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Renforcement de la stabilité des objectifs d’imagerie

Renforcement de la stabilité des objectifs d’imagerie

Cette note correspond à la Section 5.3 du Guide de Ressources en Imagerie.

Les objectifs d’imagerie utilisés dans l’industrie dans les applications de vision industrielle ont des exigences particulières qui dépassent celles des objectifs d'imagerie standard. Les objectifs utilisés dans l'automatisation industrielle, la robotique et l'inspection industrielle doivent fonctionner dans des environnements spécifiques et exigeants, avec des vibrations, des chocs, des changements de température et des contaminants. C'est pourquoi de nouvelles catégories d'objectifs renforcés ont été conçues pour fonctionner spécifiquement dans une multitude de scénarios différents. Il existe quatre types distincts de renforcement:

  1. Renforcement industriel
  2. Renforcement visant à protéger contre les intrusions
  3. Renforcement de la stabilité
  4. L’athermalisation

Renforcement industriel

Les objectifs industriels renforcés sont conçus pour survivre aux vibrations et aux chocs sans s'abîmer ni changer de mise au point ou de f/#. Pour y parvenir, la flexibilité est sacrifiée en éliminant les pièces mobiles. Un objectif standard à distance focale fixe utilise un mécanisme de mise au point et un iris composé de fines feuilles et de crans à bille pour régler le f/# qui peut se déplacer sous l'effet des chocs et des vibrations. Dans les objectifs industriels renforcés, l'iris est enlevé et remplacé par un diaphragme d’ouverture fixe et le mécanisme de mise au point, qui consiste généralement en un mécanisme de mise au point d'un barillet fileté dans un autre barillet fileté, est remplacé par un mécanisme de verrouillage rigide et à filetage unique.

Un objectif standard à la mécanique complexe et un iris réglable contre un objectif industriel robuste à la mécanique simplifiée.
Un objectif standard à la mécanique complexe et un iris réglable contre un objectif industriel robuste à la mécanique simplifiée.
Figure 1 : Un objectif standard à la mécanique complexe et un iris réglable contre un objectif industriel robuste à la mécanique simplifiée.

Le renforcement industriel est idéal pour les applications où le système sera mis en place une seule fois et ne sera pas modifié. Ce type d'objectif présente également un avantage supplémentaire en termes de coûts, grâce à la suppression des mouvements et des réglages complexes, ce qui permet de réduire considérablement les pièces et de réaliser des économies. Il existe d'autres applications pour le renforcement industriel, telles que les environnements d'usine à fortes vibrations, les situations où la caméra est rapidement accélérée, les systèmes d'inspection où de nombreuses configurations de caméra similaires sont répétées, et la vision robotique.

Renforcement visant à protéger contre les intrusions

Le renforcement visant à protéger contre les intrusions assure l'étanchéité de l'ensemble de l’objectif à l'aide de fenêtres hydrophobes, de joints toriques et de silicone RTV pour empêcher l'humidité et les débris de pénétrer dans l'objectif. Cette protection est généralement ajoutée à un objectif industriel renforcé car le scellement d'un mécanisme de mise au point et d'un iris réglables serait problématique. Ces objectifs sont utilisés dans des environnements caractérisés par une forte humidité, des éclaboussures, de la poussière ou de petites particules, et lorsque l'espace nécessaire pour enfermer complètement l'objectif et la caméra n'est pas disponible ou indésirable. Cependant, l'utilisation avec un boîtier ajoute une couche supplémentaire de redondance de protection.

Un objectif renforcé avec protection contre les intrusions, doté d'un joint torique pour être étanche aux contaminants.
Figure 2 : Un objectif robuste protégé contre les intrusions est doté d'un joint torique qui empêche la pénétration de contaminants tels que la poussière, la saleté ou l'humidité, et d'une fenêtre hydrophobe à l'avant du train optique.

La protection contre les intrusions est spécifiée par deux chiffres, qui constituent l'indice IP conformément à la norme IEC 60529. Le premier chiffre décrit le niveau de protection contre les solides et les particules et va de zéro à six. Si un composant n'a pas été testé pour la protection contre les intrusions solides, le premier chiffre est remplacé par un X (Tableau 1).

Chiffre de protection contre le solide: Description
X

Les tests de protection n'ont pas été explicitement effectués

0

Aucune protection contre les objets solides

1

Protection contre les objets de 50 mm de diamètre ou plus

2

Protection contre les objets de 12,5 mm de diamètre ou plus

3

Protection contre les objets de 2,5 mm ou plus

4 Protection contre les objets de 1 mm de taille ou plus
5 Protection partielle contre la poussière de manière à ce que l'intrusion ne perturbe pas le fonctionnement
6 Entièrement étanche à la poussière
Tableau 1: Le premier chiffre de l'indice IP décrit le degré de protection d'un boîtier contre les solides.

 Le deuxième chiffre décrit la protection contre l'humidité et va de zéro à neuf (Tableau 2).

Chiffre de protection contre l'humidité: Type d'eau Description
X

 

Les tests de protection n'ont pas été explicitement effectués
0 Aucune protection contre l'humidité
1 Gouttelettes Protection contre les gouttelettes tombant verticalement, testée pendant 10 minutes
2 Protection contre les gouttelettes d'eau déviées jusqu'à 15° de la verticale pendant 10 minutes
3 Éclaboussures ou brouillard de pulvérisation Protection contre l'eau pulvérisée jusqu'à 60° de la verticale
4 Protection contre les projections d'eau provenant de toutes les directions, testée pendant un minimum de 10 minutes
5 Jet d’eau (pressurisé) Protection contre les jets à basse pression de 6,3 mm de diamètre
6 Protection contre les jets à pression directe de 12,5 mm de diamètre
7 Immersion continue Protection contre l'immersion totale pendant 30 minutes à une profondeur comprise entre 15 cm et 1 m
8 Protection contre l'immersion prolongée sous une pression plus élevée à partir de profondeurs supérieures à 1 m
9 ou 9K Jet d’eau haute pression et haute température Protection complète contre l'humidité des jets à haute pression et à haute température, des lavages et des nettoyages à la vapeur
Tableau 2 : Le second chiffre de l'indice IP décrit le degré de protection d'un boîtier contre l’humidité.

Notez que ces indices ne sont pas cumulatives. La conformité à IPX7 ou IPX8 ne garantit pas la conformité à IPX5 ou IPX6. Les produits qui sont conformes à la fois à l'indice de pulvérisation par jet et à l'indice d'immersion continue seront spécifiés avec les deux indices. Par exemple, les Objectifs à Distance Focale Fixe Série Cw TECHSPEC® étanches sont classés IPX7 et IPX9K. 

Renforcement de la stabilité

Comme pour les objectifs industriels renforcés, le renforcement de la stabilité protège l'objectif contre les dommages, mais garantit également le maintien du pointage et du positionnement optique après un choc ou une vibration. En plus de remplacer l'iris et un mécanisme de mise au point simplifié, les éléments individuels des objectifs sont collés en place pour les empêcher de bouger à l'intérieur du boîtier. La Figure 3 montre un objectif à stabilité renforcée dans laquelle les éléments de l’objectif sont collés en place et un verrou de serrage est utilisé pour simplifier la mise au point.

Objectif à stabilité renforcée avec tous les éléments d'objectif individuels collés en place.
Figure 3 : Objectif à stabilité renforcée avec tous les éléments d'objectif individuels collés en place.

Les éléments de l’objectif sont placés dans l'alésage intérieur du barillet d'un assemblage d'imagerie. L'espace entre le diamètre extérieur de la lentille et le diamètre intérieur du barillet est généralement inférieur à 50 µm. Malgré cet espace minimal, des décentrages, l'ordre de quelques dizaines de µm, sont suffisants pour affecter de manière significative le pointage de l’objectifs. Lors de l'utilisation d'un objectif à stabilité renforcée, si le point d'un objet se trouve au centre du FOV et tombe sur le pixel central exact, il y tombera toujours même si l'objectif a été fortement vibré (Figure 4). Le renforcement de la stabilité est important dans les applications où le FOV doit être calibré, comme les équipements de mesure, la vision stéréo 3D, les objectifs utilisés pour la détection en robotique et les objectifs utilisés pour suivre la localisation des objets. Ces applications exigent souvent que le pointage optique soit stabilisé à des valeurs bien inférieures à un seul pixel.

Un système non perturbé où le réticule de l'objet est mis en correspondance avec le réticule de l'image (a) et un système perturbé où les lentilles sont décentrées dans le barillet et où la stabilité du pointage optique change (b). Le réticule de l'objet est placé à un endroit différent (jaune) sur l'image que sur l'image non perturbée (rouge). Cet exemple est très exagéré et les changements réels sont généralement de l'ordre d'un pixel ou moins.
Un système non perturbé où le réticule de l'objet est mis en correspondance avec le réticule de l'image (a) et un système perturbé où les lentilles sont décentrées dans le barillet et où la stabilité du pointage optique change (b). Le réticule de l'objet est placé à un endroit différent (jaune) sur l'image que sur l'image non perturbée (rouge). Cet exemple est très exagéré et les changements réels sont généralement de l'ordre d'un pixel ou moins.
Figure 4 : Un système non perturbé où le réticule de l'objet est mis en correspondance avec le réticule de l'image (a) et un système perturbé où les lentilles sont décentrées dans le barillet et où la stabilité du pointage optique change (b). Le réticule de l'objet est placé à un endroit différent (jaune) sur l'image que sur l'image non perturbée (rouge). Cet exemple est très exagéré et les changements réels sont généralement de l'ordre d'un pixel ou moins.

L’athermalisation

La matière se dilate et se contracte en réponse aux changements de température. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) est une mesure de la variation de la taille d'un matériau. Les systèmes de vision haute performance soumis à des variations de température extrêmes ou importantes nécessitent des objectifs d'imagerie athermalisés afin de minimiser les changements de performance liés à la température. L'athermalisation désigne le processus par lequel un système optomécanique est stabilisé à des températures extrêmes ou changeantes, et décrit également le système optomécanique qui a subi le processus. Pour plus d'informations sur les effets optothermiques et optomécaniques de la température sur l'expansion des matériaux et l'indice de réfraction, lisez la note d’application Propriétés thermiques des substrats optiques.

L'athermalisation peut être active ou passive. L'athermalisation active permet d'obtenir un objectif qui a été conçu et fabriqué pour résister à des températures extrêmes ou changeantes, mais qui peut nécessiter une intervention supplémentaire telle que la remise au point. L'athermalisation passive permet d'obtenir un objectif qui a été conçu et fabriqué avec des matériaux complémentaires pour ne pas avoir à être ajusté sur la plage de température spécifiée. Vous trouverez des informations supplémentaires sur l'athermisation passive dans la note d’application Une introduction à l'athermalisation passive.

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