Les lentilles liquides dans la vision industrielle

Caractéristiques des lentilles liquides

Cette note correspond à la Section 7.2 du Guide de Ressources en Imagerie.

Les lentilles liquides ajustent rapidement la focalisation pour s'adapter aux objets situés à différentes distances de travail de travail (WD). Les lentilles liquides sont de petites cellules à commande mécanique ou électrique contenant un liquide de qualité optique. Lorsqu'un courant ou une tension est appliqué à une cellule de lentille liquide, la forme de la cellule change. Ce changement se produit en quelques millisecondes et provoque un décalage de la puissance optique, et donc de la distance focale et de la distance de travail. De nombreux fabricants ont conçu des lentilles liquides qui fonctionnent selon des procédés légèrement différents : l'électro-mouillage, le polymère actionné par le courant ou le son piézoélectrique. Les lentilles liquides sont une solution idéale pour les applications d'imagerie nécessitant une focalisation rapide, un débit élevé et un ajustement de profondeurs de champ et de distances de travail.

Figure 1 : Une configuration de lentilles liquides utilisée dans une application de vision industrielle à grande vitesse.

Temps de réponse

Les lentilles liquides ont des temps de réponse très rapides, sont accordables électriquement par tension ou courant, et réagissent en quelques millisecondes. Les objectifs à distance focale fixe et les objectifs zooms font souvent appel à des réglages mécaniques ou manuels pour modifier la mise au point, ce qui peut ralentir le système d'imagerie.

Polyvalence

Les lentilles liquides peuvent être mises en œuvre à différents endroits dans un système d'imagerie, par exemple en étant intégrées ou enfilées à l'avant ou à l'arrière d'un objectif d'imagerie.

Taille

La mécanique est éliminée dans une lentille liquide, ce qui permet une conception compacte. En outre, les lentilles liquides ont une fonctionnalité comparable à celle de nombreuses lentilles individuelles dans un assemblage. En retirant ces lentilles et en les remplaçant par une petite cellule liquide, la taille et le poids globaux de l’objectif complet sont réduits.

Couverture du capteur

Les lentilles liquides sont limitées par leur petite ouverture – la plus grande mesure environ 16 mm de diamètre. Les petites ouvertures limitent les lentilles liquides et ne permettent l'utilisation de capteurs jusqu'à environ 1/1,8" que si l'objectif est adapté à l'avant d'un objectif de vision industrielle existant. Les lentilles liquides intégrées dans les systèmes ne réduisent pas la couverture du capteur.

Focalisation

Les lentilles liquides sont conçues pour fonctionner dans une très large gamme de puissances optiques (distances focales) à des vitesses élevées. En éliminant les pièces mobiles et les réglages mécaniques généralement présents dans les objectifs à distance focale fixe et les objectifs zoom, le processus de mise au point est plus rapide.

Complexité de l'intégration

Selon l'équipement disponible et l'application, les lentilles liquides peuvent être difficiles à intégrer. Les lentilles liquides peuvent être utilisées avec de nombreux accessoires, tels que des filtres et des ouvertures, qui sont requis par de nombreuses applications à grande vitesse, comme les capteurs de distance ou les contrôleurs.

Durée de vie

Les lentilles liquides consomment très peu d'énergie. Les lentilles mécaniques typiques sont capables de supporter ~100 000 cycles, alors qu'une lentille liquide peut supporter environ ~50 000 000 cycles (Berge, 2013).

Applications des lentilles liquides

Cette note correspond à la Section 7.3 du Guide de Ressources en Imagerie.

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L'adaptabilité, la vitesse et la polyvalence des lentilles liquides en font des lentilles idéales pour une variété d'applications de vision industrielle, des sciences de la vie, de mesure et d'inspection. Les objectifs d’imagerie conventionnels avec leur configuration mécanique traditionnelle permettent difficilement d’obtenir des images nettes et précises dans des applications haute vitesse ou haute précision qui nécessitent une refocalisation rapide.

Vision industrielle

Les chaînes d'assemblage à grand volume exigent un débit rapide et précis. Intégrer une lentille liquide dans un système d'inspection est une solution optimale compacte et économique lorsqu'une focalisation est requise à différentes distances. Les lentilles liquides sont une solution idéale pour l'inspection des codes à barres, le tri des emballages, le contrôle qualité et l'automatisation rapide.

Figure 2 : Cette animation illustre les avantages de la mise en œuvre d'une lentille liquide dans un système d'imagerie de vision industrielle pour l'inspection. Dans un système d'inspection standard, des objets de différentes hauteurs sont visualisés lorsqu'ils passent sur une bande transporteuse en mouvement rapide. Un objectif d'imagerie standard nécessite une refocalisation mécanique pour chaque objet, ce qui cause un délai qui peut limiter le haut débit. Une lentille liquide, exempte de translation mécanique, surmonte ces limitations de vitesse et de profondeur de champ en se recentrant à différentes hauteurs en l'espace de quelques millisecondes.

Sciences de la vie

Les lentilles liquides améliorent et simplifient le processus d'empilement de mises au point (« focus stacking », « empilement en Z ») dans les applications d'imagerie en microscopie. Le focus stacking est souvent requis avec les objectifs à fort grossissement en raison de leur profondeur de champ limitée. Une lentille liquide peut faire la mise au point rapidement et avec précision sur différents plans d'objets, ce qui accélère l'empilement de mises au point. Les lentilles liquides peuvent être facilement intégrées dans des lentilles tubes ou dans l'espace infini d'un microscope. Les lentilles liquides sont souvent utilisées en ophtalmologie, où le contrôle de la réfraction et le réglage de la profondeur de champ sont primordiaux. L'équipement ophtalmique standard contient plusieurs lentilles de verre utilisées pour s’adapter à l'œil humain. Ces lentilles peuvent être remplacées par une seule lentille liquide, ce qui accélère le processus d'imagerie ou de diagnostic et réduit la taille globale des équipements ophtalmiques tels que les OCT et les phoroptères.

Véhicules aériens sans pilote

En ajoutant une lentille liquide à un système d'imagerie de véhicule aérien sans pilote, la netteté de l'image est rapidement maintenue à différentes hauteurs. Les lentilles liquides sont particulièrement avantageuses pour l'inspection et le contrôle agricoles, les systèmes d'information géographiques et les applications de surveillance.

Mesure et rendu dimensionnel

Associé à un capteur de distance et à une caméra, une lentille liquide permet d'obtenir rapidement des images de différents plans d'un objet 3D. Les images sont ensuite assemblées dans un logiciel pour créer un rendu tridimensionnel précis.

La technologie de la lentille liquide

Cette note correspond à la Section 7.4 du Guide de Ressources en Imagerie.

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La technologie des Lentilles Liquides à Focalisation Variable Corning® Varioptic®

Les Lentilles Liquides à Focalisation Variable utilisent un procédé appelé électro-mouillage, qui consiste à appliquer des champs électriques pour manipuler les propriétés de mouillage, et donc la forme et la courbure d'un liquide. La cellule de lentille liquide contient deux liquides non miscibles : une huile non conductrice et une solution aqueuse séparée par une interface comme le montre la Figure 3. L’application d’une tension à l'interface entre les deux liquides modifie la courbure, et donc la focale, de la lentille en l'espace de quelques dizaines de millisecondes. Appliquer plus de tension augmente la courbure globale et la puissance optique de la lentille liquide. Les caractéristiques capacitives des Lentilles Liquides à Focalisation Variable permettent un fonctionnement stable dans des environnements à haute température une fois l'équilibre thermique atteint. De plus, les deux liquides à l'intérieur de la lentille ont la même densité, ce qui rend le système insensible aux vibrations et aux chocs. Les lentilles liquides à focalisation variable peuvent être difficiles à utiliser, car leur petite taille les rend difficiles à utiliser avec les objectifs existants. Ils sont mieux adaptés pour être entièrement intégrés dans des conceptions optiques, où leur taille est moins un facteur limitatif.

Figure 3 : Diagramme illustrant le principe de fonctionnement de la Lentille Liquide Corning® Varioptic®.

Lentilles Optotune Focalisables Électriquement

Les Lentilles Optotune Focalisables Électriquement sont constituées d'un réservoir rempli de liquide optique scellé par une membrane en polymère. Un actuateur sous tension exerce une pression sur les bords de la membrane, ce qui provoque une modification de la courbure de la lentille (et donc de sa puissance optique). En raison de leur dépendance au courant, les lentilles focalisables électriquement fonctionnent avec de faibles tensions de service et une focalisation en quelques millisecondes. Ces lentilles ne modifient pas la polarisation, présentent des seuils de dommages laser élevés et introduisent des aberrations minimes.