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Une mise au point à la vitesse de l’éclair

Les lentilles à focale variable permettent une mise au point rapide dans les applications de vision industrielle, dans lesquelles la distance de travail entre l’objet et le système de caméra varie fréquemment.

Dans la production en grande série, en général, la distance de travail entre l’objet et le système de caméra ne varie pas ou très peu. Dans ces cas, la conception optique d’un système de vision est relativement simple : à partir de la distance effective de travail et de la résolution souhaitée, les paramètres optiques du système sont calculés pour choisir ensuite les composants appropriés et incorporer le système dans l’installation. Le système effectue ensuite sa tâche sans autres adaptations. En cas de produits à géométrie différente, il faudra à nouveau adapter le système qui fonctionnera sans autre intervention jusqu’au prochain changement.

Il arrive cependant assez fréquemment que la distance de travail varie au sein d’une même application. Dans certains cas extrêmes, la distance entre la pièce à contrôler et la caméra peut même varier d’une pièce à l’autre. C’est le cas par exemple pour la lecture d’adresses sur des paquets dont la hauteur varie constamment. Pour recueillir les informations souhaitées de façon toujours nette, il faudrait pouvoir modifier la distance de travail ou la focale de l’optique pour chaque paquet, ce qui est mécaniquement difficile à réaliser à la vitesse requise.

Certes, les systèmes optiques traditionnels permettent, dans certaines limites, une mise au point en fonction de la distance requise. Pour cela, une ou plusieurs lentilles doivent être déplacées le long de l’axe optique, ce qui implique l’usage de moteurs et guidages mécaniques, limitant non seulement la taille du système et le temps de réponse, mais aussi la robustesse et la durée de vie d’un système.

Courbure variable de la lentille

Pour de telles applications, les lentilles à focale variable comme p.ex. Optotune EL offrent une solution alternative intéressante. La technique utilisée ici repose sur une courbure variable de la lentille constituée d’une membrane remplie d’un liquide. En faisant varier la pression à l’intérieur de la lentille, on peut ainsi régler la courbure. Une modification du rayon de courbure de la lentille de quelques microns peut déjà produire le même effet optique qu’un déplacement mécanique d’une lentille de plusieurs centimètres. Les systèmes optiques peuvent ainsi être plus compacts, utilisant souvent moins de lentilles et sans mouvement translatoire.

L’entreprise suisse Optotune s’est spécialisée dans le développement de telles lentilles à focale variable. L’entreprise a mis en œuvre un réglage des éléments électro-optiques par une commande de courant via un actionneur électromagnétique. La modification de la puissance optique (mesurée en dioptries) est linéaire par rapport au courant transmis, reproductible et exempte d’hystérésis.

Bien sûr, le rapport entre la puissance optique et le courant varie, dans les limites de tolérance de production, d’une lentille à l’autre, et les variations de température ont également une influence. Cependant, pour permettre une commande précise de la puissance optique, les lentilles d’Optotune contiennent un capteur de température, sur lequel les données d’étalonnage de la lentille respective sont enregistrées. Avec le pilote électrique également proposé, on peut atteindre une précision absolue de 0,1 dioptries. La communication avec le pilote s’effectue par une connexion USB et un protocole série, qui peut être implémenté dans différents langages de programmation. Le code source pour l’excitation est disponible dans C# et Labview. Un autre pilote électrique avec des interfaces GigE, RS232 et analogiques est proposé par l’entreprise britannique Gardasoft. Pour simplifier l’intégration du système pour les utilisateurs, Optotune collabore avec divers fabricants de caméra et différentes entreprises de logiciel dans le domaine de système de vision, pour pouvoir mettre en œuvre des fonctions d’autofocus intégrées.

Rapide et robuste

Les lentilles liquides offrent toute une série d’avantages. Elles ne requièrent aucun dispositif mécanique onéreux et permettent une conception plus robuste qui peut opérer avec une précision plus élevée que des solutions optiques à base mécanique. En ce qui concerne la vitesse et la fiabilité, les systèmes mécaniques d’autofocus montrent en effet souvent leurs limites, alors que les lentilles à focale variable effectuent une mise au point en quelques millisecondes, dans des situations où la distance de travail varie beaucoup, et assurent des milliards de cycles. D’une très grande étanchéité, elles ne laissent pénétrer aucune poussière, ce qui réduit la marge d’erreur durant la prise de vues et l’analyse.

Une autre propriété intéressante des lentilles à focale variable est la possibilité d’utiliser différents matériaux optiques. Un liquide à faible dispersion, avec un indice de réfraction de 1.300 et un nombre d’Abbe de 100, convient particulièrement pour les objectifs polychromatiques. Avec de telles lentilles, il ne se produit quasiment aucune aberration chromatique.

Pour cette raison, les lentilles à focale variable peuvent être combinées avec des objectifs standards pour former des systèmes d’autofocus de haute qualité, sans aucunes mesures supplémentaires de correction des couleurs.

Exemples d’utilisation

Un changement rapide de la distance de travail et donc une mise au point fréquente sont nécessaires à de nombreuses applications. Même dans le cadre d’Industrie 4.0, l’importance des lentilles à focale variable augmente : pour fournir des lots de différente taille, la ligne de production doit être équipée de systèmes qui peuvent réagir rapidement et de manière flexible aux géométries variables des pièces à contrôler.

Il existe aujourd’hui plusieurs exemples d’utilisation des éléments électro-optiques d’Optotune. Une des applications les plus évidentes pour les lentilles à focale variable est la lecture de codes-barres 2D, entre autres sur des objets de différente taille dans le secteur de la logistique, de la pharmacie et de l’automobile. Alors que les codes 1D peuvent être lus avec un laser, la lecture de codes 2D nécessite une caméra, car celle-ci offre des fonctions d’inspection et de mesure supplémentaires. Les lentilles à focale variable permettent dans ce cas une extension considérable de la zone de travail, de quelques mm à l’infini. Dans un montage type, la lentille à focale variable est montée directement devant l’objectif à distance focale fixe.

Il existe divers principes de commande : si la distance de l’objet au système est connue, on peut régler directement la distance de travail sous forme d’un circuit de régulation ouverte, en réglant la lentille à la distance focale correspondante. L’information de distance peut être fournie par un capteur approprié, ou bien, grâce à la programmation, le système sait quel objet est le prochain à contrôler. Dans ce dernier mode, on peut obtenir des temps de mise au point de la focale de 5 à 15 ms.

Si la distance n’est pas connue, on peut aussi faire fonctionner la lentille en mode d’oscillation. À basses fréquences de 5 Hz par ex., on peut enregistrer plusieurs images en paramétrant différentes distances de travail, jusqu’à ce que l’on réussisse à lire un code-barres. Cette solution n’est pas très rapide, mais elle est simple à mettre en place et peut être utilisée sans étalonnage.

À hautes fréquences (jusqu’à quelques centaines de Hz), on peut accorder l'ensemble de la zone de travail pendant la durée d’obturation. On obtient une image avec une profondeur de foyer agrandie, toutefois avec un contraste réduit, car les différentes « images » prises avec une focale différente pendant la durée d’obturation se superposent par addition. Néanmoins, les codes qui présentent un bon contraste peuvent être facilement identifiés.

Les lentilles Optotune se sont révélées également être un moyen très précieux dans les applications de contrôle des composantes optiques à plusieurs surfaces comme les lentilles de caméra des téléphones mobiles ou de comptage des particules dans un volume de liquide à trois dimensions.

Applications avec un agrandissement important

Dans les applications qui nécessitent un agrandissement important, la lentille à focale variable est généralement placée entre l’objectif et la lentille tubulaire. Le domaine Z qu’on peut atteindre dépend dans ce cas du facteur d’agrandissement. Un système type atteint, pour un agrandissement de 5 fois, un domaine Z de 16 mm. Si la lentille à focale variable est utilisée avec une source de courant de 12 bits, qui permet 4096 incréments, on peut atteindre une résolution axiale de 4 µm.

Un exemple d’application d’un tel système est le contrôle des cartes à circuits imprimés. La plupart des appareils d’inspection déplacent une caméra avec des entraînements mécaniques le long des axes X et Y. Du fait des distorsions des cartes à circuits imprimés, des problèmes d’alignement et du jeu mécanique, il est difficile de rester focalisé sur toute la zone à contrôler. Même avec un agrandissement de 10 fois, on peut effectuer une mise au point sans problème avec une lentille à focale variable grâce à un domaine Z de 4 mm. Ici aussi, on peut utiliser un capteur pour déterminer la distance de travail, dans la mesure où le circuit imprimé est plat au-delà du champ de vision. On peut aussi régler rapidement la netteté de différentes zones d’image avec des algorithmes d’autofocus.

Partie d’un système entier

STEMMER IMAGING distribue les lentilles à focale variable d’Optotune depuis quelques années. En combinaison avec toutes les autres composantes nécessaires comme les éclairages appropriés, les objectifs et les caméras, le pilote électrique de Gardasoft et des prestations de service utiles comme des études de faisabilité ou l’assistance pour la conception des systèmes, les spécialistes de la vision industrielle proposent ainsi un service complet pour simplifier l’utilisation de cette technologie. Grâce à la disponibilité de plus en plus répandue de l’électronique et des logiciels, l’intégration des lentilles à focale variable devient aussi simple que jamais.