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Choix d’un objectif en vision industrielle

Le rôle d’un système de vision industrielle est avant tout de produire une image de qualité qui permette de réaliser des mesures adéquates. De toute évidence, l’objectif ou les combinaisons d’objectifs utilisés dans le système jouent ici un rôle crucial pour assurer la qualité de l’image, et ont également un impact sur la vitesse, la précision de mesure, la reproductibilité et la fiabilité de l'analyse en aval.

La plupart des applications industrielles utilisent des objectifs à focale fixe avec des distances minimales de mise au point fixes (MOD), car, en général, ces paramètres varient peu. Conçus pour une structure bien définie, ils fournissent une image optimale. En alternative, il existe des objectifs à focale fixes dont l’unité de mise au point permet de varier très légèrement la valeur MOD. En raison d’une distance focale fixe, ces objectifs offrent une plage de grossissement relativement statique. Pour plus de stabilité, on utilise des boîtiers métalliques, largement utilisés pour la plupart des objectifs de vision industrielle.

Considérations de base dans le choix d’un objectif

Il existe une relation directe entre le capteur utilisé dans la caméra et l'objectif le plus approprié. Les paramètres tels que la taille du capteur et la taille des pixels sont d'une importance majeure. L'objectif doit en effet pouvoir éclairer la complète superficie du capteur afin d'éviter l'ombrage et le vignettage. Il doit également être capable de résoudre la taille des pixels. Plus la résolution optique d'un objectif est grande, plus les structures reproduites seront détaillées.

La qualité optique d'un objectif est déterminée par la fonction de transfert de modulation (MTF) qui définit le contraste en fonction de la finesse des détails à restituer. Elle décrit mathématiquement la comparaison entre le contraste des détails au niveau des bords de l’objet et le contraste des détails sur l’image. Afin d’assurer la représentation des détails d’un objet ainsi que la détection univoque des bords, le détail doit être reproduit sur environ 4 pixels. Ainsi, le grandissement (magnification) requis dépend de la résolution requise de l’objet et de la taille des pixels correspondante. L'objectif idéal devrait reproduire une image qui corresponde parfaitement à l'objet, y compris tous les détails et les variations de luminosité. En pratique, cela n'est jamais complètement possible, car les objectifs agissent comme des filtres passe-bas. La quantité d'atténuation de toute fréquence ou détail donné est classée en termes de MTF (image 1), et pour tout objectif, il existe un point où la modulation est nulle. Cette limite est généralement appelée limite de résolution et est généralement exprimée en paires de lignes par millimètre (lp / mm). Il n'est pas surprenant qu’avec l'énorme gamme de formats de capteurs et de résolutions disponibles en vision industrielle, et la multitude d'applications possibles, il existe également un très large choix d’objectifs, y compris de nombreux objectifs très spécialisés.

Les objectifs les plus couramment utilisés

Le type d’objectifs le plus couramment utilisé pour des capteurs ayant une résolution inférieure à environ un mégapixel est l’objectif universel avec une focale fixe standard de 4,5 à 100 mm. Ces objectifs sont optimisés pour la focalisation à l'infini et disposent d’une MTF de 70 à 90 lp / mm avec peu de distorsion et de vignettage. Les objectifs à focale plus courte produisent généralement des images à distorsion « fisheye ».

Les objectifs de précision, version haute-résolution des objectifs standards, offrent de meilleures performances de vision que les objectifs standards. Ils sont disponibles en général avec des longueurs focales allant jusqu'à 75 mm, un MTF supérieur à 120 lp / mm et une très faible distorsion (<0,1%). Ils sont particulièrement bien adaptés aux caméras avec une petite taille de pixels ou pour des applications de mesure précises.

Les objectifs macro sont disponibles pour de petits champs de vision, de la taille du capteur environ. Spécifiés en termes de grossissement par rapport au capteur de la caméra, ils sont optimisés pour la mise au point "rapprochée". Bien qu'ils présentent de très bonnes caractéristiques MTF et une distorsion négligeable, ils manquent de flexibilité car il n'est pas possible de changer l’ouverture ou la distance de travail.

À l'autre extrémité de l’échelle se trouvent les objectifs grand format, nécessaires lorsque les dimensions du capteur dépassent les dimensions possibles avec un objectif à monture C. Ils sont en général modulaires, composés de différents composants tels que des adaptateurs de focalisation, des supports hélicoïdaux et des entretoises.

Les objectifs télécentriques sont utilisés dans des applications de métrologie spécialisées pour éviter les variations dimensionnelles et géométriques des images. Ces objectifs ne souffrent pas de distorsion car ils collimatent la lumière qui y pénètre. Il en résulte des images avec un grandissement constant, quelle que soit la distance de l'objet, sans distorsion de perspective. En raison de la trajectoire parallèle du faisceau, l'ouverture à l’avant de l'objectif télécentrique doit avoir au moins le même diamètre que le champ de vision. Les objectifs pour de grands champs de vision sont ainsi plus grands et donc relativement coûteux.

Lentilles liquides réglables électriquement

Nouveauté dans le domaine des objectifs, les lentilles liquides réglables électriquement apportent de nombreux avantages à la vision industrielle. Elles sont composées d’une fine membrane élastique en polymère renfermant un liquide optique qui leur permet de changer de forme (image 2). Un actionneur commandé par des impulsions électriques presse de l'extérieur le liquide contenu à l'intérieur de la lentille, changeant ainsi sa courbure et permettant d’atteindre des temps de réponse extrêmement courts, de l’ordre de quelques millisecondes. Elles sont particulièrement utiles dans des applications où il est nécessaire de changer rapidement la mise au point, par exemple pour l’inspection de cartons de différentes hauteurs sur des convoyeurs. Ce principe unique permet de concevoir des systèmes optiques plus rapides et plus compacts, sans mécanique complexe. Un MTBF (temps moyen de bon fonctionnement) impressionnant dépassant le milliard de mouvements atteste d’une durée de vie très longue du système, car le réglage automatique de la lentille décharge les autres composants de tout mouvement. Ce dispositif optique est un atout incontestable pour la vision industrielle, et tout particulièrement pour la microscopie 3D ou les tâches de surveillance.

Objectifs à 360 °

Certaines applications nécessitent parfois bien plus qu’une simple caméra. L’inspection d’objets complexes, aux formes spécifiques, requiert par exemple des vues sous différents angles. Il existe pour cela des objectifs spécifiques, dits à 360°, qui, à l’aide d’un assemblage innovant de lentilles et de miroirs, capturent l’objet sous toutes ses facettes en un minimum de prises de vue. Les parties supérieures et latérales d’un objet, l’arrière et l’intérieur d’un objet creux ou avec un trou, différents côtés : cet objectif permet de réunir toutes ces vues en une seule image. Cette technologie profite à de nombreux secteurs, tels que l’industrie pharmaceutique, automobile ou dans l’agro-alimentaire, plus particulièrement pour les boissons.

Pour les objets cylindriques, tels que des bouteilles, des verres, des batteries ou des boulons, les objectifs péricentriques sont les mieux adaptés pour capturer leurs spécificités. En raison de la trajectoire particulière des rayons lumineux à travers l’objectif, la lumière provenant de la partie de l’objet la plus proche de l’objectif tombe au centre du capteur, tandis que les parties les plus éloignées sont représentées sur les bords. Les faces supérieures et latérales de l’objet sont ainsi capturées en une seule prise, avec, sur l’image obtenue, les vues latérales de l’objet entourant la face supérieure (image 3). Une utilisation assez courante dans le secteur pharmaceutique et l’industrie des boissons recouvre l’inspection du filetage du col des bouteilles et la lecture de codes Datamatrix, qui seront toujours lus correctement, quel que soit son positionnement. Plus le diamètre de l'objet est petit, plus la hauteur de l'objet pouvant être inspectée est grande, tandis que les objets minces peuvent être inspectés sur un diamètre plus grand. Pour les petits objets (jusqu'à 7,5 mm de diamètre), on recommande l’utilisation d’objectifs catadioptriques. Ces objectifs sont conçus de façon à pouvoir observer les côtés de l'objet avec un large angle de vue, proche de 45°, ce qui permet d'inspecter des géométries d'objets complexes avec une perspective adéquate.

Une gamme spéciale d’objectifs pour les objets creux a d’autre part été conçue pour l’inspection d’objets contenant des trous, des cavités ou pour des récipients, et permettant de visualiser aussi bien le fond de l’objet que ses parois. Objectifs grand angle (> 82°), ils permettent de travailler avec une large gamme de diamètres et d'épaisseurs d'objets. Ils sont ainsi parfaits pour inspecter une grande variété de formes, comme par exemple des cylindres, des cônes, des trous, des bouteilles ou des objets filetés.

Autre nouveauté optique, les objectifs multi-vues (Polyview) permettent d’effectuer huit vues différentes simultanées des surfaces latérales et supérieures d'un objet. Leur grand angle de vue (45°) permet ainsi l’inspection des côtés d’un objet (comme par exemple le filetage d’une vis ou d’un écrou). Aussi bien les surfaces extérieures que les parties supérieures d’un objet peuvent être capturées simultanément. Les parties internes d’un objet creux peuvent également être inspectées depuis l’extérieur. La représentation des parois internes et du fond d’un objet creux est tout aussi possible qu’une vue combinée des parois internes et externes de l’objet.

A chaque application son objectif.

Il existe une grande variété de configurations optiques qui conviennent aux différentes tâches d’inspection en vision industrielle. Cet article n’en a présenté qu’une partie, sans pouvoir aborder les spécificités des objectifs à commande motorisée ou à contrôle du diaphragme, ni non plus l’utilisation de filtres ou les différentes montures d’objectifs.

Le choix d’un objectif approprié, ainsi que de tous les autres composants de vision nécessaires, demande un savoir-faire technologique complet, aussi bien au niveau des exigences techniques d’une application qu’en termes de possibilités technologiques lors de sa conception. STEMMER IMAGING possède ce savoir-faire. Fournisseur leader en Europe de technologies et de service en vision industrielle, l’entreprise combine les produits les plus innovants avec une équipe de conseillers spécialisés et une offre complète de services. Avec plus de 5000 produits uniquement dans le secteur de l’optique, elle a tous les atouts pour trouver la meilleure solution à chaque tâche de vision industrielle.