Les avantages de la télécentricité

Auteurs : Gregory Hollows, Nicholas James

Cette note correspond à la Section 4.1 du Guide de Ressources en Imagerie.

La capacité à effectuer rapidement des mesures répétables et de haute précision est essentielle pour maximiser les performances de nombreux systèmes de vision industrielle. Pour ces systèmes, un objectif télécentrique permet d'obtenir la plus grande précision possible. Cette section traite des caractéristiques de performance uniques des objectifs télécentriques et de l'impact de la télécentricité sur les performances d’un système.

Champ de vision non angulaire : Éliminer l'erreur de parallaxe

Les objectifs conventionnels ont des champs de vision angulaires (AFOV) de sorte que le grossissement diminue à mesure que la distance entre l'objectif et l'objet augmente. C'est ainsi que la vision humaine se comporte et contribue à notre perception de la profondeur. Cet AFOV entraîne une parallaxe, également connue sous le nom d'erreur de perspective, qui diminue la précision, car la mesure observée par le système de vision changera si l'objet est déplacé (même s'il reste dans la profondeur de champ en raison du changement de grossissement. Les objectifs télécentriques éliminent l'erreur de parallaxe caractéristique des objectifs conventionnels en ayant un champ de vision (FOV) constant et non angulaire ; à n'importe quelle distance de l'objectif, un objectif télécentrique aura toujours le même FOV. Voir la Figure 1 pour la différence entre un FOV non télécentrique et un FOV télécentrique.

Le FOV constant d'un objectif télécentrique présente à la fois des avantages et des contraintes pour les applications de mesure. Le principal avantage d'un objectif télécentrique est que son grossissement ne change pas en fonction de la profondeur. La Figure 2 montre deux objets différents à différentes distances de travail, visualisés à la fois par un objectif à distance focale fixe (non télécentrique) (au centre) et par un objectif télécentrique (à droite). Notez que dans l'image prise avec un objectif télécentrique, il est impossible de dire quel objet se trouve devant l'autre. Avec l'objectif à distance focale fixe, il est tout à fait évident que l'objet qui semble plus petit est positionné plus loin de l'objectif.

Bien que la Figure 2 soit radicale en termes de décalage de la distance de travail, elle illustre l'importance de minimiser l'erreur de parallaxe. De nombreuses opérations d'inspection automatisées consistent à visualiser des objets qui se déplacent dans le champ de vision d'un système d'imagerie, et la position des pièces est rarement parfaitement reproductible. Si la distance de travail n'est pas identique pour chaque objet dont l'objectif prend l'image, la mesure de chaque objet variera en raison du décalage du grossissement (voir Résolution pour en savoir plus sur le grossissement et sa définition). Un système de vision industrielle qui produit des résultats différents en raison d'une erreur d'étalonnage du grossissement (inévitable avec un objectif à distance focale fixe) est une solution peu fiable et ne peut être utilisé lorsqu'une grande précision est nécessaire. Les objectifs télécentriques éliminent le souci des erreurs de mesure qui se produiraient autrement en raison de facteurs tels qu'un convoyeur vibrant ou un emplacement inexact des pièces.

Comparaison du champ de vision d'un objectif conventionnel et d'un objectif télécentrique. Notez le champ de vision angulaire de l'objectif conventionnel et le champ de vision non angulaire de l'objectif télécentrique.

Figure 1 : Comparaison du champ de vision d'un objectif conventionnel et d'un objectif télécentrique. Notez le champ de vision angulaire (AFOV) de l'objectif conventionnel et le champ de vision non angulaire de l'objectif télécentrique.

Le champ de vision angulaire (AFOV) de l'objectif à distance focale fixe se traduit par une erreur de parallaxe dans l'image et donne l'impression que les deux cubes ont des tailles différentes.

Figure 2 : Le champ de vision angulaire (AFOV) de l'objectif à distance focale fixe se traduit par une erreur de parallaxe dans l'image et donne l'impression que les deux cubes ont des tailles différentes.

Objectifs télécentriques et profondeur de champ

On pense souvent, à tort, que les objectifs télécentriques ont intrinsèquement une profondeur de champ plus grande que les objectifs conventionnels. Bien que la profondeur de champ soit en fin de compte régie par la longueur d'onde et le rapport f/# de l'objectif, il est vrai que les objectifs télécentriques peuvent avoir une profondeur de champ utilisable plus grande que les objectifs conventionnels en raison du flou symétrique de part et d'autre du meilleur foyer. Lorsque la pièce inspectée se rapproche ou s'éloigne de l'objectif, elle suit le AFOV (ou le rayon principal) qui lui est associé. Dans un objectif non télécentrique, lorsqu'un objet est rapproché ou éloigné de la mise au point, la pièce est floue de manière asymétrique en raison de la parallaxe et du changement de grossissement associé à son AFOV. Les objectifs télécentriques, en revanche, ont un effet de flou symétrique puisque le champ de vision n'a pas de composante angulaire. En pratique, cela signifie que les caractéristiques telles que les bords conservent leur centre de masse ; une mesure précise peut toujours être effectuée lorsque l'objet est hors de la meilleure mise au point, tant que le contraste reste suffisamment élevé pour que l'algorithme utilisé par le système de vision industrielle fonctionne correctement.

Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, le flou peut être utilisé avantageusement dans certaines applications avec des objectifs télécentriques. Par exemple, si un système de vision industrielle doit trouver l'emplacement du centre d'une épingle, comme le montre la Figure 3a, la transition du blanc au noir est assez nette lorsque l'objectif est au point. Dans la Figure 3b, la même épingle est représentée légèrement défocalisée.

Si l'on observe un tracé des niveaux de gris de l'image à partir d'un profil de ligne pris sur le bord de la pièce, comme dans la Figure 4, la pente de la ligne est beaucoup plus faible pour l'image légèrement défocalisée, car le bord de l’épingle s'étend sur plus de pixels. En raison du flou symétrique de l'objectif télécentrique, ce flou est toujours utilisable car le centroïde n'a pas bougé et la quantité d'interpolation de sous-pixels nécessaire est réduite. Cela réduit la sensibilité aux fluctuations du niveau de gris causées par le bruit du capteur et permet de trouver l'emplacement du centre de l'épingle de façon plus fiable et avec une meilleure répétabilité.