Choisir la bonne lentille pour les applications de vision par ordinateur

Introduction

La vision par ordinateur est devenue une composante essentielle des processus industriels et de fabrication modernes, permettant l'automatisation, le contrôle qualité et les tâches d'inspection avec une grande précision. Une composante cruciale de tout système de vision par ordinateur est la lentille, qui joue un rôle clé dans la capture d'images claires et précises destinées à une analyse ultérieure. Le choix correct de la lentille est essentiel pour garantir les performances globales et l'efficacité de l'application de vision par ordinateur. Cet article explorera les facteurs clés à prendre en compte lors du choix d'une lentille pour la vision par ordinateur, ainsi que les différents types de lentilles et leurs applications.

Facteurs clés dans le choix de la lentille

Champ de vision (FOV)

Le champ de vision est la zone que la caméra et l'objectif sont capables de capturer. Il est déterminé par la distance de travail (la distance entre l'objectif et l'objet à imager) et la longueur focale de l'objectif. Un champ de vision plus large est utile pour les applications nécessitant la surveillance d'une grande surface, comme dans le cas d'inspections industrielles à grande échelle ou de surveillance. Par exemple, dans une usine d'emballage alimentaire, un objectif à grand champ de vision peut être utilisé pour surveiller toute la ligne d'emballage afin de s'assurer que tous les produits soient correctement emballés.

Résolution

La résolution de l'objectif se réfère à sa capacité à distinguer les détails fins dans une image. Les objectifs haute résolution sont nécessaires pour les applications où des mesures précises ou la détection de petits détails sont requises. Par exemple, dans un processus de fabrication de semi-conducteurs, un objectif de haute résolution est nécessaire pour inspecter les minusculs circuits sur une plaquette de silicium. La résolution d'un objectif est souvent exprimée en paires de lignes par millimètre (pl/mm). Une valeur plus élevée en pl/mm indique un objectif ayant une meilleure résolution. Il est important d'associer la résolution de l'objectif à celle du capteur de la caméra. Si l'objectif a une résolution inférieure à celle du capteur, le plein potentiel du capteur ne sera pas exploité.

Profondeur de champ (DoF)

La profondeur de champ est la plage de distances par rapport à l'objectif dans laquelle les objets apparaissent suffisamment nets dans l'image. Une grande profondeur de champ est avantageuse lorsque des objets se trouvent à des distances différentes de la caméra ou lorsqu'il existe une certaine variation dans la position de l'objet. Dans un système d'inspection pour l'impression 3D, où les pièces imprimées peuvent avoir des hauteurs différentes, un objectif doté d'une grande profondeur de champ permet d'assurer que toutes les parties de l'objet soient nettes. La profondeur de champ est influencée par plusieurs facteurs, notamment la longueur focale, la taille du diaphragme et la distance de travail. Généralement, une longueur focale plus courte, un diaphragme plus petit (nombre f plus élevé) et une distance de travail plus grande conduisent à une profondeur de champ plus grande.

Déformation

La distorsion d'une lentille fait apparaître courbée l'image d'un objet composé de lignes droites. Il existe deux types principaux de distorsion : la distorsion en barillet, où l'image semble s'arrondir vers l'extérieur aux bords, et la distorsion en coussinet, où l'image semble se rétracter vers l'intérieur aux bords. Dans les applications où des mesures géométriques précises sont cruciales, telles que la métrologie ou le guidage robotique, les lentilles à faible distorsion sont essentielles. Par exemple, dans un système de préhension par un bras robotique, une lentille présentant une distorsion minimale est nécessaire pour identifier avec précision la position et l'orientation des objets.

Distance de travail

La distance de travail est la distance entre l'avant de l'objectif et l'objet à imager. Elle est déterminée par les exigences de l'application. Certaines applications, comme l'inspection de petits composants sur une carte électronique, peuvent nécessiter une courte distance de travail, tandis que d'autres, telles que la surveillance de grandes zones extérieures, requièrent une longue distance de travail. La distance de travail influence également d'autres paramètres de l'objectif, tels que le champ de vision et la profondeur de champ.

Montage et Compatibilité

L'objectif doit être compatible avec la caméra avec laquelle il est utilisé. Les caméras diffèrent selon les types de monture, comme la monture C, la monture CS ou la monture F. Il est important de s'assurer que l'objectif possède la bonne monture pour s'adapter correctement à la caméra. De plus, l'objectif doit être compatible avec la taille du capteur de la caméra. L'utilisation d'un objectif dont le cercle image est trop petit pour le capteur peut entraîner un vignettage (assombrissement des coins de l'image) ou une couverture incomplète du capteur.

Types d'Objectifs de Vision Industrielle

Objectifs à focale fixe

Les objectifs à focale fixe, également appelés objectifs fixes, possèdent une seule distance focale qui ne peut pas être modifiée. Leur conception est relativement simple et ils offrent souvent des performances optiques élevées en termes de résolution et de faible distorsion. Ces objectifs conviennent aux applications où le champ de vision et la distance de travail sont fixes. Par exemple, dans un système de lecture de codes-barres à la caisse d'un supermarché, un objectif à focale fixe peut être utilisé pour capturer des images claires des codes-barres à une distance spécifique.

Objectifs zoom

Les objectifs zoom permettent à l'utilisateur de modifier la distance focale, ce qui modifie à son tour le champ de vision. Cela les rend polyvalents pour des applications où la caméra doit capturer différentes zones ou objets situés à diverses distances. Dans un système de surveillance de sécurité, un objectif zoom peut être ajusté pour se concentrer sur différentes parties d'un bâtiment ou pour suivre des objets en mouvement. Toutefois, les objectifs zoom n'offrent pas nécessairement le même niveau de performance optique que les objectifs à distance focale fixe, notamment en termes de résolution et de distorsion.

Objectifs Télécéntriques

Les objectifs télécentriques sont conçus pour maintenir un agrandissement constant, indépendamment de la distance de l'objet dans une certaine plage. Cela les rend idéaux pour des applications nécessitant des mesures dimensionnelles précises, comme lors du contrôle qualité des pièces manufacturées. Dans une usine de mécanique de précision, des objectifs télécentriques peuvent être utilisés pour mesurer avec une grande exactitude les dimensions des composants usinés, puisqu'ils éliminent les effets de la distorsion perspective.

Objectifs macro

Les objectifs macro sont optimisés pour la photographie rapprochée et sont capables d'atteindre des rapports de grandissement élevés. Ils sont utilisés dans des applications où de petits objets ou des détails fins doivent être examinés, comme dans l'inspection de bijoux ou l'imagerie de spécimens biologiques. Dans un processus de fabrication de bijoux, les objectifs macro peuvent être utilisés pour inspecter les détails complexes des sertissages de pierres précieuses ou la qualité des travaux métalliques.

Conclusion

Le choix de la bonne lentille pour une application de vision par ordinateur est un processus complexe qui implique de prendre en compte plusieurs facteurs. En évaluant soigneusement le champ de vision, la résolution, la profondeur de champ, la distorsion, la distance de travail, la compatibilité du montage et les exigences environnementales, les ingénieurs et intégrateurs de systèmes peuvent sélectionner une lentille permettant d'optimiser les performances du système de vision industrielle. Que ce soit pour l'automatisation industrielle, le contrôle qualité ou la recherche scientifique, le choix correct de la lentille est essentiel pour obtenir des données d'image précises et fiables destinées à une analyse et une prise de décision ultérieures.