Comment choisir une lentille d'endoscope pour votre application

Une lentille d'endoscope a un travail difficile. Il doit s'insérer dans un instrument étroit tout en produisant une image utile à courte distance, souvent dans un espace où l'éclairage et le positionnement sont étroitement contraints.

Le choix d'une lentille d'endoscope ne consiste donc pas simplement à sélectionner le plus petit diamètre disponible ou le champ de vision le plus large. Un objectif qui capture une vaste scène peut afficher moins de détails par objet. Une conception optimisée pour une distance de travail particulière peut ne pas maintenir une mise au point acceptable sur un objet beaucoup plus proche ou plus éloigné. Les limites mécaniques peuvent également restreindre les configurations optiques disponibles pour le concepteur.

Qu’il s’agisse d’imagerie médicale, d’inspection industrielle ou d’une autre forme de visualisation interne, le meilleur point de départ est de définir ce que la caméra doit révéler et dans quelles conditions.

1. Définir la tâche et l'objectif de l'inspection

Commencez par décrire ce que l’endoscope doit observer. L’objectif est-il d’inspecter une surface à la recherche de rayures, d’examiner une cavité, d’identifier un petit élément ou de fournir une vue générale d’un espace interne ? La cible et la tâche déterminent quelles caractéristiques de l’image sont les plus importantes.

Pour un système d’inspection des défauts, la capacité à distinguer les petits détails peut être plus importante que la capture de la scène la plus large possible. Pour la navigation dans une cavité ou un tuyau, une couverture plus large peut être utile. Certaines applications ont besoin des deux, ce qui peut nécessiter des compromis ou une architecture de caméra différente.

Décrivez également le matériau et la surface cibles. Les objets hautement réfléchissants, transparents, sombres ou texturés peuvent se comporter différemment sous le même éclairage. Si l'endoscope doit fonctionner dans un liquide ou derrière une fenêtre de protection, mentionnez-le dès le début ; le chemin optique n'est pas nécessairement équivalent à une configuration aérienne ordinaire.

Des photos de la cible, un croquis de l'espace disponible et des exemples d'images acceptables et inacceptables sont souvent plus utiles qu'une courte spécification seule.

2. Champ de vision : jusqu'où l'objectif peut-il voir ?

Le champ de vision (FOV) indique l'étendue angulaire de la scène capturée par l'objectif. Dans les applications d'endoscope, un champ de vision large peut aider l'utilisateur à voir davantage la zone environnante sans trop déplacer l'instrument.

Toutefois, une couverture plus large n’est pas automatiquement meilleure. Lorsque la résolution du capteur reste fixe, une scène plus grande peut laisser moins de pixels sur un petit élément. Les conceptions à très grand angle peuvent également introduire une distorsion, ce qui peut être acceptable pour l'orientation visuelle mais moins adapté lorsque la géométrie doit être évaluée avec précision.

Lorsque vous spécifiez le champ de vision, précisez si l'exigence est horizontale, verticale ou diagonale. Indiquez le format ou le modèle du capteur, car le même objectif peut produire une couverture différente avec différentes dimensions de capteur. Si une cible doit s'insérer dans l'image à une distance définie, indiquez également les dimensions de la cible et la distance de travail.

Un simple dessin montrant le bout de la lentille, la cible et la zone visible requise peut aider le concepteur optique à déterminer si le champ de vision proposé est approprié.

3. La profondeur de champ et la distance de travail sont liées

La distance de travail est la distance entre l'objectif ou un point de référence clairement spécifié et la cible. La profondeur de champ (DOF) décrit la plage de distances d'objet sur laquelle l'image reste suffisamment nette dans des conditions définies.

Ces deux paramètres doivent être discutés ensemble. Un objectif optimisé pour une plage de distance étroite peut fournir des détails importants au point d'inspection prévu, mais devenir moins utile lorsque la cible se rapproche ou s'éloigne. Une plus grande profondeur de champ peut améliorer la tolérance aux variations de distance, bien que le résultat dépende de la conception optique, de l'ouverture, de la résolution du capteur et des critères utilisés pour définir une netteté acceptable.

Pour un endoscope, il est utile de fournir la distance de travail nominale, la distance cible attendue la plus proche et la distance la plus éloignée qui doit rester utilisable. Si l'instrument doit inspecter à la fois une surface proche et une cavité plus large, indiquez-le plutôt que de fournir une seule distance préférée.

Évitez de demander un « grand DOF » sans décrire la plage de fonctionnement réelle. Une plage de distance numérique ou quelques positions cibles représentatives facilitent l'évaluation et le test de l'exigence.

4. Pourquoi le support optique est important

Un système optique conçu pour être utilisé dans l'air peut se comporter différemment lorsqu'il est utilisé dans un autre milieu, tel que l'eau ou un environnement rempli de liquide. L'indice de réfraction du milieu environnant modifie la façon dont la lumière se courbe au niveau des interfaces optiques et peut affecter la mise au point, le champ de vision apparent et d'autres caractéristiques d'imagerie.

Ceci est particulièrement important lorsqu'un endoscope est destiné à une inspection sous-marine ou à une autre application où la surface optique avant entre en contact avec un milieu autre que l'air. Tester une lentille dans l'air seul peut ne pas prédire complètement son comportement final dans l'environnement prévu.

Lors de la description de l'application, précisez si l'objectif fonctionnera dans l'air, dans l'eau ou derrière une fenêtre de protection transparente. Incluez le matériau et l’épaisseur de la fenêtre si vous les connaissez. Si le système doit être immergé, définissez les distances de travail pertinentes et les conditions dans lesquelles la qualité de l'image doit être évaluée.

La configuration de test appropriée doit refléter l'application finale aussi fidèlement que possible. Pour les projets spécialisés, l'équipe optique et le client doivent se mettre d'accord sur le support de référence, la distance cible, la procédure de mise au point et les critères d'acceptation de la qualité de l'image avant l'approbation de l'échantillon.

5. Le diamètre et la conception mécanique peuvent limiter la solution optique

Les lentilles d'endoscope fonctionnent souvent sous des contraintes de taille exigeantes. Le diamètre extérieur disponible et la longueur totale affectent le nombre d'éléments optiques pouvant être logés, la manière dont l'objectif est assemblé et la manière dont il s'interface avec le capteur d'image et le boîtier environnant.

Un diamètre plus petit n’est pas un objectif isolé. Il doit être équilibré en fonction du champ de vision, de la qualité de l'image, de la profondeur de champ, de l'éclairage et de la faisabilité de la fabrication. Une conception techniquement possible peut néanmoins nécessiter des compromis en termes de performances, de complexité d'assemblage ou de coût.

Indiquez le diamètre extérieur maximal, la longueur disponible, l'emplacement du capteur, l'interface de montage et toute restriction sur la pointe avant. Si l'endoscope comprend des fibres d'éclairage ou des LED, indiquer leur position et l'espace qui leur est réservé. Ces composants peuvent influencer la disposition mécanique et la lumière atteignant la cible.

Un dessin coté est idéal, mais un croquis clair peut soutenir une première discussion de faisabilité. Identifiez quelles dimensions sont fixes et lesquelles pourraient être ajustées si un compromis optique est nécessaire.

6. Résolution, éclairage et contraste de l'image

L'objectif doit fournir suffisamment de détails utiles pour la tâche prévue, mais le capteur et l'éclairage influencent également l'image finale. Un capteur haute résolution ne peut pas compenser un contraste optique insuffisant, une mauvaise mise au point, un mouvement ou un éclairage inadéquat.

L’imagerie par endoscope implique souvent un espace restreint pour l’éclairage. La luminosité peut varier d'une scène à l'autre et les surfaces réfléchissantes peuvent créer des reflets qui obscurcissent les détails. L'objectif, l'exposition du capteur, la géométrie de l'éclairage et le traitement de l'image doivent donc être évalués comme un système.

Lors de la définition de la qualité de l'image, décrivez la caractéristique qui doit être résolue, la distance cible et la zone de l'image où les performances sont les plus importantes. Si vous avez une exigence mesurable, telle qu'une taille minimale de fonctionnalité ou un test de qualité d'image défini, partagez-la. Dans le cas contraire, fournissez des images représentatives et expliquez ce que le système actuel ne parvient pas à afficher.

Évitez de vous fier uniquement à une étiquette mégapixel. Une évaluation pratique avec le capteur, l'éclairage et la cible prévus est essentielle avant d'approuver la production d'un objectif.

7. Que préparer avant de contacter un fabricant de lentilles

Une enquête productive ne nécessite pas une prescription optique complétée. Cela nécessite suffisamment d’informations pour évaluer la candidature.

Préparez les éléments suivants, le cas échéant :

Application et type de cible

Modèle de capteur, dimensions actives ou fiche technique

FOV horizontal, vertical ou diagonal requis

Plage de distance de travail nominale et admissible

Profondeur de champ requise ou taille minimale de l'entité

Diamètre maximum de l'objectif et longueur disponible

Moyen de fonctionnement, fenêtre de protection et conditions environnementales

Disposition de l'éclairage et longueur d'onde, le cas échéant

Quantité du prototype, volume de production attendu, coût cible et calendrier

Si vous disposez d'un module d'endoscope existant, des exemples d'images ou une référence physique peuvent clarifier ce qui doit être modifié. Identifiez les atouts et les limites actuels : peut-être que l'image n'est nette qu'à une certaine distance, la pointe est trop grande ou la couverture de la scène est insuffisante.

Ces informations permettent de déterminer si un objectif existant peut être adapté ou si une conception optique personnalisée doit être envisagée.

Conclusion : commencer par les conditions réelles d’inspection

La sélection des lentilles d'endoscope est un équilibre entre performances optiques et contraintes physiques. Le champ de vision, la profondeur de champ, la distance de travail, le milieu environnant, les caractéristiques du capteur, l'éclairage et les dimensions mécaniques doivent être définis ensemble.

La spécification la plus utile n’est pas nécessairement la plus longue. C’est celui qui décrit suffisamment clairement la véritable tâche d’inspection pour que les ingénieurs puissent évaluer une solution pratique.

Optique Boshi, qui fait partie de Shanghai Silk Optical Technology Co., Ltd., développe et fabrique des produits optiques pour les applications d'imagerie, y compris des optiques personnalisées liées aux endoscopes. Pour un nouveau projet, partagez les informations du capteur, l'enveloppe mécanique, la distance de travail, la scène cible et le support de fonctionnement prévu.

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