Performances et limites du capteur

Cette note correspond à la Section 3.1 du Guide de Ressources en Imagerie.

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Afin de mieux comprendre les différences qui peuvent se produire entre les performances théoriques et les performances de l’objectif tel qu'il est fabriqué, les exemples 1 à 3 montrent ce qui se passe au niveau du capteur et comment la sortie du capteur est visualisée avec différentes longueurs d'onde et différents f/#. Les figures passent de la théorie à des exemples concrets qui incluent les aberrations et les erreurs de fabrication d’objectifs. Comme indiqué dans MTF Curves and Lens Performance, plus la longueur d'onde est courte, plus le plafond de performance du système d'imagerie est théoriquement élevé. Ces dernières années, les LED bleues sont devenues fiables pour augmenter les performances des capteurs équipés de petits pixels. Rappelez-vous la meilleure pratique #5 des Meilleures pratiques pour une meilleure imagerie, La couleur est importante. Comprendre les capacités et les limites physiques d'un objectif à différents f/# et longueurs d'onde permet d'optimiser l'utilité des imageurs haute résolution et de trouver des solutions aux applications difficiles.

Ex. 1 : Variation de la taille du spot et de la sortie de pixels en fonction de la longueur d'onde à faible f/# (théorique)

Les Figures 1a et 1b montrent quatre longueurs d'onde différentes parfaitement imagées, à l'exception du flou causé par la diffraction (voir The Airy Disk and Diffraction Limit) au centre d'un capteur contenant des pixels de 3,45 µm et à f/2,8. Il s'agit d'une petite taille de pixel, associée à un capteur 5 MP très populaire, utilisé par de nombreux fabricants de caméras. La Figure 1a montre la différence de taille du spot lorsque l'on passe des longueurs d'onde de 470 nm (bleu) à 880 nm (infrarouge proche). La Figure 1b montre les sorties de pixels pour chacune des images créées par l’objectif de la Figure 1a ; remarquez les spots plus petits associés aux longueurs d'onde plus courtes.

Figure 1 : Variations de la taille des spots et du sorties de pixels en fonction de la longueur d'onde à faible f/#.

Ex. 2 : Variation de la taille du spot et de la sortie de pixel en fonction de la longueur d'onde à f/# élevé (théorique)

Les images de la Figure 2 sont semblables à celles de la Figure 1, mais le réglage de l'ouverture est passé à f/8. La Figure 2a montre que tous les spots, quelle que soit leur longueur d'onde, dépassent la taille d'un seul pixel, ce qui entraîne un déversement d'énergie dans les pixels adjacents. La Figure 2b montre un flou notable dans les sorties de pixels aux plus grandes longueurs d'onde, les spots à 880 nm ne pouvant plus être séparés. Cela montre un effet de la modification du f/#, même dans un système théoriquement parfait.

Figure 2 : Variation de la taille des spots et des sorties de pixels en fonction de la longueur d'onde à un f/# élevé.

Ex. 3 : Variation de la taille des spots et de la sortie de pixels en fonction de la longueur d'onde dans les objectifs réels, y compris les aberrations

Cet exemple montre une représentation plus réaliste d'un véritable objectif à f/2,8 au centre et dans les coins de l'image. Ces chiffres incluent les aberrations inhérentes à la conception des objectifs, même de la plus haute qualité, et les effets liés aux tolérances de fabrication. Les aberrations déplacent l'information et modifient la forme des spots produites, ce qui conduit à des spots qui ne sont pas symétriques en rotation ; la somme des aberrations impliquées crée cette forme (vous trouverez plus d'informations sur les aberrations dans la section Aberrations. Notez que les aberrations sont plus prononcées dans les coins d'une image qu'au centre. On constate une grande différence entre les spots des Figures 1a et 1b et celles des Figures 3a et 3b; la Figure 1 est une démonstration théorique, tandis que la Figure 3 utilise un objectif réel. Remarquez comment les aberrations influencent la forme des spots dans l'image présentée dans les Figures 3c et 3d.

Figure 3 : Variation de la taille des points et du rendement des pixels en fonction de la longueur d'onde dans les objectifs réels qui comportent des aberrations.

Ex. 4 : Performance d'un objectif dans le monde réel. Images actuelles.

La Figure 4 est une image d'application qui montre la différence de performance de deux objectifs ayant la même distance focale (16 mm), le même f/# (f/2,8) et le même champ de vision (FOV) (100 mm, horizontal). Ces images illustrent tous les concepts détaillés dans les sections sur f/#, la fonction de transfert de modulation (MTF) et la longueur d'onde. La cible est une mire étoilée multi-éléments qui permet la visualisation simultanée d'une large gamme de fréquences (résolutions) dans des points de champ communs dans toutes les directions. Vous trouverez plus de détails sur cette mire et sur d'autres mires permettant d'évaluer les performances du système dans Resolution and MTF Testing. Les différences de performance sont visibles en examinant des sections en gros plan du FOV. La Figure 4 montre la mire étoilée complète qui est imagée par les deux objectifs ; les zones en surbrillance au centre, en bas au milieu et dans le coin de la mire sont des points d'intérêt dans la comparaison entre les deux objectifs différents. Dans cet exemple, on utilise un capteur monochrome Sony ICX625 avec des pixels de 3,45 µm et une résolution totale de 5 MP, ainsi qu'un rétro-éclairage à lumière blanche.

Figure 4 : Une mire étoilée est imagée avec deux objectifs (A et B) ayant la même distance focale, f/#, FOV et capteur.

Les comparaisons présentées dans la Figure 4 montrent la performance supérieure de l'objectif A. Le coin de l'image montre une grande différence de contraste ; il est nettement plus difficile de différencier le noir et le blanc dans l'objectif B par exemple. De plus, la directionnalité des différentes aberrations (principalement l'astigmatisme) est proéminente ; on peut voir plus de détails associés aux lignes se propageant dans la direction radiale.

Le gros plan du coin de l'image de la Figure 4 (cases jaunes) présente un problème supplémentaire, car chaque paire de lignes noires et blanches couvre environ 10 pixels au total. Par rapport à la partie résoluble au centre de l'image, le coin présente une résolution spatiale réduite (en raison du cercle flou couvrant plusieurs pixels), passant de 5 MP (2 448 × 2 050) près du centre à environ 500 × 400 pixels dans le coin, ce qui est inférieur à ce que peut reproduire un capteur VGA (640 × 480 pixels). Même avec une résolution de capteur réduite, certains objectifs ont encore du mal à s'adapter en raison des contraintes de conception et des tolérances de fabrication, comme en témoigne le contraste différent de chaque objectif. Le niveau de contraste dans la boîte jaune pour l'objectif A est de 45% et de 7% dans la boîte jaune pour l'objectif B.

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