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Objectifs adéquats pour une vision industrielle de haute précision

Les applications de vision industrielle de haute précision dépendent de la production d'images reproductibles et de haute qualité, que ce soit à des fins d'inspection ou de mesure. Cela signifie que les images doivent avoir une résolution suffisante et une définition correcte des zones d'intérêt pour que l'inspection ou la mesure puisse se faire. Chaque élément d'un système de vision industrielle a un rôle important à jouer dans le résultat global, mais le dispositif optique en est le cœur puisqu’il est responsable de la formation de l'image sur le capteur de la caméra.

Les caractéristiques de construction du système optique à l’intérieur de l’objectif (telles que la taille du rayon des lentilles, la distance entre les lentilles ou le type de verre utilisé) ainsi que la distance entre l’objectif et le capteur ont un impact direct sur la qualité de l’image.

Facteurs affectant la performance de l'objectif

Une fois le champ de vision de l'application déterminé, la résolution et la qualité de l'image sont les critères de sélection les plus importants. La plupart des objectifs utilisés dans les applications de vision industrielle sont des objectifs endocentriques, avec une mise au point fixe, qui offrent la même perspective que l'œil humain. Avec une optique parfaite, tous les rayons lumineux incidents sur le capteur sont focalisés depuis un seul point au niveau de l'objet jusqu'à un seul point au niveau de l'image. Cependant, tous les objectifs souffrent d'imperfections qui influencent la résolution et la qualité de l'image produite par l'objectif. On retrouve par exemple :

  • Les défauts physiques. Les défauts de surface feront en sorte que les rayons lumineux se focaliseront à un point différent, ce qui entraînera un certain flou.

  • Les aberrations chromatiques. L'angle de réfraction de la lumière à travers une lentille dépend de la longueur d'onde, ce qui entraîne des franges de couleur sur toutes les images produites à l'aide de lumière blanche avec un flou sur les bords de l'image.

  • Les aberrations sphériques. La plupart des lentilles sont sphériques. Ainsi, le point focal de chaque rayon passant à travers la lentille dépend de la distance qui le sépare du centre de la lentille. Les images qui en résultent seront de plus en plus floues à l’approche des bords.

  • Distorsion spatiale. Tous les objectifs souffrent d'une certaine distorsion dans laquelle l'image est étirée ou compressée de manière non linéaire, ce qui rend les mesures précises difficiles. En général, les objectifs à focale plus courte subissent plus de distorsion que les objectifs à focale plus longue, car la lumière frappe le capteur à partir d'un angle plus grand.

  • Éclairage et ombrage non uniforme sur toute l'image. Avec n'importe quel objectif, la luminosité de l'image est réduite vers les bords et c'est ce qu'on appelle le vignettage. Le vignetage Cos4 se produit parce que la lumière doit se déplacer davantage vers le bord de l'image et atteindre le capteur à un angle plus faible. Le vignettage mécanique se produit lorsque le faisceau lumineux est bloqué mécaniquement, généralement par la monture de l'objectif.

Des facteurs tels que la diffraction peuvent également affecter la qualité de l'image. La diffraction résulte de la légère flexion de la lumière lorsqu'elle passe près des bords de l'ouverture de l'objectif. Plus l'ouverture est petite, plus l’effet de diffraction est grand. La diffraction provoque l'étalement d'un point de lumière dans ce que l’on nomme un cercle flou, ce qui réduit la netteté de l'image. La qualité optique globale d'un objectif est définie par la MTF (fonction de transfert de modulation) qui décrit mathématiquement la comparaison entre le contraste de détail aux bords d'un objet et le contraste de détail de sa représentation visuelle.

Effectuer des corrections

Il existe plusieurs façons de traiter les problèmes décrits ci-dessus. Les défauts de surface peuvent être minimisés en portant une attention particulière à la fabrication des lentilles, à leur meulage et polissage. Si aucune information de couleur n'est requise, l'aberration chromatique peut être évitée en utilisant un éclairage monochromatique.

Une source LED monochrome est utilisée en conjonction avec un filtre approprié pour filtrer toutes les couleurs étrangères. La couleur la plus couramment utilisée ici est le rouge, car c'est la solution la plus économique. Alternativement, la lumière blanche peut être utilisée avec un filtre passe-bande approprié.

Si l'information de couleur de l'image est requise, des objectifs à correction de couleur sont disponibles dans lesquelles plusieurs éléments optiques sont combinés pour compenser les variations de réfraction de la lumière dépendantes de la longueur d'onde.

L'aberration sphérique peut, elle, être réduite de façon significative en utilisant des lentilles asphériques. Celles-ci ont été spécialement façonnées pour compenser les défauts de sphéricité et permettre à la lumière de se focaliser en un seul point.

La distorsion spatiale quant à elle peut être corrigée à l’aide d’un logiciel. Cependant, celui-ci ne peut pas prendre en compte la profondeur de l'objet. Il est ainsi préférable d’utiliser un objectif approprié pour corriger la distorsion. Il existe des objectifs à distance focale courte conçus de telle sorte qu’ils parviennent à maintenir la distorsion la plus faible possible. Si la distorsion est susceptible d'affecter les mesures, il est préférable d'utiliser une distance focale plus longue et d'augmenter la distance de travail, en fonction de la taille du capteur nécessaire et de l’espace disponible.

Agrandissement, mise au point et perspective

Le choix de l’objectif approprié à une application de vision industrielle dépend du capteur utilisé. L'objectif doit être capable d'éclairer l’ensemble de la surface du capteur afin d'éviter l'ombrage et le vignettage. L'objectif doit également être capable de résoudre la taille des pixels du capteur de la caméra utilisée. Le rapport entre l'image et la taille de l'objet décrit le grossissement d'un objectif et est directement lié à la fois à la longueur focale de l'objectif et à la distance de travail (distance de l'objet par rapport à l'objectif). Comme nous l'avons déjà mentionné, les objectifs à focale fixe sont utilisés pour la grande majorité des applications industrielles dont la taille de l’objet et la distance de travail restent fixes. Afin d’assurer une capture précise des détails de l'objet et de leurs contours, ces détails doivent être reproduits sur environ 4 pixels du capteur. Ainsi, le grossissement requis dépend de la résolution de l'objet et de la taille des pixels du capteur.

Pour les objectifs à focale fixe, les réglages disponibles ne sont généralement que la mise au point et/ou la taille de l'ouverture (diaphragme). Réduire la taille de l'ouverture peut minimiser certaines aberrations car elle réduit la quantité de lumière entrante et augmente ainsi la profondeur de champ. Plus la profondeur de champ augmente, plus l’image sera nette sur une plus large gamme de distances d'objets.

Cependant, avec une distance focale fixe et une position fixe de l'objectif par rapport au capteur, cette plage de distances produit des effets de perspective où des objets de même taille ont des grossissements différents en fonction de leur distance par rapport à l'objectif. Cela peut compromettre considérablement la précision de la mesure. La taille de l'ouverture est spécifiée par le nombre f. Mais il faut faire ici attention : les effets de diffraction décrits ci-dessus limitent la netteté de l'image lorsque l’ouverture est inférieure à F8.

Objectifs macro

Les objectifs macro sont spécialement conçus pour les petits champs de vision, quasiment de la même taille que le capteur de la caméra. Ils sont classifiés en fonction de leur taux de reproduction par rapport à la taille du capteur et sont optimisés pour la mise au point de près. Grâce à leurs très bonnes propriétés MTF et à une distorsion négligeable, ils peuvent s’adapter à de nombreuses applications de vision. Leur seul défaut serait pourtant un manque de flexibilité, car il n'est pas possible de changer leur taux de grossissement ou la distance de travail. Certains objectifs standards ou de haute résolution peuvent utiliser comme objectifs macro en leur ajoutant des anneaux inversés spéciaux.

Le grossissement le plus habituel pour ces objectifs se situe entre 0,5x et 2x ; un grossissement plus important est déjà de l’ordre de la vision microscopique.

Vision et éclairage télécentrique

Les objectifs télécentriques sont généralement utilisés dans des applications de mesure où des distorsions de perspective et une échelle de reproduction incorrecte peuvent causer des problèmes. Ils sont particulièrement adaptés à la prise d’image 3D où la mise à l'échelle peut souvent être mal interprétée. Les lentilles télécentriques collimatent la lumière entrant dans la lentille sur l’ensemble du champ de vision (image à gauche). Ainsi, tous les objets ont le même grossissement sur l’image quelle que soit leur distance à l’objectif, ce qui élimine la distorsion de perspective et facilite les mesures.

L’image (a) montre un assemblage électrique à contrôler pour y détecter les éventuels défauts. L'une des broches est pliée et le système de vision doit localiser ce défaut. L'utilisation d'un objectif standard endocentrique déforme la perspective de l'image, ce qui complique considérablement la recherche des défauts (image b) : les broches semblent "se déployer" à partir de l'axe central et partir sur les côtés. Sur cette image, la broche défectueuse ne diffère guère des autres, représentant un défi majeur pour le logiciel de traitement d'image.

L’image (c) montre une image du même composant produite à l'aide d'un objectif télécentrique : toutes les broches apparaissent maintenant perpendiculaires à l’objectif, sans distorsion de perspective, à l'exception de la broche coudée. L’élément défectueux apparaît donc clairement sur l’image, facilitant grandement le travail de reconnaissance.

Fil métallique oscillant à la sortie du moule.

Un autre exemple concerne le contrôle précis de l'épaisseur des fils étirés lorsqu'ils sortent du moule. Le défi réside ici dans le fait qu’à la sortie du moule, le fil peut vibrer et changer de position, compliquant les mesures si l’on utilise un objectif universel (image 4). En effet, la distance entre le fil et l'objectif change constamment, donc, avec un objectif standard, l'épaisseur du fil donnera l’impression de varier en fonction (images 5a et 5b).

Un objectif télécentrique pourra lui fournir une image précise, avec un grossissement uniforme et une mise au point sur le fil, quelle que soit sa position (image 5c).

En raison du trajet parallèle du faisceau, l'ouverture de l'objectif télécentrique doit forcément avoir la même taille que celle du champ de vision. Ainsi, les objectifs pour les grands champs de vision sont de grande taille et peuvent être très coûteux.

Pour les applications de mesure particulièrement exigeantes, il existe des objectifs télécentriques à double face. Ils permettent d’effectuer des mesures précises, même lorsque l'image est floue. Ils augmentent la profondeur de champ et ne fournissent qu’une faible distorsion.

Les applications télécentriques pour la mesure et l'inspection de surfaces planes et de leurs défauts imposent des exigences élevées au système d'éclairage. Pour des applications telles que la détection de motifs de plaquettes de silicium et l'inspection d'écrans LCD, de surfaces métalliques polies, de vitres en plastique ou en verre, des objectifs télécentriques avec sources de lumière coaxiales intégrées permettent d’éclairer de façon homogène des surfaces inégales et de détecter de petits défauts de surface tels que des rayures ou des rainures.

Une source LED intégrée offre une excellente stabilité et homogénéité de la lumière, et réduit les effets de contre-réflexion, courantes dans les systèmes d'éclairage coaxial conventionnels. Ce type d’éclairage est particulièrement bien adapté à l’inspection de surfaces planes hautement réfléchissantes, dont le taux de réflexion dépasse les 30%.

Pour les applications où les objets requièrent un rétroéclairage (mesures de précision de pièces rondes ou cylindriques par exemple), de puissants systèmes d'éclairage télécentrique ont été spécialement développés pour fonctionner avec des objectifs télécentriques. Par rapport aux éclairages à lumière transmise diffuse, ils offrent un contraste plus élevé sur les bords de l’image et permettent ainsi une plus grande précision de mesure. Même les objets transparents obtiennet un contour clair et net.

Quelle est l’objectif adéquat ?

Avec autant de critères à prendre en compte lors du choix d’un objectif de vision industrielle, l’aide d’un spécialiste n’est pas superflue. Il saura faire coïncider les exigences de l'application et les capacités technologiques des différents types d’objectifs. Ce savoir-faire est l’un des points forts de STEMMER IMAGING qui, dans sa seule gamme de dispositifs optiques, possède plus de 5.000 produits qu’il livre à travers l’Europe, avec le service d’accompagnement client qui correspond. L’entreprise tient une place parmi les leaders du marché de la vision industrielle, avec un portefeuille produits extrêmement étendu, une expertise, un service clientèle et un support technique de premier choix.

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