Espaceurs d’objectif, cales et extenseurs de distance focale

Cette note correspond à la Section 5.2 du Guide de Ressources en Imagerie.

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Certaines applications peuvent exiger d’un objectif qu’il soit poussé au-delà de ses limites ou qu’il soit précisément ajusté dans ses paramètres de conception idéaux. Les espaceurs d’objectif, les cales et les extenseurs de distance focale sont des outils simples qu’un utilisateur peut aisément utiliser pour répondre à ces besoins. Ces outils sont utilisés entre l'objectif et la monture de l'objectif sur la caméra. Les espaceurs et les extenseurs de distance focale modifient le champ de vision (FOV) ou la distance de travail (WD) des objectifs à distance focale fixe, tandis que les cales peuvent être utilisées pour contrôler précisément la distance de travail des objectifs télécentriques.

Espaceurs d’objectif

La plupart des objectifs à distance focale fixe ont une mécanique intégrée pour faire la mise au point sur différentes distances de travail. La nature de la distance focale fixe de la conception signifie que les éléments se déplacent dans une plage définie (et ne se déplacent pas les uns par rapport aux autres), ce qui dicte les distances de travail où la mise au point est réalisable. Cette plage prédéfinie est choisie en fonction de la conception de l'objectif. Cependant, il est souvent avantageux de pousser un objectif au-delà de ses limites pour l'adapter à une application nécessitant des champs de vision plus petits ou des distances de travail plus courtes. L'ajout d'un espaceur entre la caméra et l'objectif dans un système modifie la plage de distances de travail sur laquelle l'objectif fonctionne de manière optimale.

Le principal objectif de l'ajout d'un espaceur est d'augmenter le grossissement du système de vision ou de raccourcir la distance des travail (WD) ; ces deux changements se produisent en tandem et sont expliqués par les équations d'imagerie de Gauss.

L'équation 1 montre la relation entre la distance de l'image $ \small{ \left( d \right) }$ et la distance focale de l'objectif $ \small{ \left( f \right) }$ . En augmentant la distance de l'image, la distance de travail doit diminuer. Lorsque la distance de travail et la distance de l'image changent, le grossissement $ \small{ \left( m \right) }$ doit également changer, basé sur l'équation 2 (voir Contraste pour plus d'informations sur le grossissement). La Figure 1 illustre cet effet visuellement. Les objectifs d'imagerie sont des systèmes plus complexes, et les calculs pour l'utilisation de l'espaceur sont plus compliqués.

La diminution de la distance de travail et l'augmentation du grossissement (réduction du champ de vision) sont les deux avantages les plus distinctifs de l'utilisation d'un espaceur. Le choix du bon espaceur varie selon l'application, mais prenons l'exemple d'un objectif de 35 mm de distance focale comparé au même objectif de 35 mm avec un espaceur de 11 mm. Le résultat de l'espaceur peut être trouvé dans le Tableau 1. L'espaceur dans l'exemple a l'impact le plus significatif sur la distance de travail, qui est réduite de plus de la moitié, et sur le grossissement qui est plus que doublé. Ce type d'espaceur présente également des avantages pour les systèmes à encombrement limité, car la distance objet - image totale (longueur entre le plan image et le plan objet) est réduite.

Il est également important de prendre en compte l'impact des espaceurs sur les performances du système optique. La gamme des distances focales sur laquelle l'objectif fonctionne physiquement avant l'ajout des espaceurs est généralement celle où la performance sera la meilleure, en fonction de la conception optique, et la performance souffrira généralement lorsque ces distances seront modifiées avec des espaceurs. Les Figures 2 et 3 montrent les courbes de la fonction de transfert de modulation (MTF) pour l'objectif de l'exemple ci-dessus à f/4 et sur un capteur 2/3", avec la distance de travail minimum et avec l'espaceur de 11 mm, respectivement. En règle générale, un espaceur ne doit pas être utilisé s’il est supérieur à la moitié de la distance focale. S’ils sont utilisés correctement, les espaceurs peuvent être un excellent moyen d'adapter un objectif à une application spécifique, à condition que les limitations et les impacts sur les performances soient pleinement pris en compte. Le fait de rendre l'éclairage monochromatique contribuera à atténuer ces problèmes de performance. L'utilisation d'un objectif dans sa plage de conception est la meilleure option pour des performances optimales. Les objectifs à distance focale plus longue ont tendance à mieux répondre aux espaceurs, car ils sont souvent de conception plus simple que les objectifs à courte distance focale.

Figure 1 : Une illustration de la relation entre la distance de l'image, la distance de travail (WD) et la distance focale.

Figure 2 : Objectif de distance focale de 35 mm à la distance de travail de conception minimum.

Figure 3 : Objectif de 35 mm de distance focale avec un espaceur de 11 mm.

Cales

Les cales suivent le même concept de base que les espaceurs mais sont utilisées pour les objectifs à grossissement fixe telles que les objectifs télécentriques. Les cales sont des espaceurs fines (0,025 - 1,0 mm) en acier inoxydable utilisées pour contrôler la distance de travail avec une grande précision afin de garantir la meilleure qualité d'image. La distance de bride peut varier légèrement par rapport à la conception nominale en raison de tolérances dans la conception du boîtier ou de l'emplacement du capteur. Les cales peuvent donc être utilisées comme de fins espaceurs entre l'objectif et la caméra pour personnaliser et corriger cet écart.

La qualité de l'image varie en fonction de la distance d’image. Si la distance de l'image est trop éloignée de la conception idéale, un flou notable ou une dégradation de la MTF peut se produire. Cela peut se produire lorsque vous changez d'objectif entre différentes caméras, même si vous utilisez le même modèle de caméra et d'objectif, car il peut y avoir de petites variations d'un composant à l'autre. Des ajustements mineurs peuvent être effectués à l'aide de cales pour ramener la MTF et la mise au point à des niveaux optimaux. Lors de la mise en place de chaque nouveau système ou ligne, de légers ajustements de la distance de l'image peuvent être nécessaires. C'est pourquoi des cales sont souvent fournies avec de nombreux objectifs télécentriques. Les paramètres optiques critiques étant définis pour chaque système, les seuils logiciels et les procédures d'étalonnage seront reproductibles d'un système à l'autre.

Les objectifs télécentriques sont souvent choisis pour des applications nécessitant des mesures de fabrication exigeantes. Souvent, ces applications comportent d'autres défis, tels que des plages de distance de travail limitées en raison de l'oscillation des bras robotiques, des contaminations à proximité, ou la disposition mécanique existante d'une machine dans laquelle le nouveau système de mesure doit être intégré. Comme les espaceurs, l'ajout ou le retrait de cales à l'arrière d'un objectif télécentrique tire parti de la relation entre la distance de l'image, la distance de travail et la distance focale (Figure 1) et ajuste légèrement la distance de travail dans une plage utilisable. Dans les applications monochromatiques, les cales peuvent également être utilisées pour compenser ou refocaliser le décalage focal chromatique (voir Aberrations). Les cales permettent aux utilisateurs de contrôler précisément la distance de l'image pour obtenir la meilleure solution possible pour leur application.

Extenseurs/Multiplicateurs de distance focale

Une autre façon d'augmenter le grossissement d'un système de vision industrielle est d'utiliser un extenseur de distance focale. Un extenseur de distance focale est semblable à un espaceur dans la mesure où ils sont tous deux placés entre l'arrière de l'objectif et la caméra. En revanche, un extenseur de distance focale ne modifie pas la plage de distances de travail.

Les extenseurs de distance focale contiennent un ensemble d'éléments négatifs qui modifient la distance focale d'un objectif par un facteur multiplicatif. Un objectif de 25 mm de distance focale avec un extenseur de distance focale de 2X aura une distance focale effective de 50 mm et divisera donc par deux le champ de vision à la même plage de distances de travail. Les extenseurs de distance focale peuvent également être empilés les uns sur les autres et auront un effet multiplicatif sur la distance focale d'un objectif. Une distance focale de 25 mm utilisée avec deux extenseurs de distance focale de 1,5X et 2X aura une nouvelle distance focale de 75 mm.

Tout comme les espaceurs ne sont pas sans compromis, la réduction potentielle de la qualité de l'image doit être prise en compte lors de l'utilisation d’extenseurs de distance focale. Étant donné que les éléments individuels d'un objectif ont tous été conçus collectivement pour équilibrer les performances optiques, l'ajout d'un élément négatif supplémentaire dans le train optique réduira les performances en introduisant des aberrations optiques supplémentaires. Les extenseurs de distance focale réduisent également le débit de lumière d'un objectif en modifiant le f/#. Un extenseur de distance focale de 2X diminuera le débit de lumière d'un facteur quatre. Les effets sur la qualité de l'image doivent être pris en compte avant d’intégrer un extenseur de distance focale.

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