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L'objectif, un composant sous-estimé en vision industrielle

Quand on parle de traitement d'images et de vision industrielle, on pense d'abord aux caméras et on estime que leur influence sur la performance d'un système est essentielle. Cependant, on oublie souvent que, sans éclairage et composants optiques appropriés, même la meilleure caméra ne peut fournir que des images inexploitables. Le choix des composants adaptés en matière d'objectif et d'éclairage est décisif pour la qualité de l'image générée et a une influence sur des facteurs tels que la vitesse, l'exactitude des mesures, l'absence d'erreurs, la répétabilité et la fiabilité de l'analyse de l'image. Le présent article vous donne un aperçu des bases optiques contenues dans les systèmes de vision industrielle.


Un objectif est nécessaire pour qu'une caméra puisse visualiser un objet. Ce composant optique dévie les rayons lumineux reflétés ou émis par un objet, de telle manière qu'ils génèrent une image sur le capteur de la caméra. La structure optique d'un objectif, comme par ex. les diamètre des lentilles, la distance entre les lentilles, la distance entre l'objectif et l'objet (appelée distance de travail), tout comme la distance entre l'objectif et le capteur, ont une influence considérable sur la représentation. Le graphique ci-dessous montre de manière simplifiée le fonctionnement d'un objectif (voir l'image).

L'échelle de reproduction, c'est-à-dire le rapport entre la taille de l'image sur le capteur et la taille de l'objet, est définie par le choix de la distance focale d'un objectif. Les objectifs dans lesquels le système de lentilles est monté à des distances fixes, et qui ne possèdent pas d'unité de focalisation, sont de véritables objectifs à distance focale fixe, avec distance de travail minimale fixe (MOD). Différents fabricants offrent de plus des objectifs à distance focale fixe, avec unité de focalisation sur lesquels la MOD peut être légèrement modifiée. En raison de la distance focale définie, ces objectifs disposent d'une plage d'agrandissement relativement fixe. Étant donné que les paramètres, tels que la distance de travail et l'agrandissement nécessaire d'une application, sont le plus souvent imposés par la technique et restent invariables, on utilise principalement des objectifs à distance focale fixe en vision industrielle.

Au contraire, les objectifs à focale variable sont beaucoup moins répandus en vision industrielle. Ces objectifs modifient leur distance focale par le mouvement de certaines lentilles de l'objectif. Du point de vue mécanique, les objectifs à focale variable sont donc moins solides et ne conviennent pas pour effectuer des mesures précises, étant donné qu'ils ne permettent pas d'atteindre une bonne répétabilité.

La plupart des objectifs utilisés en vision industrielle sont montés dans des boîtiers métalliques, offrant ainsi une stabilité accrue. De plus, il existe des objectifs spéciaux avec résistance élevée aux chocs et aux vibrations pour une utilisation dans des conditions difficiles. Sur ces objectifs, les différentes lentilles sont collées, ce qui augmente nettement la robustesse de l'optique.

Critères de choix pour le parfait objectif

Le choix de l'objectif qui correspond à vos besoins est directement fonction du capteur de la caméra utilisée. Elle est définie normalement en premier lieu, lors de la composition de la combinaison optimale des composants d'une solution de vision industrielle. Ici, c'est surtout la taille du capteur et des pixels de la caméra qui sont importants pour le choix de l'objectif. C'est ainsi que la taille du capteur détermine le diamètre du champ image de l'optique : l'objectif doit être en mesure d'éclairer toute la surface du capteur pour éviter le vignettage (projection d'ombre) sur l'image. Les tailles de capteurs courantes en vision industrielle sont comprises entre 1/4" (3,65 mm x 2,74 mm) et 1.2" (15,5 mm x 15,5 mm) ; le petit format d'images de 24,0 mm x 36,0 mm est également souvent utilisé. De nombreux fabricants d'objectifs offrent des objectifs appropriés pour ces tailles de capteurs.

L'objectif doit pouvoir accepter la taille des pixels du capteur de la caméra. Cette taille varie d'une caméra à l'autre : plus les pixels sont petits, plus la capacité de résolution de l'objectif doit être élevée. La fonction de transfert de modulation (FTM) d'un objectif est une mesure de la qualité optique. Cette fonction représente la description quantitative de la qualité de reproduction d'une optique en tenant compte de toutes les erreurs de reproduction.

Une lentille parfaite génèrerait une image qui correspond exactement à l'objet y compris tous les détails et fluctuations de la luminosité. Dans la pratique, ceci n'est cependant pas possible car une lentille agit comme un filtre passe-bas. Cet affaiblissement d'une fréquence donnée ou d'un détail est classifié au moyen de la FTM. Cette valeur donne une indication sur l'efficacité de transfert de l'objectif. Pour l'exprimer plus simplement, disons que les structures de grande taille, telles que par ex. des lignes séparées par un écart important, sont transmises normalement avec un bon contraste ; les structures plus petites, comme par ex. des lignes fines avec un écart faible, sont par contre transmises avec un contraste moindre. Sur chaque lentille, il existe un point sur lequel le contraste atteint la valeur zéro. Ce seuil est souvent désigné par une limite de résolution et normalement indiqué en paires de lignes par millimètre (lp/mm) ou, sur quelques objectifs macro, comme taille minimale des lignes en µm.

Lors de la définition de la résolution, il convient toujours de prendre l'ensemble du système en considération. De nombreuses caméras mégapixel modernes utilisent de plus petits capteurs, à moindres coûts. Ces petits capteurs fonctionnent avec des pixels plus petits, c'est pourquoi ils ont souvent besoin d'objectifs de meilleure qualité, plus chers, afin d'obtenir une haute résolution. Parfois, il peut donc s'avérer plus économique d'utiliser une caméra mégapixel plus onéreuse, avec de plus grands pixels, qui se contente d'un objectif moins ambitieux, ce qui fait baisser le prix total de la combinaison.

Capacité de détection des objets et échelle de reproduction

Un autre critère décisif lors du choix d'un objectif appropriée est sa capacité de détection des objets : pour pouvoir résoudre un détail sur l'objet et garantir une détection des arêtes sans équivoque, chaque détail doit être représenté sur environ quatre pixels. L'échelle de reproduction nécessaire est donc directement fonction de la capacité de détection des objets requise ou de la taille des pixels.

Il existe d'autres paramètres à considérer lors du choix d'un objectif destiné à un nouveau système de vision industrielle : entre autres la distance focale, l'agrandissement requis, le degré d'ouverture du diaphragme, la profondeur de champ, la distance de travail existante ainsi que les écarts tolérables variables d'une application à l'autre. Ici, il est important de contrôler les écarts liés aux défauts, les écarts chromatiques et sphériques, la distorsion, le traitement antireflet et la perméabilité spectrale de l'objectif et de vérifier si l'ensemble du système peut remplir les exigences existantes.

Seule la connaissance de tous les paramètres spécifiques de l'application ainsi que des propriétés optiques et mécaniques des objectifs potentiellement appropriées, permet de faire un choix optimal qui satisfait à toutes les exigences de l'application pour laquelle une solution doit être trouvée relativement à la taille et à la qualité de l'image.

La manière simple de trouver la solution optimale

Pour les utilisateurs non expérimentés, le choix parfait pour une application est rendu très difficile par la multitude des spécificités techniques des objectifs. Il existe une manière plus simple pour s'épargner des tests chronophages : STEMMER IMAGING est le plus grand fournisseur européen de technologie et de service après-vente pour la vision industrielle et propose, en plus de toutes les autres composantes nécessaires, une large gamme d'objectifs de fabricants leaders au niveau mondial.

L'entreprise couvre tous les types d'objectifs : standard et universels, de précision, grand format, macro, avec distance focale fixe et variable, à focale variable et pour caméras multipuce. Les composants optiques spécifiques, tels que les objectifs télécentriques et les accessoires nécessaires, comme, par ex., des filtres, font aussi partie de l'offre de STEMMER IMAGING. Avec une expérience en plus de 35 ans dans la vision industrielle, les experts de l'entreprise sont en mesure d'apporter un soutien éclairé á leurs clients lors du choix de la solution optique optimale.

Le Guide Imagerie & Vision

Cet article est un résumé de certains contenus du «Guide Imagerie & Vision» de STEMMER IMAGING. La deuxième édition de ce manuel d'environ 450 pages peut être demandée gratuitement sur le site www.stemmer-imaging.de, info@stemmer-imaging.de ou par téléphone au numéro 0049 89 809020.