Types d’objectifs de vision industrielle

Cette note correspond à la Section 6.1 du Guide de Ressources en Imagerie.

Tout au long des six sections précédentes du guide de ressources, on a progressivement acquis une compréhension des objectifs d'imagerie, morceau par morceau. On a présenté le comportement fondamental d’un objectif en commençant par les bases du champ de vision angulaire (AFOV) et la résolution et en allant jusqu’à la fonction de transfert de modulation (MTF) et aux variables qui influencent les performances des objectifs. La présente section a pour but de rassembler tout ce qui a été dit dans les sections précédentes afin de choisir en toute confiance un objectif d'imagerie pour tout problème de vision industrielle donné.

Les objectifs d'imagerie sont un composant complexe et nuancé des systèmes d'imagerie, et il n'est pas toujours évident de savoir quelles décisions prendre au moment de choisir un objectif et quels compromis sont faits en conséquence directe de ces décisions. Les fiches techniques des objectifs (fiches de données) varient selon les fabricants, ce qui peut rendre les comparaisons difficiles. Souvent, cependant, il ne faut pas allez trop en profondeur, car il peut être assez difficile de déterminer le type d’objectif nécessaire pour une application particulière. Un objectif à distance focale fixe est-il le meilleur choix ? Et un objectif zoom ? Ou un objectif télécentrique ?

Ce guide de sélection des objectifs est divisé en trois parties distinctes. Cette note d'application, qui constitue la première section, « Types d’objectifs de vision industrielle », répond à la question suivante : de quel type d’objectif ai-je besoin pour mon application ? Pour les besoins de ce texte, les objectifs seront divisés en deux catégories : les objectifs à grossissement variable et les objectifs à grossissement fixe. Cette section décrit ces différents types d'objectifs et leur utilité. La deuxième section, Les principes fondamentaux de la sélection d’un objectif, explique ensuite comment choisir un objectif si une caméra a déjà été choisie, ce qui est souvent le cas pour de nombreuses applications. Cette section se concentre sur le choix de l'objectif en soulignant l'importance de comparer le champ de vision nécessaire, défini par les exigences de l'application, à la spécification du champ de vision de la fiche technique de l'objectif, compte tenu de la distance de travail ou d'autres paramètres contraignants. La dernière partie, intitulée « Le choix d’un objectif d’imagerie - considérations plus poussées », explique comment choisir un objectif en même temps que la caméra, ce qui est important si l'on veut optimiser l'application en termes de coûts et de performances. Il traite de la cartographie des pixels et de la reproduction du contraste des caractéristiques au niveau des pixels d'une caméra.

Il est important de lire les six sections précédentes (ou d'en avoir une compréhension préalable) avant de se lancer dans cette section, car elle aborde des concepts déjà appris sans entrer dans les détails. La compréhension des sections précédentes est particulièrement importante pour les considérations plus poussées lors du choix d’un objectif.

Types d’objectifs à grossissement variable

Objectifs à Distance Focale Fixe

Les objectifs à distance focale fixe sont connus sous de nombreux noms différents : objectifs primaires (courants en photographie ou en cinématographie), objectifs FA (où FA signifie généralement automatisation industrielle), ou simplement objectifs de vision industrielle. Ce sont les types d'objectifs les plus courants dans le domaine de la vision industrielle. En règle générale, si un objectif est désigné par une distance focale unique (par exemple, un objectif de 25 mm), il s'agit généralement d'un objectif à distance focale fixe. Comme expliqué dans la section Comprendre la distance focale et le champ de vision, les objectifs à distance focale fixe ont un champ de vision angulaire fixe. Ces objectifs peuvent toujours faire la mise au point à différents distances de travail, ce qui est le plus souvent réalisé en déplaçant tous les éléments individuels de l’objectif ensemble de sorte que l'espacement relatif entre eux ne change pas.

La Figure 1 montre un objectif à focale fixe de 75 mm mis au point à deux distances différentes. Si l'espacement entre chaque élément ne change pas lors de la mise au point, la distance entre le plan de l'image et le dernier élément de l'objectif varie beaucoup. L'objectif supérieur est mis au point à l'infini optique, et l'objectif inférieur est mis au point à une distance de travail de 200 mm.

Il est important de se rappeler que les véritables objectifs à distance focale fixe se comportent toujours comme dans la Figure 1, bien qu'il existe des objectifs qui ont une « mise au point à éléments flottants », où l'espacement relatif des éléments de lentille change au cours de la mise au point. Ce changement d'espacement entraîne une modification de la distance focale du système, bien que cela ne soit généralement pas suffisant pour les classer différemment.

Un objectif à distance focale fixe de 75 mm de type double Gauss mis au point à deux distances de travail différentes. Notez que l'espacement entre chaque élément n'a pas changé avec les déplacements de la distance de travail.

Figure 1 : Un objectif à distance focale fixe de 75 mm de type double Gauss mis au point à deux distances de travail différentes. Notez que l'espacement entre chaque élément n'a pas changé avec les déplacements de la distance de travail.

Les objectifs à distance focale fixe doivent être utilisés pour la grande majorité des applications de vision industrielle, car ils sont flexibles et offrent de bonnes performances. Le contrôle général des pièces, la lecture des codes-barres, la lecture biométrique et de documents, la lecture des plaques d'immatriculation et d'autres types de reconnaissance optique de caractères (OCR) ou de vérification optique de caractères (OCV) sont tous mieux adaptés aux objectifs à focale fixe la plupart du temps. Le champ de vision angulaire (AFOV) d'un objectif à distance focale fixe est le produit de sa distance focale et de la taille de son capteur. Plus la distance focale d'un objectif diminue, plus son AFOV augmente. Cela se produit de manière linéaire ; par conséquent, un objectif de 25 mm de distance focale aura un champ de vision angulaire deux fois plus grand qu'un objectif avec un champ de vision de 50 mm. Comme ces objectifs peuvent être mises au point à différentes distances et avoir des grossissements différents, elles sont classées comme des objectifs à grossissement variable aux fins du présent document.

Objectifs zoom

Alors que les objectifs à focale fixe sont conçus pour avoir un AFOV fixe, les zooms sont conçus pour modifier leur distance focale, et donc leur AFOV. Les zooms sont idéaux pour les applications qui requièrent une flexibilité maximale pendant l'utilisation et ne nécessitent pas une haute résolution ; à moins que le champ de vision doive activement changer pendant l'imagerie, ce n'est probablement pas le meilleur choix. Dans ce cas, des moteurs pas à pas sont nécessaires pour modifier la distance focale rapidement et avec précision.

Les objectifs zoom sont spécifiés comme ayant des rapports de zoom particuliers, qui peuvent être trouvés en divisant l'option de distance focale la plus longue par la plus petite pour un objectif donné. Par exemple, si un zoom varie entre une distance focale de 8 mm et une distance focale de 48 mm, on dit qu'il s'agit d'un zoom 6X (48 mm/8 mm = 6X). Cela peut également être exprimé sous forme de rapport : pour l'objectif susmentionné, le rapport de zoom serait de 6:1.

La Figure 2 montre le même objectif zoom réglé sur deux distances focales différentes. Notez que l'espacement relatif des éléments et la distance au plan de l'image changent, malgré le fait que la distance de travail WD n'a pas changé. Ces mécanismes complexes augmentent le coût du système d'objectif, car des mouvements précis sont nécessaires pour modifier simultanément la distance focale de l'objectif et maintenir la mise au point. De plus, les zooms ne peuvent pas avoir une résolution aussi élevée que celle d'un objectif à distance focale fixe de prix comparable, car le mécanique complexe et les éléments optiques sont multitâches.

Figure 2 : Un objectif zoom à plusieurs grossissements optiques.

Les zooms ne cherchent pas seulement à obtenir les meilleures performances à une seule distance focale, mais ils doivent fonctionner sur une large plage de distances focales, ce qui diminue leurs performances globales.

D'autres propriétés optiques intéressantes peuvent résulter directement des mouvements complexes d'un objectif zoom ; selon la façon dont l'objectif a été conçu, le f/# peut changer en fonction de la distance focale. Ce type de conception est généralement évité pour les objectifs de photographie ou de vidéographie, mais ce n'est souvent pas le cas pour les objectifs de vision industrielle. Il est également important de rappeler, à partir du F/#, ouverture numérique et débit de lumière dans le système, que le f/# de travail change toujours en fonction du grossissement, ce qui entraîne des expositions différentes.

Par définition, lorsque les objectifs zooms modifient leur champ de vision, ils restent au point. Si un objectif est défocalisé lorsque sa distance focale est modifiée, il s'agit plutôt d'un objectif varifocal, et non pas d'un objectif zoom. Le choix d'un objectif zoom s'effectue de la même manière que celui d'un objectif à distance focale fixe, à ceci près que la distance focale est un paramètre variable et non fixe, ce qui modifie le champ de vision angulaire.

Types d’objectifs à grossissement fixe

Objectifs télécentriques

Les objectifs télécentriques doivent être utilisés chaque fois qu'une mesure de haute précision doit être effectuée dans un système. Il s'agit d'objectifs hautement spécialisées, à grossissement fixe, dotées de nombreuses et puissantes capacités optiques. Les principes de fonctionnement et les avantages des objectifs télécentriques sont examinés en détail dans la section 4 : Télécentricité et erreur de perspective.

On pense souvent que le choix d'un objectif télécentrique est plus difficile que celui d'un objectif à distance focale fixe, mais ce n'est presque jamais le cas, comme on le verra dans la section Les principes fondamentaux de le sélection d’un objectif.

Objectifs de microscope

Les objectifs de microscope sont utilisés pour visualiser de très petits objets, généralement avec des grossissements bien supérieurs à 1X. Ce sont des optiques à grossissement fixe qui ne fonctionnent correctement qu'à une seule distance de travail, qui est généralement assez petit par rapport aux autres objectifs d'imagerie. Les objectifs de microscope doivent être utilisés lorsqu'une image à fort grossissement est nécessaire et que les petites distances de travail ne posent pas de problème

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