La conception technique d’un objectif
Quels sont les types d’objectifs disponibles ?
En règle générale, une distinction est faite entre les objectifs entocentriques et télécentriques :
Objectifs entocentriques
Les objectifs entocentriques font partie des types d’objectifs les plus couramment utilisés dans le traitement d’images industriel. Les distances focales fixes et les objectifs zoom sont basés sur ce principe optique qui se rapproche de la perception naturelle de l’œil humain.
Avec un objectif normal entocentrique, l’angle d’ouverture reste constant, qu’il soit orienté vers l’objet ou le capteur. En revanche, l’angle d’ouverture peut varier avec les objectifs zoom entocentriques. Les objectifs normaux sont des objectifs dont l’angle d’ouverture correspond à environ 50 degrés à celui de l’œil humain.
Caractéristiques
Avec les objectifs entocentriques, les objets plus proches de la caméra semblent plus grands, tandis que les objets plus éloignés semblent plus petits. Cela permet d’ajuster facilement le cadrage de l’image, même avec des distances focales fixes. Plus l’objet est éloigné, plus la section de l’image est grande et plus l’objet est proche, plus il est petit.
La distance de travail peut être réduite jusqu’à la distance minimale de l’objet (MOD) spécifiée par le fabricant. L’insertion de bagues intermédiaires permet de réduire davantage cet écart, ce qui peut toutefois entraîner des erreurs d’image optiques. Cet effet est particulièrement difficile avec les objectifs grand angle. L’objet au centre de l’image est certes saisi verticalement, mais l’angle de vue se déplace de plus en plus vers les bords de l’image. Cet effet peut être réduit en fermant le diaphragme et en augmentant ainsi la profondeur de champ.
Applications d’objectifs entocentriques
Objectifs télécentriques
Les objectifs télécentriques sont principalement utilisés dans les applications de mesure de précision, en particulier lorsque la position de l’objet dans le champ visuel change dans les directions X et Y et que des résultats sans distorsion sont néanmoins nécessaires.
Avec ces optiques, l’angle d’ouverture est presque nul dans une plage définie. Ainsi, les faisceaux lumineux sont presque parallèles à l’axe optique, ce qui évite les distorsions de perspective. Ainsi, l’image reste constante sur l’ensemble du champ de vision, que l’objet soit plus proche de la caméra ou plus éloigné. Les objectifs télecentriques sont particulièrement adaptés aux mesures précises de longueur, de largeur et de position où une échelle d’image constante est essentielle.
Contrairement aux objectifs entocentriques, les systèmes télécentriques ne se concentrent pas seulement sur le centre de l’image, mais aussi sur les bords de l’image perpendiculairement à l’objet.
Applications des objectifs télécentriques
Les optiques télecentriques sont particulièrement utilisées pour les tâches de mesure ou d’inspection :
Comparaison de structures à différents niveaux d’objets
Par exemple, lors de la mesure d’alésages sur le dessus et le dessous d’une pièce, l’optique télecentrique garantit une échelle d’image uniforme et permet des mesures comparatives fiables.Espacement variable des objets en cas d’introduction imprécise
Si la distance entre l’objectif et l’objet n’est pas reproductible avec précision, par exemple en raison de tolérances dans l’introduction ou le positionnement, l’image reste à l’échelle avec une optique télécentrique.Inspection et mesure de trous et de contours intérieurs
L’optique télecentrique permet de représenter des trous ou des creux sans distorsion de perspective et sans visibilité sur les parois inclinées. Les contours restent précis, ce qui est particulièrement important pour des mesures de position précises, des contrôles de diamètre ou des contrôles qualité.
Pour un éclairage optimal de telles applications, il est recommandé d’utiliser des éclairages plans. Ceux-ci assurent un éclairage homogène et sans ombre.
Comparaison directe entre les objectifs entocentriques et télécentriques
| Objectif entocentrique | Objectif télécentrique | |
|---|---|---|
| Angle d’ouverture | env. 50 °C | Près de 0 °C (parallèle) |
| Distorsion de perspective | Oui | Non |
| Échelle de l’image | Variable en cas de changement de profondeur | Constante |
| Précision de mesure | Limitée | Très élevée |
| Représentation des parois latérales | Possible (par ex. avec Fisheye) | Impossible |
| Application types | Inspection visuelle, applications générales | Technique de mesure précise |
Les critères de sélection décisifs pour choisir l’objectif adapté
Distance de travail
Taille de l’objet
Dimensions du capteur
La taille du capteur spécifiée par la caméra a une influence directe sur la taille de l’image et est décisive pour le choix de l’optique appropriée. Les capteurs plus grands nécessitent généralement des objectifs plus grands et de meilleure qualité pour éclairer toute la surface de détection et garantir une qualité d’image élevée.
Distance entre l’optique et le capteur
La distance entre l’optique et le capteur est définie par le fabricant de la caméra et le filetage de raccord utilisé. Il existe différentes dimensions d’appui. De plus, la distance peut être adaptée en utilisant des bagues intermédiaires et des dopplers de distance focale.
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*La distance de travail décrit la distance entre le bord avant de l’optique et la surface de l’objet à contrôler.
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Autres critères de décision
Une optique de haute qualité doit être adaptée à la caméra, à son capteur d’image ainsi qu’à l’utilisation prévue. Différentes exigences de qualité optique doivent être prises en compte en fonction de l’application, comme les mesures, les tests de couleur, l’inspection par rayonnement infrarouge, les applications robotisées ou les contrôles de présence.
Les principaux paramètres de réglage et critères de décision lors de la sélection d’un objectif sont :
Résolution du capteur et taille de pixel
Pour une qualité d’image optimale, il est essentiel d’aligner le capteur et l’objectif. L’objectif doit avoir une qualité optique élevée pour fournir des détails précis sur le capteur d’image. La taille de pixel joue ici un rôle central : Plus les pixels sont petits, plus la résolution et la performance d’imagerie de l’objectif doivent être élevées pour exploiter pleinement les performances du capteur.
Les technologies de fabrication modernes permettent des capteurs de plus en plus compacts avec des structures de pixels plus fines. Cette tendance vers des capteurs et des pixels plus petits augmente la densité d’intégration et permet une utilisation plus efficace des matériaux. Parallèlement, les progrès réalisés en matière de sensibilité à la lumière et de réduction du bruit améliorent la qualité de l’image, même avec de petits pixels.
En règle générale, les capteurs plus grands avec des pixels plus grands fournissent souvent un meilleur rendement lumineux et une meilleure qualité d’image, mais nécessitent plus d’espace et sont généralement plus coûteux.
Influence de la taille de pixel et de la résolution de l’objectif sur la qualité de l’image
Le graphique correspondant montre la relation entre la taille de pixel d’un capteur de caméra et la résolution optique de l’objectif utilisé. Dans les deux exemples, la taille du capteur reste constante, tandis que la taille de pixel diminue et la résolution totale augmente en conséquence.
Pour les capteurs à faible résolution, c’est-à-dire avec des pixels plus grands, il n’y a généralement pas de différences significatives dans le résultat d’image entre les différents objectifs. Cependant, à mesure que la taille de pixel diminue, les exigences en matière de performance d’imagerie de l’objectif augmentent. Dans ce cas, la qualité optique de l’objectif peut considérablement contribuer à la netteté de l’image et à la fidélité des détails.
Si la résolution du capteur dépasse les performances optiques de l’objectif, cela peut affecter visiblement la qualité de l’image. En revanche, si la densité de pixels se situe dans la plage de fréquence limite transmissible par l’objectif, le capteur peut être utilisé efficacement.
La qualité d’image globale d’un système de caméra n’est donc pas déterminée uniquement par le capteur, mais par l’interaction de tous les composants optiques et électroniques. Une conception adaptée du système est donc cruciale pour une capture fiable des structures fines dans les applications de traitement d’images exigeantes.
Diamètre du cercle d’image
Le diamètre du cercle d’image peut varier pour les objectifs ayant le même standard de raccord, par ex. la monture C. Le cercle d’image désigne la zone qu’un objectif éclaire uniformément sans ombrage des bords ou perte de luminosité notable.
Pour un éclairage complet et homogène de la surface de détection, le diamètre du cercle d’image de l’objectif doit correspondre au moins à la taille du capteur.
Il est également possible d’utiliser des objectifs avec un diamètre d’image plus grand. Ils modifient l’angle d’image et sont généralement associés à des dimensions plus importantes et à des coûts plus élevés, sans améliorer la qualité de l’image tout en conservant la taille du capteur.
Réglage du diaphragme
Le diaphragme est l’ouverture variable de l’objectif par laquelle la lumière atteint le capteur. Leur taille est contrôlée par un ensemble de lamelles superposées et correspond fonctionnellement à la pupille de l’œil humain. Un diaphragme plus petit (valeur de diaphragme plus élevée) réduit la quantité de lumière, prolonge le temps d’exposition et augmente la profondeur de champ. Un diaphragme plus grand (valeur de diaphragme plus faible) laisse passer plus de lumière, permet des temps d’exposition plus courts, mais réduit la profondeur de champ.
Le diaphragme a une influence directe sur :
le temps d’exposition de la caméra
la profondeur de champ dans l’image
Profondeur de champ
La profondeur de champ désigne la zone le long de l’axe optique dans laquelle les objets de l’image sont suffisamment nets. Elle dépend de l’ouverture du diaphragme, de la distance focale et de l’échelle de l’image. Pour les tâches de contrôle et de mesure, il est essentiel que toutes les caractéristiques pertinentes se trouvent dans cette plage. Dans les systèmes de caméras fixes, la profondeur de champ est principalement contrôlée par l’ouverture du diaphragme : Un diaphragme plus petit (valeur de diaphragme plus élevée) augmente la profondeur de champ, mais réduit la quantité de lumière et nécessite des temps d’exposition plus longs. Une image est considérée comme nette tant que le flou reste inférieur à la taille de pixel du capteur.
Distance minimale de l’objet (MOD)
Le MOD désigne la distance la plus courte entre la lentille avant d’un objectif et l’objet sur laquelle une mise au point nette est encore possible. Elle est déterminée par la conception optique, la distance focale et la mécanique de l’objectif.
Les objectifs grand angle ont généralement un MOD plus faible. Une diminution est également possible par l’obscurcissement ou l’utilisation de bagues intermédiaires qui augmentent la distance de l’objet par rapport au capteur et réduisent ainsi la limite de réglage de proximité.
Bagues intermédiaires
Des bagues intermédiaires sont montées entre l’objectif et la caméra et augmentent la distance entre le capteur et le groupe d’objectifs (largeur d’image). Cela permet de réduire la limite de mise au point proche de l’objectif. L’objet peut être approché plus près de l’optique et le champ d’objet représenté devient plus petit. Ainsi, même de très petites sections d’image, par exemple dans la plage de 9 mm × 6 mm, peuvent être capturées de manière nette avec des objectifs standard. Les bagues intermédiaires offrent ainsi une possibilité efficace de prise de vue rapprochée et peuvent constituer une alternative aux macroobjectifs.
Vignettage
Le vignettage désigne l’obscurcissement des bords d’une image, ce qui peut fausser les résultats de mesure et compliquer la détection d’objet, en particulier dans le cas d’algorithmes basés sur des images binaires.
Pour réduire cet effet, il est recommandé soit d’utiliser une ouverture de diaphragme plus petite, soit d’opter pour un éclairage puissant et uniforme. Cela permet de minimiser les rayons périphériques plats qui sont généralement responsables de l’obscurcissement.
