Objectifs
Telecentriques: informations de base et principes de fonctionnement.
Dans les derniers ans les systèmes pour la mesure dimensionnelle
qui se servent de technologies de vision artificielle ont devenu
toujours plus populaires.
Les améliorations introduites dans les caméras,
dans le software et dans les systèmes d'éclairage
ont rendu possible la réalisation d'une précision
pair et parfois supérieur à cette des méthodes
"à contacte" ou basés sur la technologie
laser.
Les opérateurs du secteur de la vision artificielle sont
toujours plus conscients du fait qui la qualité des optiques
donnes prestations supérieures du système et les
Objectifs Telecentriques sont nécessaires pour chaque type
de contrôle dimensionnel.
Les developpeurs du software ont besoin de mesurer des parties
mécaniques en manière très précise,
avec un haut contraste et avec la minor la distorsion géométrique
possible.
Les effets prospectiques, qui causent un change de enlargement
lorsque le morceau n'est pas bien positionné ou lorsque
il est "très tridimensionnel", peuvent être
minimisé ou éliminés par l'emploie de cette
tipologie d'optique.
Outre les problèmes d'élaboration de l'image, le
projeteur de systèmes de vision doit ne pas oblier que
les optiques communes, ou entocentriques, permettent que quelques
facteurs limitent la precision et la repetibilité de la
mesure pour laquelle l'application est projeté:
- Change de enlargement dû à des déplacements
de l'objet
- Distorsion de l'image
- Erreurs de perspective
- Basse Résolution de l'image
- Incertitude sur la position des bords, dû à
la géométrie d'éclairage
Les Objectifs Telecentriques réduisent beaucoup de ces problèmes,
et pour ceci ils sont devenus un "must" pour tous qui
développent des applications de mesure de précision.
Image 1: principe de fonctionnement des different typologies
d'objectif.
De suivi nous expliquons comme un objectif telecentrique fonctionne
et parce que beaucoup des effets décrits sont réduits
ou éliminés.
A – ENLARGEMENT
CONSTANTE
Dans les applications de mesure une vision perpendiculaire de
l'objet est souvent necessaire(dans lequel les autres côtés
de l'objet ne soient pas visualisés) ainsi de pouvoir effectuer
une mesure linéaire correcte.
En outre, il n'est souvent pas possible positionner précisément
l'objet (par exemple à cause des vibrations) ou la mesure
doit être effectuée à des différentes
profondeurs ou l'epaisseur de l'objet (et donc sa superficie)
peut être variable; malgré cela, les ingénieurs
informatiques ont besoin d'une parfaite corrélation entre
l'image et les dimensions réelles.
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| Image 2 : sur la gauche
une image de l'intérieur d'un objet cylindrique obtenue
avec une lentille telecentrique (en haut) et le même
objet vu avec un objectif traditionnel (dessous). Sur la
droite une image de deux vis identiques mais séparés
de 100 mm, obtenue avec un objectif telecentrque (an haut)
et avec un objectifs traditionnel (dessous) |
Les objectifs communs donnent des enlargements différentes
à des différentes conjugués; donc les dimensions
de l'image du même objet poste en différentes positions
changent presque proportionnellement avec la distance objet- objectif,
comme un peut facilement vérifier en acquérant une
image avec une normale camera photographique ou avec autres systèmes
de vision équipés avec objectifs traditionnels.
Image 3: Les Objectifs standard produisent des images
de dimensionnes différentes lorsque l'objet change sa distance
du objective même (dans le dessine "s", est la
première conjuguée optique, pour définition).
D'autre part des objets ayant des dimensions différentes
peuvent être vues comme s'ils avaient les mêmes dimensions,
s'ils sous-tendent le même angle de visuel.
Avec un objectif telecentrique les dimensions de l'image restent
substantiellement les mêmes au varier de la distance si
l'objet reste dans le champ de telecentricité et dans la
profondeur de champ donné.
Ceci est dû à la trajectoire specifique des rayons
à travers le système optique: l'objectif accepte,
de l'objet qui observe, seulement ces cônes de rayons le
rayon barycentrique desquels (ou le rayon principal) soit parallèle
à l'axis opto-mécanique principal (et est pour cette
raison que la lentille frontale doit être au moins large
combien la diagonal de l'objet à reprendre). Ceci est possible
parce que l'ouverture de stop est placé dans le feu du
groupe frontal: la pupille de sortie voit les rayons qui entrent
dans le système, comme s'elle se trouvait à l'infini.
Ce type de objectifs, en effet, est appelé telecentrique
parce que la pupille d'entrée (le "centre" d'un
système optique) est placé à l'infini (du
grec "tele-", un suffixe qui signifie "loin").
Image 4: Dans un système telecentrique les rayons
entrent dans les objectif seulement avec des chemines pseudo-parallèles
à l'axe optique.
Seulement pour se rendre compte de la différence entre
les deux types d'objectifs nous supposons, par exemple, d'avoir
une normale lentille de focale 12 mm, interfacé à
des capteurs de 1/3", le tout qui regarde un objet de hauteur
H = 20mm à une distance s = 200mm. Nous supposons que est
déplacé de sa position originale, de ds=1mm, alors
la sienne dimensionne semblera changer de:
DH = (ds/s)·H = (1/200)·20 mm = 0,1 mm
Dans un objectif telecentrique la variation d'enlargement est déterminée
par l'angle de telecentricité: un bon objectif telecentrique
peut avoir un angle de telecentricité effectif plus bas que
0.1°(0.0017 rad); ceci signifie que les dimensions de l'objet
semblent changer seulement de 0.0017mm pour chaque déplacement
"ds" de 1 mm. Donc avec un objectif telecentrique l'erreur
due à l'enlargement est typiquement de 1/10 à 1/100
par rapport à un objectif traditionnel.
 Image
5: l'angle de telecentricité détermine le change
d'enlargement.
Comme conséquence du type de chemin des rayons en entrée,
la lentille frontale d'un objectif telecentrique doit être
grande au moins combien la plus grande dimension de l'objet à
voir; pour ceci les telecentriques sont larges, lourds et parfois
coûtent plus que les objectifs traditionnels.
Image 6: Un grand objectif pour un champ de vue de 400
mm (diagonal).
B – DISTORSION
BASSE
La distorsion est un des pires problèmes qui limitent
la précision des mesures, parce que tous les types d'objectif,
même si en manière différente, ils en souffrent,
et souvent un individuel pixel de différence entre l'image
réelle et l'image prévue devient critique.
La distorsion est définie simplement comme la différence
en pour-cent entre la distance de centre de l'image réelle
et la distance mesurée en absence complète de distorsion;
dans autres mots elle est la quantification en pour-cent de ce
que l'image sur le detector differs dimensionnellement du "monde
réel". Par exemple si l'angle de l'image d'un carré
se trouve à une distance de centre de 198 pixel, pendant
qu'en absence de distorsion il serait à 200 pixel, la distorsion,
dans ce point est:
Dist = (198-200)/200 = -2/200 = 1%
Une distorsion radiale positive est appelée à "coussin",
pendant qu'une distorsion radiale négative est dicte à
"baril": il est de remarquer de que la distorsion dépend
de la position radiale et peut même changer de signe.
La distorsion peut même être vue comme une transformation
géométrique de l'espace 2D réel à un
espace 2D virtuel créé du système optique;
cette transformation n'est pas parfaitement linéaire, mais
peut etre approchée par des polynômes de 2° ou
de 3° degré, donc l'image dans l'espace virtuel apparaît
légèrement repassée et déformée.
Image 7: distorsion à coussin et à baril.
Sur la droite le graphique de la correction de la distorsion d'un
objectif telecentrique de Opto Engineering.
Les optiques communes ont des valeurs typiques de distorsion qui
vont de quelque pour-cent à quelque dizaine d'unité
pourcentages, et ceci rend très difficile effectuer des mesures
précises; la correction de la distorsion est plus difficile
en absence de telecentricité. La présence de cette
aberration dans les optiques communes est dû au fait que l'oeil
humain peut facilement compenser une distorsion du 1-2%. Donc pour
les applications de photographie ou surveillance cette quantité
de distorsion est acceptable. En quelque cas, comme dans objectifs
de type "fish-eye" ou dans objectifs pour les webcam,
la distorsion est expriméement introduite pour aider la
lentille à travailler sur des grands angles et à
garantir un éclairage uniforme du detector (la distorsion
aide à réduire l'effet dû a la loi du "cosinus
à la quatrième").
Typiquement les objectifs telecentriques ont un degré
de distorsion très bas, plus ou moins 0,1%: ceci veut dire
que la plus grande erreur due à la distorsion est comparable
à la grandeur du pixel d'une camera à haute résolution
(0.6 pixel sur la grande diagonal d'un VGA).
Peu de personnes savent que la distorsion dépend beaucoup
même de la distance de l'objet, et pas seulement du système
optique. Pour ceci il est important maintenir la distance de travail
plus possible prochaine à sa valeur nominale et qu'ils
ne soient pas présents dans l'objectif des groupes optiques
pour la mise à feu.
De toute façon, souvent la distorsion est calibrée
par le software: un pattern metrologique est positionné
(l'erreur géométrique duquel soit mineure du 10%
de la precision demandé par la mesure) au centre du champ;
donc la distorsion est calculée en différents points
et une algorithme interprète l'image originale et la transforme
dans une dépourvue de distorsion. Pour éviter une
distorsion pas axialement symétrique il est nécessaire
de pourvoir à un fin alignement perpendiculaire entre l'objectif
et l'objet à inspecter.
Image 8: sur la gauche l'image d'une pattern de distorsion
obtenue avec un objectif telecentrique, où elle n'est pas
présente distorsion soit radial soit trapézoïdale.
L'image dans le moyen montre une forte distorsion radiale, cette
de droite comme elle apparaît celle trapézoïdale.
La distorsion trapézoïdale (appelée souvent effet
"keystone" ou "thin prism") est un autre important
paramètre qui doit être minimisé dans un objectif;
en effet, en étant asymétrique, il est très
difficile à éliminer avec le software.
C – LIMITATION
DES ERREURS DE PERSPECTIF
Lorsque optiques communes sont employées pour reprendre
des objets épais (pas plats)les objets lointains auront
une image plus petite respect à des objets plus voisins.
Pour cette raison, lorsque il est regardé un objet, par
exemple, une cavité cylindrique, les bords circulaires
supérieur et inférieur sembleront être concentriques
mais de rayon divergé, même si les deux cercles sont
exactement identiques. Au contraire, avec un telecentrique le
bord inférieur disparaître parce qu'il est couvert
du bord supérieur.
Image 9: Erreur perspective dû à une optique
traditionnelle (à gauche) et l'absence d'erreur perspective
(à droite) avec un objectif telecentrique.
Cet effet a dû au spécifique chemin des rayons: dans
une optique commune l'information géométrique "parallèle"
à l'axe optique a une composante dans la direction du plan
du capteur, pendant qu'avec un telecentrique cette composante perpendiculaire
est totalement absent.
Dans autres mots les objectifs communs construisent une correspondance
entre un espace objet tridimensionnel et un espace image à
deux dimensions: avec un objectif telecentrique, par contre la troisième
dimension dans l'espace objet n'est pas montrée tout à
fait.
Image 10: les optiques communes (a gauche) projettent
sur le capteur des informations géométriques sur
la profondeur de l'objet, au contraire les objectifs telecentriques
non.
D - EXCELLENTE
RÉSOLUTION DE L'IMAGE
La résolution est représentée par le CTF
(function de transfert du contraste), un paramètre qui
décrit le rapport de contraste à une donné
fréquence spatiale sur le plan du capteur, exprimé
lp/mm (pair de lignes pour millimetre).
Image11: bon et mauvais contraste obtenu avec des optiques
avec CTF différentes en regardant une pattern standard
USAF.
Très souvent les usagers inexperts choisissent des caméras
fournies d'une multitude de minuscules pixels que, couplées
avec une optique peu coûteuse et avec peu de pouvoir résolutif,
donnent une image de toute façon peu limpide. La résolution
fournie d'un objectif telecentrique est par contre typiquement compatible
avec le pixel de format plus petit.
E - AUCUNE
INCERTITUDE SUR LA POSITION DES BORDS
Souvent, en éclairant par derrière l'objet à
reprendre, on peut relever des difficultés dans la détermination
de l'exacte position de ses bords. Ceci parce que le signal du
fond, plus brillant, tends à se superposer à celui
provenant des bords, plus sombres, de l'objet; en outre si l'objet
est fortement tridimensionnel, un autre effet peut sérieusement
compromettre la précision de la mesure. Comme il se voit
dans l'image 12, les rayons qui proviennent des zones périphériques
de l'objet, en résultant voisins au bord, peuvent etre
refleté de l'objet de mêmes (beaucoup matériels
se comportent comme un miroir si l'angle d'incidence est assez
vaste) et donc interprétés comme rayons provenants
directement de la derrière partie de l'objet. Ceci peut
faire que les marges de l'objet ne soient pas vus correctement.
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| Image
12: les effets au bord dans un commun système de
imaging sont beaucoup réduits en employant un objectif
telecentrique. |
Cet effet peut être réduit de beaucoup si un objectif
telecentrique est adopté parce que, si le f-nombre n'est
pas trop petit, (ou bien si la diaphragme n'est pas trop "ouverte"),
les uniques rayons qui peuvent être refletés de la
superficie de l'objet et être ramassé de l'optique
sont ceux-là parallèles ou presque parallèles
à l'asse optique principal. Puisque ces rayons sont peu
inclinées, l'angle de réflexion sur la superficie
résulte conséquentement petite et, dans ces conditions,
la precision de la mesure ne résulte pas compromis en mode
significative.
Pour s'éviter complètement ce problème on
peut interfacciare l'objectif telecentrique à un allumeur
collimaté (quuelquefois appelé allumeur telecentrique),
en ayant du soin de coupler correctement l'ouverture de objectif
et son champ de vue. Avec cette configuration toute la lumière
qui sort de l'allumeur est ramassée de l'objectif et sur
le capteur, en engendrant un tres elevee rapport signal/bruit
et en permettant des temps d'exposition très brefs. En
outre les uniques rayons qui arrivent à l'objectif sont
ceux-là attendus et, donc ils n'engendrent pas de problèmes
aux bords de l'objet.
Image 13: une source collimatée ou telecentrique
projette dans l'objectif telecentrique seulement les rayons attendus.
F - AVANTAGES
DE OBJECTIF BI-TELECENTRIQUE
1. Variation de l'enlargement plus basse
Le performances des objectifs telecentriques traditionnels résultent
pires, en termes de résolution de l'image et de constance
de l'enlargement par rapport à objectifs bi-telecentriques
parce que l'inclinaison des cônes de rayons qui rencontrent
le capteur dépend du champ angulaire et en outre le système
optique résulte asymétrique et moins stable. Comme
conséquence le spot engendré de l'intersection du
cône de rayons et le plan du detector assume des formes
et dimensions différentes au centre de l'image par rapport
aux bords (le "point spread" function change et devient
pas symétrique, pendant que le spot il devient plus large
et elliptique).
Lorsque l'objet occupe en longueur toute la profondeur de champ,
le spot engendré des rayons provenants d'un point se deplace
transversalement sur l'plan image, en causant un petit changement
de l'enlargement, délétère pour des mesures
de précision.
Pour cette raison lui objectifs non bi-telecentriques montrent
une basse costance de enlargement, malgré la telecentricité,
mesurée dans l'espace objet, puisse résulter très
bon.
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| Image
14: dans un objectif bi-telecentrique (à droite)
le cône de rayons intercepte le detector en mode indépendante
du champ image; dans un objectif pas telecentrique côté
image (à gauche) ceci pas accade. |
2. Majeure profondeur de champ
La profondeur de champ dépend du F-nombre: majeur est le
F-nombre (l'ouverture optique diminue) majeur est même la
profondeur de champ, et cette quantité varie presque linéairement.
Ceci se produit parce que la profondeur de champ est le plus grand
déplacement acceptable dell'objet de la position de meilleur
feu. Au-delà de ceci limite la résolution n'est plus
acceptable parce que les rayons arrivent sur le detector avec un
spot pas suffisantement petit, plus qu'un pixel est couvert par
la même information et il y a une mauvaise mise à feu.
L'effet de reduir la diaphragme de l'objectif, c'est-à-dire
augmenter le F-nombre, est celui de diminuer la divergence des
cônes de rayons, qui moins seront éparpillés,
en permettant d'avoir un spot suffisantement petit sur la capteur.
Au-delà de à d'certaine valeur pour le F-nombre,
cependant la résolution aggrave par contre qu'améliorer;
ceci a dû à la diffraction, qui limite la moindre
ouverture permise pour un système, lorsque il est demandé
un bon contraste.
La telecentricité côté image, ou bi-telecentricité,
fait que soit maintenu un bon contraste, même lorsque ils
sont observés des objets très épais; la raison
de ceci est que la symetrie du systeme optique aide à maintenir
la symetrie du spot. Le résultat est une profondeur de
champ majeur des 20-30% respects à une optique pas telecentrique.
Image15 : image d'un objet vu le long de toute sa profondeur
de champ.
3. Homogénéité d'éclairage du
capteur
Un éclairage homogène du capteur, obtenue à
moyen de la bi-telecentricité, est utile dans beaucoup d'applications,
comme le contrôle des LCD, le contrôle de couleurs en
domaine textile et le contrôle de la qualité de presse.
Lorsque un filtre dichroique doit être mise dans le chemin
optique pour faire des mesures photométriques ou radiométriques,
la bi-telecentricité assure que l'axe du faisceau de rayons
frappe le filtre normalement à sa superficie, en conservant
ainsi sa bande passant le long de toute l'étendue du detector.
Image 16: un bi-telecentrique avec un filtre LCD tunable
pour mesures de couleur à haute résolution. La bi-telecentricité
assure que soit homogène soit la bande passant sur toute
la superficie du filtre soit l'eclairage du capteur.
G - QUELQUES
APPLICATIONS DE OBJECTES-VOUS TELECENTRICI
Calibrage de tubes et autres parties cylindriques |
Mesures dimensionnelles des parties de moteurs ou autres
parties mécaniques de précision |
Mesure soignée de feuilles métalliques percées |
C ontrôle et calibrage de vis et objets filetés |
Contrôle et mesure dimensionnelle de ressorts |
C ontrôle et mesure dimensionnelle des o-ring et des
autres parties en plastique |
Mesure et contrôle des parties en verre: tubes, éprouvettes,
flacons, capsules |
Bancs de laboratoire pour mesure dimensionnelle basé
sur la vision artificielle |
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H - SOMMAIRE
: lorsque il est nécessaire d'employer un objectif telecentrique
- Lorsque on doit mesurer un objet épais (dont epaisseur
soit supérieur au 10% de la diagonal du champ observé)
- Lorsque on doit effectuer avec le même système
des mesures sur des différentes plans
- Lorsque la position de l'objet à observer n'est pas
certaine ou connue
- Lorsque on doit mesurer ou inspecter des trous
- Lorsque on doit extraire le profil d'un piece
- Lorsque l'éclairage de l'image doit être plus
uniforme possible
- Lorsque on doit observer des défauts visibles seulement
avec un éclairage directionnel
Links principaux sul les lentilles
telecentriques:
»
Objectifs Télécentriques pour Capteurs à
Matrice jusqu'à 2/3”
»
Objectifs Télécentriques pour Capteurs de Grandes
Dimensions
»
Objectifs Télécentriques pour Capteurs Linéaires
»
Brochure des Objectif Télécentriques
(.pdf)
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