Tout mettre au point : Trouver le bon verre pour votre système de vision
Pour obtenir une image nette, il ne suffit pas d'avoir une bonne caméra: seul un objectif adapté garantit une qualité d'image optimale. Les objectifs se distinguent non seulement par leur résolution, leur longueur focale et leur taille, mais aussi par leur conception. Dans l'article suivant, nous allons vous montrer quel objectif convient à quelle situation.
Quels sont les types d'objectifs disponibles - et quels sont les critères de choix ?
Le choix du bon objectif est crucial pour les performances d'un système de traitement d'images. Plusieurs facteurs techniques doivent être pris en compte pour que l'optique et le capteur fonctionnent de manière optimale, en particulier la taille du capteur, la résolution, la longueur focale et l'ouverture.
Tout d'abord, un bref aperçu des principaux types d'objectifs:
Il s'agit généralement d'objectifs entocentriques ou télécentriques, ainsi que d'objectifs grand angle et fish-eye. Il existe également des objectifs spéciaux pour le proche infrarouge.
Dans ce qui suit, nous nous concentrerons sur les objectifs entocentriques, qui sont utilisés dans la majorité des applications de vision industrielle. Elles créent une image de perspective - semblable à celle de l'œil humain : les objets éloignés apparaissent plus petits, les objets proches plus grands. L'œil humain est lui-même un exemple d'optique entocentrique.
Les facteurs techniques suivants sont déterminants pour le choix d'un objectif approprié :
Taille du capteur et diamètre du cercle d'image
Résolution et taille des pixels
Distance focale
Ouverture du diaphragme et conditions d'éclairage
1. Taille du capteur et cercle d'image
La taille du capteur est un facteur clé dans le choix de l'objectif. Les caméras matricielles et linéaires à haute résolution ont généralement des capteurs plus grands que les caméras à plus faible résolution. Leurs dimensions ne sont pas normalisées, mais résultent de la résolution et de la taille des pixels. En théorie, presque toutes les tailles sont possibles, en fonction du budget. La taille des capteurs est indiquée en pouces. Cependant, 1 pouce ne correspond pas à 25,4 mm, mais à environ 16 mm - une valeur historiquement déterminée et normalisée par l'industrie.
1.1 Le montage
La connexion de la caméra à laquelle l'objectif est fixé correspond à une taille standard et est appelée monture.
Une monture C, qui est le type de monture le plus répandu pour les caméras de vision industrielle, convient pour une diagonale de capteur d'environ 20 mm - ce qui correspond à 1,5 pouce. Pour les capteurs plus grands, on utilise généralement une monture F ou une baïonnette F, bien que ce type de monture soit rarement utilisé dans les applications industrielles. Pour ces applications, les montures CS et S, qui conviennent aux caméras dotées de capteurs plus petits, sont plus couramment utilisées. sont utilisés pour un capteur de 1/2″, 1/3″ ou plus petit. Pour monter un objectif à monture C sur une caméra à monture CS, une bague d'adaptation de 5 mm est nécessaire. Cette procédure ne fonctionne pas dans l'autre sens : un objectif à monture CS ne peut pas être monté sur une caméra à monture C.
1.2 Diamètre du cercle de l'image
La monture d'un objectif ou la taille de la monture ne permet de tirer que des conclusions limitées sur le cercle d'image, c'est-à-dire la zone du capteur qui est exposée de manière uniforme et sans ombres sur les bords (vignettage).
Tout comme la taille du capteur, le diamètre du cercle d'image est spécifié en pouces. Un objectif à monture C de 1/3″ convient parfaitement à une caméra dotée d'un capteur de 1/3″ - le cercle d'image est utilisé de manière optimale. Avec un capteur plus grand (par exemple 1/2″), le même objectif entraînerait un vignettage.
En revanche, si un objectif 2/3″ est utilisé sur un capteur 1/3″ plus petit, il n'y a pas de vignettage et la netteté de l'image reste élevée jusqu'au bord, mais une grande partie du cercle de l'image reste inutilisée. Cette situation est inefficace, car les objectifs plus grands sont plus coûteux. Un objectif plus petit est donc généralement plus rentable pour les petits capteurs.
2. Résolution et taille des pixels
Un système de vision à haute résolution nécessite non seulement un capteur de plusieurs mégapixels, mais aussi un objectif capable de reproduire cette résolution. La résolution d'un objectif détermine si les détails fins restent visibles ou s'ils sont perdus. Dans les sections suivantes, vous apprendrez pourquoi la résolution et la taille des pixels doivent être considérées ensemble et comment vous pouvez évaluer les performances d'un objectif.
Résolution et paires de lignes par millimètre
La résolution d'un objectif est spécifiée en paires de lignes par millimètre (lp/mm). Cette valeur indique le nombre de lignes fines qui peuvent encore être clairement séparées les unes des autres sur un millimètre. Plus cette valeur est élevée, plus les détails représentés sont nets. Ce n'est que si la résolution de l'objectif est suffisamment élevée qu'un capteur peut exploiter tout son potentiel.
Courbes MTF : Netteté du centre au bord
La courbe MTF (fonction de transfert de modulation) peut être utilisée pour afficher la résolution d'un objectif sur l'ensemble du champ de l'image - du centre de l'image au bord. La courbe est basée sur une mire avec des lignes noires et blanches dont la distance devient de plus en plus petite. Les fabricants fournissent souvent des courbes MTF sur demande ou dans les fiches techniques et elles permettent d'évaluer objectivement les performances réelles d'un objectif.
Pixel size and lens selection in practice
The resolution of the lens must match the pixel size of the sensor - only then will every pixel be in focus. With a 5 megapixel sensor, for example, you need a lens that can actually resolve these 5 MP. Some lenses indicate the supported sensor resolution directly in megapixels - this simplifies the selection process, but does not replace testing using technical data such as lp/mm or MTF curves. Only when sensor resolution and lens performance match can the full potential of an image processing system be exploited.
Note complémentaire : Mégapixel
De nombreux fabricants d'appareils photo grand public ou de smartphones vantent le nombre particulièrement élevé de mégapixels de leurs appareils. Cela laisse entendre au consommateur que plus de mégapixels signifie plus de résolution et produit la meilleure image. Mais le nombre élevé de mégapixels n'est en fait d'aucune utilité si l'objectif n'est pas adapté. Les objectifs de bonne qualité sont coûteux, c'est pourquoi de nombreux fabricants essaient de réduire les coûts dans ce domaine. Par exemple, un smartphone doté d'un appareil photo d'une résolution de 20 MP produit déjà une image floue ; un capteur avec un nombre de pixels aussi élevé ne fera qu'accentuer le flou.'
Toutefois, un appareil photo compact doté d'une résolution de 5 MP et d'un objectif de haute qualité produira des images nettement plus nettes, malgré une résolution prétendument inférieure.
Pour la vision industrielle, les capteurs proposés ont généralement une résolution comprise entre VGA (0,3 mégapixel) et 5 mégapixels. Des résolutions plus élevées n'auraient pas beaucoup de sens, du moins pour les caméras à monture C, car le pixel individuel est beaucoup trop petit et le bruit serait beaucoup trop important pour exécuter les tâches de mesure et d'inspection exigeantes.
3. Interaction de la longueur focale & taille du capteur
La distance entre le centre optique de l'objectif et le point focal est appelée distance focale. Tous les rayons lumineux de la lumière incidente parallèle se croisent au point focal. La distance focale f de l'objectif dépend donc du pouvoir de réfraction des verres et est exprimée en millimètres.
Longueur focale et effet d'image
Plus la longueur focale est grande, plus les caractéristiques de téléobjectif de l'objectif sont importantes. Les objectifs géants que nous reconnaissons chez les photographes sportifs et les paparazzi ont clairement des longueurs focales plus grandes que les objectifs des appareils photo grand public. Les objectifs grand angle et les objectifs fish-eye ont des distances focales plus petites.
La longueur focale est déterminée par la largeur du capteur, la largeur de l'objet et la distance d'utilisation. La plupart des fournisseurs d'objectifs proposent sur leur site web des outils de calcul qui vous permettent de calculer la longueur focale.
Exemples d'images pour différentes distances focales
La comparaison des images montre comment la section de l'image diminue et l'effet de zoom augmente au fur et à mesure que la longueur focale augmente - ce qui est crucial pour choisir le bon objectif.
4. Ouverture & conditions d'éclairage
Le choix de l'ouverture de la caméra a un impact direct sur la qualité de l'image et la luminosité. Le nombre F (ou F-stop) est le rapport de la longueur focale sur le diamètre du diaphragme et spécifie l'ouverture du diaphragme.
Nombre F et qualité d'image
Un nombre F élevé signifie une ouverture plus petite - moins de lumière tombe sur le capteur. Une grande ouverture est avantageuse dans des conditions de faible luminosité, car elle laisse passer plus de lumière.
Les ouvertures plus petites augmentent la profondeur de champ et réduisent les aberrations telles que le vignettage, mais peuvent entraîner un flou de diffraction. Ce phénomène est dû à la diffraction de la lumière au bord de l'ouverture et réduit la qualité de l'image.
Chaque objectif a donc un nombre F optimal, compromis entre une profondeur de champ maximale et une diffraction minimale.
Conclusion: Choisissez l'ouverture de manière à ce qu'elle corresponde à la situation d'éclairage de votre application - ni trop large, ni trop fermée.
Liste de contrôle pour le choix de l'objectif
Avant de choisir un objectif, vérifiez les points suivants :
Monture de l'objectif: La monture de l'objectif (par exemple, monture C) est-elle compatible avec votre caméra ?
Résolution: La résolution de l'objectif correspond-elle à la résolution du capteur, de sorte que tous les détails sont mis au point ?
La longueur focale correspond-elle à la taille du capteur et à la section d'image souhaitée pour votre application ?
Cercle d'image: Le diamètre du cercle d'image couvre-t-il l'ensemble du capteur - sans vignettage ?
Ouverture: L'intensité lumineuse (ouverture) est-elle suffisante pour la luminosité ambiante ?
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