Les lentilles télécentriques vont réduire, voire supprimer la plupart de ces problèmes, et pour cette raison, sont devenus un élément clé pour tous ceux qui développent des applications de haute précision de jaugeage.

rayons divergents	rayons parallèles	convergent les rayons
Fig. 1: principe de fonctionnement de différents types de lentilles.

Ci-après nous essayons d'expliquer comment les lentilles télécentriques travail et comment l'ensemble des effets ci-dessus mentionnés sont réduites ou négligeable.

 

A - Agrandissement Constant

Dans les applications de mesure d'une vue orthonormée de l'objet (c'est à dire sans imagerie objet côtés) est souvent nécessaire pour que corriger les mesures linéaires mai être effectuée. En outre, de nombreuses pièces mécaniques ne peuvent pas être positionné avec précision (par exemple à cause des vibrations) ou une mesure doit être exécutée à différentes profondeurs ou, pire encore, l'épaisseur de l'objet (et donc la position de surface de l'objet) mai varient, néanmoins, les ingénieurs logiciels n'ont pas besoin d'une corrélation parfaite entre les dimensions imagés et réels.

Fig. 2: à gauche une image d'une spline interne sur un objet cylindrique prise avec une lentille télécentrique (en haut) et le même objet vu par une lentille ordinaire (en bas). Sur la droite, l'image de deux vis mécaniques identiques placés et espacés de 100 mm , prise avec un objectif télécentrique (haut) et avec une lentille ordinaire (en bas).

 

Lentilles communes créeraient des grossissements différents à différents conjugués: en tant que telle, lorsque l'objet se déplace, la taille de son image change presque proportionnellement avec l'objet à distance de l'objectif. C'est quelque chose que n'importe qui peut aisément faire l'expérience dans la vie quotidienne, par exemple lorsque vous prenez des photos avec un appareil photo équipé d'un objectif photographique standard.

Fig. 3: un objectif standard produit des images de taille différente lors du changement de l'objet à distance lentille (indiquée comme "s" dans le dessin). D'autre part, des objets de différentes tailles regardaient comme si elles avaient les mêmes dimensions, à condition qu'elles sous-tendent l'angle de vue identique.

 

Avec les lentilles télécentriques la taille de l'image reste inchangé avec le déplacement d'objet, à condition que le objet reste dans une certaine fourchette souvent désigné comme «la profondeur de champ» ou «large télécentrique".
Cela est dû à la trajectoire particulière des rayons intérieur du système optique: seuls les cônes de rayons dont le rayon barycentrique (ou "Ray principale") est parallèle à l'opto-mécanique grands axes sont collectés par l'objectif. Pour cette raison, le diamètre de la lentille avant doit être au moins aussi grand que le champ de l'objet en diagonale. Ce comportement optique est obtenue en positionnant l'ouverture arrêter exactement sur le plan focal du groupe optique avant: les rayons entrants visent à la pupille d'entrée, qui apparaît comme étant pratiquement mis à l'infini. Le nom "télécentrique» dérive du mot "télé" (qui signifie «loin» en grec ancien) et "centre" qui représente l'ouverture de la pupille, le centre réel d'un système optique.

Fig. 4: Dans un système de rayons télécentrique monter dans l'optique uniquement avec un presque parallèle à l'axe chemin.

 

Juste pour avoir le sentiment de la façon dont les deux types d'objectifs différents se comporter, laissez-nous penser à un objectif standard avec une focale f = 12 mm, interfacé à un 1 / 3 "du détecteur, en regardant un objet de hauteur H = 20 mm, placé à une distance s = 200 mm.
En supposant un déplacement objet de D s = 1mm, le changement dans ses dimensions sera d'environ:

dH = (ds/s) · H = (1/200) ·20 mm = 0,1 mm

Dans une lentille télécentrique le changement de grossissement est déterminé par la pente "télécentrique": un bon objectifs télécentriques montrent une pente « theta » efficaces télécentrique d'environ 0,1 ° (0,0017 rad), ce qui signifie que les dimensions de l'objet ne ferait que changer d'environ

dH = ds · theta= 1 · 0,0017 mm = 0,0017 mm

DS pour chaque déplacement de 1 mm. Ainsi, avec des lentilles télécentriques l'erreur grossissement est réduit à 1 / 10-1 / 100 comparativement aux verres standard.

Fig. 5: la pente télécentrique détermine le changement de grossissement

 

La notion de "fourchette télécentrique" ou "profondeur télécentrique» est souvent interprétée comme la gamme approfondie sur le terrain où un grossissement reste constant. Il s'agit d'une interprétation quelque peu trompeur car il implique que l'espace restant est «non télécentrique", tandis que ce paramètre doit toujours être associée à l'erreur de mesure maximale provoquée par l'objectif au sein de cette même gamme. Un paramètre beaucoup plus significatif est «pente télécentrique" (ci-dessus dénommé «theta») ou «telecentricity". L’angle ainsi définit l'erreur de mesure due à l'objet du déplacement, peu importe où l'objet est placé: puisque les rayons principaux optique "vont tout droit", le montant erreur est évidemment l'espace indépendant.

Afin de recueillir les rayons télécentrique, les éléments devant optique d'une lentille télécentrique doit être au moins aussi grand que l'objet de plus grande dimension, pour cette raison objectifs télécentriques sont plus grands, plus lourds et donc plus cher que l'optique commune.

Fig. 6: un objectif très grand adapté à un domaine de vue de plus de 400 mm

 

B - Faible Distorsion

La distorsion est l'un des pires problèmes limitant la précision des mesures: même les meilleures optiques sont touchées par une note de distorsion, bien que souvent même un seul pixel de différence entre l'image réelle et l'image attendue pourrait être critique.
La distorsion est simplement défini comme la différence en pourcentage entre la distance d'un point d'image à partir du centre de l'image et la même distance, car il serait mesurée dans une image sans distorsion, il peut être considéré comme un écart entre le imagé et les dimensions réelles d'un objet. Par exemple, si un point d'une image est 198 pixels éloignés du centre, tandis qu'une distance de 200 pixels serait attendue en l'absence de distorsion, la déformation radiale, à ce moment, serait

distortion = (198-200)/200 = -2/200 = 1%

 

Type de distorsion en coussinet	Tonneau type de distorsion

Distorsion radiale positive est aussi appelé "la distorsion en coussinet, de déformation radiale négatif est appelé "tonneau" distorsion: à noter que la distorsion dépend de la position radiale et peut aussi changer de signe. Distorsion peut être aussi considéré comme une transformation géométrique 2D du monde réel dans l'espace virtuel créé par la lentille, comme cette transformation n'est pas parfaitement linéaire, mais se rapproche de 2e ou 3e polynômes de degré, l'image devient un peu tendue et
déformées.

Optique commune présentent des valeurs de distorsion allant de quelques pour cent pour cent à quelques dizaines, ce qui rend très difficile la mesure précise, les choses deviennent encore plus grave si des lentilles télécentriques sont utilisés. Comme la plupart des optiques de vision industrielle ont été initialement développé pour la vidéo surveillance ou les applications de photographie, les valeurs de la distorsion en cause ont généralement été considérées comme acceptables, comme l'œil humain ne peut compenser l'erreur de déformation jusqu'à 1-2%. Dans certains cas, comme dans les objectifs fish-eye ou Webcam lentilles de style, la distorsion est introduite intentionnellement pour faire fonctionner le lentille sur de grands angles en fournissant un éclairage uniforme du détecteur (dans ces cas, la distorsion est utile dans la réduction de cosinus de l’effet quatrième loi).

Lentilles de haute qualité télécentrique montrent normalement un très faible degré de distorsion, de l'ordre de 0,1%, bien que ce pourcentage semble être très faible il serait réellement entraîner dans des erreurs de mesure s'approche de la taille d'un pixel d'une caméra haute résolution. Pour cette pourquoi, dans la plupart des applications, de déformation doit être calibré de logiciels: un modèle précis (dont la précision géométrique doit être d'au moins dix fois mieux que la précision de mesure nécessaire) est placé au centre de la profondeur de champ, la distorsion est ensuite calculé à l'image de plusieurs points et, à partir de ces données, l'algorithme logiciel transforme l'image native en une image sans distorsion. Peu de gens savent que la distorsion dépend aussi de la distance de l'objet, non seulement sur l'optique lui-même; pour cette raison qu'il est très important.

Peu de gens savent que la distorsion dépend aussi de la distance de l'objet, non seulement sur l'optique lui-même; pour cette raison, il est très important que le travail à distance nominale soit strictement respecté.

Un alignement perpendiculaire fin entre la lentille et l'objet inspecté est recommandé afin d'éviter les effets de distorsion axialement symétrique. La distorsion trapézoïdale (aussi connu comme «clef de voûte» ou «prisme mince" effet) est un autre paramètre important d'être réduites au minimum dans un système d'inspection optique comme il est asymétrique et très difficiles à calibrer des logiciels. Lens mécanisme de mise au point peut également introduire un certain effet symétrique ou non symétrique, car la distorsion du jeu mécanique ou élément optique à décentrement.

Fig. 7: à gauche une image d'un modèle de distorsion prise avec une lentille télécentrique, où aucune distorsion radiale ou trapézoïdale est présent.
Au milieu de l'image d'un même modèle montrant forte distorsion radiale. Sur la droite, un exemple de distorsion trapézoïdale.

 

C - Les erreurs de prescription Perspective

Lorsque vous utilisez l'optique commune à l'image des objets 3D (non complètement les objets plats), loin des objets sera plus petite que les objets proches. En conséquence, lorsque des objets comme une cavité cylindrique est imagée, le dessus et les bords de la couronne apparaîtront pour être concentrique bien que les deux cercles soient parfaitement identiques.
Au contraire, au moyen d'une lentille télécentrique, le bord de la couronne du bas va disparaître parce que les deux bords de la couronne se chevauchent parfaitement.

Fig. 8: optique commune montrant importante erreur image en perspective (à gauche).
Un objectif télécentrique est capable d'annuler tout effet de perspective (à droite).

 

Cet effet est dû à la trajectoire des rayons spécifiques: dans le cas de l'optique commun, toute information géométrique qui est «parallèle» à l'axe principal optique montre également un volet sur le plan du détecteur de la direction, tandis que dans une optique télécentrique cette composante perpendiculaire est totalement absente.
On pourrait décrire un objectif commun comme une fonction mathématique, résultant d'une correspondance entre l'espace en 3 dimensions et de l'objet 2-détecteur de dimensions (image) d'espace alors qu'un télécentrique construirait une correspondance 2D-2D comme le ferait pas afficher la troisième dimension d'un objet faisant ainsi c'est le composant idéal pour l'imagerie de profil et de mesure.

Fig. 9: optique commune (à gauche), information sur les projets longitudinaux géométriques sur le détecteur, alors que les lentilles télécentriques le sont pas.

 

D - bonne résolution d'image

Résolution de l'image est décrite par la FCE (fonction de transfert de contraste), qui quantifie le rapport de contraste à une fréquence spatiale donnée sur le plan du détecteur de la caméra, exprimée en lp / mm (paires de lignes par millimètre).

Fig. 10: un bon contraste et un mauvais réalisé avec des optiques différentes de la FCE en regardant un modèle USAF de test standard.

 

Très souvent, les intégrateurs de vision par ordinateur ont tendance à combiner les caméras, pour avoir des tonnes de petits pixels à bas prix, des lentilles de faible résolution, il en résulte des images floues, la résolution fournies par des lentilles télécentriques est compatible avec de très petits pixels et de caméras haute résolution, augmentant ainsi la résolution de la mesure.

 

E - Aucune prise de position de pointe d'incertitude

Au moment d'allumer le dos d'un objet, il peut souvent être difficile de déterminer la position exacte de ses bords.
Cela peut se produire car les pixels lumineux en arrière-plan ont tendance à se chevaucher avec les pixels sombres sur les bords d'objets. En outre, si l'objet 3D est très en forme, il a également un effet de frontière qui pourrait a fortiori limiter la précision des mesures, comme le montre le dessin ci-dessous, les rayons rasant les bords de l'objet à incidence d’angle de certains pourrait être reflétée par la surface, mais encore être recueillies par l'objectif.
L'objectif serait capable alors de voir ces rayons, comme s'ils venaient de derrière l'objet, à la suite, des tranches de l'image pourraient disparaître, ce qui rend la mesure très imprécise et instable.

Fig. 11: rôle de la frontière dans une lentille d'imagerie courants sont fortement réduits par le biais d'une lentille télécentrique

 

Cet effet peut être efficacement limitée au moyen d'une lentille télécentrique: si l'ouverture de la pupille est suffisamment petit, les seuls rayons réfléchis qui pourrait entrer sur la lentille seraient celles qui sont à peu près parallèle à l'axe optique principal.
Comme ces rayons sont touchés par des détournements très petits, la réflexion sur la surface de l'objet ne compromette pas la précision de mesure.
Pour se débarrasser de ces questions, collimaté (appelés aussi «télécentrique") enlumineurs peut être interfacé aux lentilles télécentriques, en prenant soin de faire correspondre l'ouverture de la lentille et FOV avec la divergence source collimaté. Avec cette option, toute la lumière sortant de l'enlumineur est perçue par la lentille et livrées sur le détecteur, permettant signal extrêmement élevé des ratios de bruit et temps d'exposition incroyablement bas. D'autre part, seuls les «attendus» rayons viennent dans l'objectif d'imagerie de sorte qu'aucun des problèmes ne surviennent à la frontière.

Fig. 12: Illumination collimatée (télécentrique), seuls les projets les rayons prévu dans le système d'imagerie.

 

F - Avantages du Bi-objectifs télécentriques

1. Meilleur Grossissement Constant

Les Objectifs télécentriques standard acceptent les cônes de rayons dont l'axe est parallèle à l'axe principal optique seulement si la lentille est télécentrique dans l'espace objet, les cônes des rayons passant par le système optique peuvent atteindre le détecteur par différents angles en fonction de la position du champ. En outre, le front d'onde optique est totalement asymétrique puisque les rayons entrants télécentrique devenus non télécentrique dans l'espace de l'image. En conséquence, le spot produit à l’aide des cônes de rayons sur le détecteur plat des changement de forme et de dimensions point par point dans l'espace image (la fonction d'étalement point par point devient non-symétrique et une petit spot rond grandit, tourne et devient elliptique lorsque il se déplace du centre de l'image vers les bords).
Pire encore, lorsque l'objet se déplace, les rayons provenant d'un certain domaine point peut générer un spot qui se déplace d'avant en arrière sur le plan de l'image, provoquant ainsi un changement significatif dans l'agrandissement. Pour cette raison, les bi- objectifs non télécentriques montrent une constance plus faible dans l'agrandissement, bien que leur télécentricité pourrait être très utile si mesurée que dans l'espace objet.

Les Bi-objectifs télécentriques sont à la fois objet et espace d'image, ce qui signifie que les rayons principaux sont parallèles, non seulement lors de la saisie, mais aussi lorsque vous sortez de la lentille.
Cette fonctionnalité est essentielle pour surmonter toutes les questions concernant l'exactitude des objectifs mono-télécentriques tels que le manque d'homogénéité entre l’écart d'un point de fonction et le manque de constance de grossissement à travers la profondeur de champ.

Fig. 13: dans un espace de l'image non optique télécentrique (à gauche) cônes ray grève le détecteur à différents angles, en un bi-objectif télécentrique (à droite) cônes de rayons sont parallèles et atteignent le capteur d'image de manière indépendante et ce quelque soit leur position dans le champ. En outre, dans une optique télécentrique le point d'intersection rayon principal ne change pas avec la profondeur de champ.

 

2. Augmentation approfondie du champ

L’approfondie du champ est le déplacement maximum acceptable d'un objet à partir de sa meilleure position au point net. Au-delà de cette limite, la résolution de l'image devient pauvre, parce que les rayons venant de l'objet ne peuvent pas créer suffisamment de petits spot sur le détecteur: l’effet de flou se produit parce que trop d'information géométriques menées par les rayons optiques réparties sur les pixels de l'image. Profondeur de champ dépend, essentiellement de «F» du numéro de l'optique, qui est inversement proportionnelle au diamètre ouverture de l'objectif: plus le nombre f est important, plus la profondeur de champ augmente, avec une quasi-dépendance linéaire. Augmenter le nombre f réduit les divergences des cônes de rayons, ce qui permet de former des spots plus petits sur le détecteur; toutefois élever le nombre f sur certaines valeurs introduit les effets de diffraction qui limite la résolution maximum acceptable.

La Bi-Télécentricité est bénéfique dans le maintien d'un très bon contraste de l’image, même quand on regarde des objets très épais: la symétrie du système optique et le parallélisme des rayons aident les spots d'image à rester symétriques, ce qui réduit l'effet de flou. Il en résulte une profondeur de champ étant perçue comme 20-30% plus grand par rapport à l'optique non bi télécentrique.

Fig. 14: Image d'un objet d'épaisseur considérés dans toute sa profondeur

 

3. Même détecteur d'illumination

Bi-objectifs télécentriques disposent d'un éclairage autonome du détecteur, qui devient utiles dans plusieurs applications comme le LCD, le textile et le contrôle de qualité d'impression.
Quand les filtres dichroïques doivent être intégrés dans le chemin optique pour les mesures photométriques et radiométriques, la bi-télécentricité assure que l'axe du ventilateur rayon frappe le filtre normal à sa surface, préservant ainsi la bande passante optique de la zone de détection.

Fig. 15: un objectif télécentrique à bilatéral est interfacé avec un filtre accordable LCD afin d'effectuer des mesures haute résolution couleur. L'image télécentrique à côté assure que la bande passante optique est homogène sur toute la surface du filtre, et produit un éclairage uniforme du détecteur, à condition que l'objet soit uniformément bien éclairé.

 

G - Quand les lentilles télécentriques devraient être utilisé?

• Quand un objet épais (épaisseur> 1/10 en diagonale FOV) doit être mesurés
• Lors des mesures sur des plans différents, plusieurs objets différents doivent être effectuées
• Lorsque l'objet de la distance entre la lentille n'est pas exactement connue ou ne peut être prédit
• Lorsque les trous doivent être inspectés ou mesuré
• Lorsque le profil d'une pièce doit être extrait
• Lorsque la luminosité de l'image doit être très régulière
• Quand un éclairage directionnel et d'un point de vue fixe sont obligatoires