qu’une lumière blanche traditionnelle améliore significativement la qualité des images :
- Saturation plus élevée
- Interférences plus visibles
- Meilleure qualité sur le canal bleu avec des objectifs achromatiques
Cependant, le crosstalk entre les pixels du filtre Bayer dégrade toujours l’image.
Illumination séquentielle
Une solution à ce problème est d’éclairer une seule LED à la fois, de capturer une image pour chaque canal de couleur séparément (R, V, B), puis de les composer en une image couleur.
Bien que cette méthode soit environ trois fois plus lente, elle offre plusieurs avantages :
Contrôle d’exposition indépendant
Il est possible de définir des réglages d’exposition/gain indépendants pour chaque canal afin de compenser les différences de luminosité entre chaque LED.Imagerie multispectrale
Il est possible de remplacer chaque LED par d’autres longueurs d’onde compatibles avec le X-Cube, par exemple violet, cyan, jaune.Suppression des aberrations chromatiques
En utilisant de l’empilement de mise au point (focus stacking) et alignement les canaux, cette technique permet de corriger complètement toute aberration chromatique.Possibilité d’utiliser un capteur monochrome
Associée à une caméra monochrome, cette méthode produit des images couleur complètes sans les inconvénients d’un filtre Bayer.
Crosstalk entre pixels
Le crosstalk avec illumination multiplexée RVB réduit le contraste et la saturation.
Les résultats sont similaires sans aucun filtre passe-bande.
Avec des échantillons à fort contraste, des artefacts d’aberrations latérales deviennent visibles.
Remarque : L’objectif Nikon CF Plan EPI 10x utilisé ici n’est pas optimal avec la lentille tube BH2-MA.
| 1- White | 2- Wide | 3- Wide | 4- Narrow | 5- Narrow |
|---|---|---|---|---|
| Blue channel | Blue channel | Blue mono | Blue channel | Blue mono |
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Zone coupée au centre du champ de vision (presque aucune aberration chromatique latérale). |
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| 1- White | 2- Wide | 3- Wide | 4- Narrow | 5- Narrow |
| Blue channel | Blue channel | Blue mono | Blue channel | Blue mono |
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Zone coupée à gauche du champ de vision (avec aberrations chromatiques latérales). |
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LED blanche, canal bleu uniquement.
On observe beaucoup de halo causé par les aberrations chromatiques.LEDs RVB large bande, canal bleu uniquement.
Comme avec la LED blanche, mais avec moins de halo.LED bleue large bande, lumière monochromatique.
Presque plus de halo. La lumière monochromatique est très efficace pour éliminer les aberrations.LEDs RVB à bande étroite, canal bleu uniquement.
Plus de halo, mais apparition d’une image fantôme due aux aberrations chromatiques latérales.LED bleue à bande étroite, lumière monochromatique.
Plus aucun halo ni image fantôme.
LED utilisées
LEDs utilisées : Royal Blue, Deep Green et Deep Red.
Voici le spectre à travers la caméra couleur. On voit clairement le filtre anti-IR en action à 665 nm.
Large bande RVB
Voici le spectre de l’éclairage à bande étroite. Des filtres passe-bande étroits sont utilisés en combinaison avec les LED précédentes.
Bande étroite RVB
Limitations
- Temps d’exposition plus longs à cause des filtres
- Plus la bande est étroite, moins il y a de lumière disponible
Pour les objectifs à grande ouverture numérique, des filtres de 25-30 nm FWHM sont utilisés au lieu de 10-15 nm.