Équilibrage des aberrations à l’aide de la FTM dans la conception des objectifs
Auteurs : Gregory Hollows, Nicholas James
Cette note correspond à la Section 3.7 du Guide de Ressources en Imagerie.
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La conception d’objectifs individuels sur mesure pour chaque application n'est ni rentable ni pratique. Au lieu de cela, la plupart des objectifs sont conçus pour une large gamme de couverture afin qu'ils soient à la fois rentables et capables de répondre aux besoins de nombreuses applications. Cette adaptabilité a des défauts, dont le plus important est qu'il n'est pas possible d'obtenir simultanément des performances maximales dans tous les champs de vision (FOV), les WD et les capteurs. Ces objectifs peuvent être considérés comme un « homme à tout faire, le maître de rien » et sont les objectifs les plus courants sur le marché aujourd'hui. Toutefois, comme les résolutions continuent d'augmenter, il faudra peut-être envisager d'autres options pour maximiser les performances du système.
Effets aberrants
Pour maximiser les performances du système, il est nécessaire de comprendre ce qui peut avoir des effets négatifs sur une conception optique. Les aberrations, telles que l'aberration chromatique, l'astigmatisme, l'aberration sphérique et la courbure de champ, doivent être réduites autant que possible pour obtenir une qualité d'image élevée. Les aberrations spécifiques sont abordées plus loin dans cette section. Presque toutes ces aberrations sont directement liées à la WD et au grossissement (rapport entre le FOV et la taille du capteur) de l'objectif, même si elles ne sont pas nécessairement liées les unes aux autres. Lorsque la WD ou la taille du capteur et le FOV changent, les aberrations sont déplacées et les performances de l'objectif changent. Par exemple, bien qu'il soit possible d'obtenir une réduction maximale des aberrations en concevant un objectif pour un FOV et une WD uniques, de petites modifications de la WD ou du grossissement entraîneront un déclin rapide de ce niveau de performance ultra-élevé. Cette diminution se produira d'autant plus rapidement que ces objectifs s'éloignent de leur position optimisée.
Dans les objectifs conçus pour des applications multiples, les aberrations sont équilibrées sur une gamme de WD et de grossissements. Bien que ces objectifs ne puissent pas dépasser les performances des objectifs qui ont été conçues pour une WD et un grossissement spécifiques, elles peuvent fonctionner correctement sur des plages définies plus larges. Cependant, la taille des pixels ne cessant de diminuer, les compromis inhérents à une conception générale équilibrée en gamme sont plus prononcés.
Approches hybrides
Des approches hybrides de la conception d’objectifs ont été développées pour les situations dans lesquelles le temps et le budget ne permettent pas de concevoir un objectif sur mesure optimisé pour une seule WD et un seul grossissement. Une approche hybride implique un objectif qui a été conçu de manière à ce que l'espacement entre les éléments ou les groupes d'éléments puisse être ajusté de sorte que la conception soit légèrement modifiée et que les performances puissent être augmentées pour un grossissement et une WD souhaités. Par exemple, un objectif conçu pour les capteurs linéaires peut être associé à un grossissement spécifique, tel que 0,33X (Figure 1). Sur une caméra avec un réseau de balayage linéaire de 60 mm, cela donne un FOV de 180 mm.
Figure 1 : Une conception d’objectif créée pour un capteur linéaire qui a un espacement défini pour 0,33X.
La performance d'un objectif peut être analysée en se référant à sa courbe de fonction de transfert de modulation (FTM). Les courbes FTM sont décrites dans les sections Lens Performance Curves, Fonction de transfert de modulation (FTM) et Courbes FTM et performance des objectifs. La Figure 2 montre la courbe FTM associée de l’objectif de la Figure 1 à un grossissement de 0,33X. Les courbes montrées ici sont limitées à 100$ \small{\tfrac{\text{lp}}{\text{mm}}} $, ce qui reflète les capacités de résolution d'un capteur linéaire de 12k avec des pixels de 5 μm. Deux pixels constituent la plus petite zone d'échantillonnage qui puisse être utilisée pour distinguer la séparation entre les informations créées par un objectif. Dans cet exemple, une paire de lignes équivaut à un espace total de 10 μm (deux pixels de 5 μm) ; il y a 100 ensembles de 10 μm dans 1 mm, donc 100$ \small{\tfrac{\text{lp}}{\text{mm}}} $ est la résolution limite de la caméra.
Figure 2 : Courbes de performance FTM pour l'objectif 0,33X au grossissement nominal.
Dans les Figures 3 et 4, l’objectif est refocalisé pour obtenir d'autres FOV, et les courbes FTM associées pour la conception de l’objectif optimisé à 0,33X sont présentées. Aux grossissements de 0,5X (120 mm FOV) et 1,0X (60 mm FOV), les niveaux de performance sont plus faibles. Pour surmonter ce problème, l'espacement entre les éléments de l’objectif peut être ajusté afin d'optimiser les performances pour différents grossissements. La Figure 5 montre la disposition optique du même système d’objectif ré-optimisé pour un fort grossissement ; notez que l'espacement entre les éléments de l’objectif marqués en rouge est modifié par rapport à la Figure 1, pour compenser le changement de FOV/WD.
Figure 3 : Courbes de performance FTM pour l'objectif 0,33X à un grossissement de 0,5X (FOV de 120 mm).
Figure 4 : Courbes de performance FTM pour l'objectif 0,33X à un grossissement de 1,0X (FOV de 60 mm).
Figure 5 : L'ajustement de l'espace entre les lentilles, marqué en rouge, améliore la FTM de l'objectif à un grossissement de 1X. Notez l'écart plus important.
La Figure 6 montre la performance FTM de l'objectif optimisé 1,0X à son grossissement de conception. Observez l'extrême différence de performance entre les Figures 6 et 4. Les deux objectifs utilisent les mêmes éléments en verre et ont été conçus simultanément, mais une modification de l'espacement entraîne une énorme différence de performance. Les Figures 7 et 8 montrent la FTM de l’objectif optimisé pour 1,0X à 0,5X et 0,33X respectivement. Là encore, on constate un changement rapide des performances lorsque le grossissement s'éloigne de la valeur nominale.
Figure 6 : Courbes de performance FTM pour l'objectif optimisé pour 1,0X à son grossissement nominal.
Figure 7 : Courbes de performance FTM pour l'objectif optimisé pour 1,0X au grossissement de 0,5X.
Figure 8 : Courbes de performance FTM pour l'objectif optimisé pour 1,0X au grossissement de 0,33X.
Cette approche hybride permet de résoudre plusieurs applications de manière plus efficace car elle donne de meilleures performances qu'un seul objectif conçu pour répondre à plusieurs applications. Les conceptions hybrides offrent de multiples options réalisables pour augmenter les performances du système. Comme cette solution est moins complexe que de multiples objectifs personnalisés, les solutions standard sont généralement plus disponibles et moins coûteuses que des objectifs personnalisés complets.
Bien qu'une solution hybride augmente les performances, elle peut être plus coûteuse que les objectifs standard et peut présenter des problèmes supplémentaires. Tout d'abord, elle n'atteindra probablement pas la pleine capacité de performance d'une véritable solution personnalisée qui a été spécifiquement conçue pour une seule WD et un seul grossissement. Alors que les pixels deviennent de plus en plus petits, il peut encore être difficile pour les optiques des solutions hybrides de répondre aux exigences du système. Deuxièmement, les objectifs hybrides subiront une baisse rapide de leurs performances en dehors de leur gamme spécifiée, comme les solutions d’objectifs conçus de manière étroite. Enfin, comme les approches hybrides donnent lieu à plusieurs objectifs différents qui nécessitent chacune des matériaux spécifiques, il faut plus de temps pour construire les grossissements spécifiques, et il peut être nécessaire d'utiliser des accessoires de montage et de mise au point volumineux et compliqués pour que le système capteur/objectif fonctionne comme il se doit.
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