Distorsion et télécentricité

Auteurs : Gregory Hollows, Nicholas James

Cette note correspond à la Section 4.2 du Guide de Ressources en Imagerie.

Un autre avantage de l'utilisation d'objectifs télécentriques dans les applications de métrologie est que les objectifs télécentriques présentent généralement des valeurs de distorsion inférieures à celles des objectifs à distance focale fixe. La distorsion donne l'impression que la position réelle d'un objet se trouve à un autre endroit, ce qui peut réduire davantage la précision des mesures (voir Distorsion). Par exemple, la Figure 1a montre des broches de cavalier sur une carte de circuit imprimé qui a été imagée par un objectif à distance focale fixe avec une forte distorsion. Cette distorsion, associée à l'erreur de parallaxe inhérente aux objectifs non télécentriques, donne l'impression que les broches situées vers le bord de l'image sont pliées vers le centre. Lorsque l'on regarde les mêmes broches avec un objectif télécentrique, comme dans la Figure 1b, il est évident que les broches sont effectivement droites.

S'il est vrai que la distorsion peut être calibrée sur les images pour améliorer partiellement la précision, la parallaxe est toujours présente et provoquera des erreurs. L'autre avantage de ne pas avoir à calibrer la distorsion de l'objectif télécentrique est que le processus de mesure peut s'exécuter plus rapidement car le logiciel a moins de calculs à faire, ce qui réduit la charge de l'unité centrale et conduit directement à un débit plus élevé du système et à plus de pièces mesurées par minute.

Comparaison des cavaliers sur une carte de circuit imprimé. La figure 1a montre une image qui a été prise avec un objectif à focale fixe. La figure 1b montre une image qui a été prise avec un objectif télécentrique. Notez que les broches n'apparaissent pas courbées dans l'image télécentrique.

Figure 1 : Comparaison des cavaliers sur une carte de circuit imprimé. La figure 1a montre une image qui a été prise avec un objectif à distance focale fixe. La figure 1b montre une image qui a été prise avec un objectif télécentrique. Notez que les broches n'apparaissent pas courbées dans l'image télécentrique.

Étant donné que les objectifs télécentriques ont tendance à avoir une distorsion si faible, ils sont plus susceptibles d'avoir une distorsion non monotone de type vague/moustache que les objectifs à distance focale fixe, comme le montre la Figure 2. Bien que l'ampleur de la distorsion soit généralement suffisamment faible pour ne pas avoir d'impact significatif sur la mesure de la pièce inspectée, il est tout de même important de vérifier les spécifications de distorsion de l'objectif télécentrique et d'étalonner correctement le système d'imagerie utilisant l'objectif télécentrique. Cette propriété est également la raison pour laquelle il convient d'utiliser des graphiques de distorsion plutôt qu'une valeur numérique unique, car l'objectif peut avoir une distorsion nulle au point de champ où elle est spécifiée mais être non nulle ailleurs.

La distorsion des objectifs télécentriques peut être spécifiée de deux manières différentes : Distorsion TV ou distorsion géométrique. Les deux sont généralement classées en pourcentage, mais les valeurs de distorsion TV seront presque toujours inférieures aux valeurs de distorsion géométrique, ce qui peut être trompeur. Lorsqu'un objectif télécentrique est spécifié avec des valeurs de distorsion géométrique, la valeur qui est donnée correspond à la hauteur de champ maximale de la taille maximale du capteur que l'objectif est capable d'utiliser. Dans le cas où l'objectif présente une distorsion monotone, la valeur spécifiée sera la plus élevée. Cependant, dans le cas d'une distorsion d'onde, il est important de regarder le graphique (comme dans la Figure 2) pour déterminer comment la distorsion est caractérisée.

L'autre spécification pertinente est la télécentricité, qui est généralement spécifiée en degrés, et peut être considérée comme le champ de vision angulaire résiduel de l’objectif. Malheureusement, tout comme aucun objectif n'a une distorsion nulle, aucun objectif n'est parfaitement télécentrique. La Figure 3 montre un graphique de la télécentricité pour un objectif télécentrique 1X.

Le graphique de la Figure 3 montre trois lignes différentes, chacune représentant la télécentricité à différentes longueurs d'onde (rouge, vert et bleu). La nuance la plus importante à noter sur le graphique est que la télécentricité varie avec la longueur d'onde, ce qui signifie que la précision d'une pièce mesurée peut changer en fonction de la longueur d'onde (couleur) de la lumière utilisée pour inspecter la pièce. Bien que cette variance soit faible dans l'absolu, il est important d'en tenir compte lors de la conception de systèmes nécessitant la plus grande précision possible. Pour ces systèmes, il est préférable d'utiliser un éclairage monochromatique, de préférence la longueur d'onde où la télécentricité a été optimisée lors du processus de conception. En savoir plus sur l'utilisation d'un éclairage approprié.

Dans les applications où le plan de l'objet est incliné, les objectifs télécentriques constituent une bonne alternative aux objectifs à distance focale fixe en raison de leur faible distorsion et de leur grossissement invariable. La caméra peut également être inclinée pour que l'objet incliné reste net ; c'est ce qu'on appelle la condition de Scheimpflug. La condition de Scheimpflug permet d'étendre la profondeur observée par le système de vision industrielle en inclinant le plan de l'objet et le plan de l'image, comme le montre la Figure 4. Si un objectif conventionnel est utilisé de cette manière, il en résultera une distorsion trapézoïdale, pour plus d'informations voir Distorsion. Les objectifs télécentriques, cependant, ne présenteront pas de distorsion trapézoïdale, car le grossissement ne change pas avec la profondeur. Il faut cependant faire attention au calibrage, car la pièce sera observée comme une projection géométrique : un cercle sera une ellipse, un carré sera un rectangle, et ainsi de suite.