Pourquoi la distorsion de la lentille est importante dans la mesure de la vision industrielle

Introduction : une petite erreur géométrique peut devenir un problème d'inspection important

En vision industrielle, un objectif peut produire une image nette tout en n’étant pas le bon objectif pour la tâche à accomplir.

Cela peut paraître contre-intuitif. Si une caméra d'inspection peut voir clairement un composant, un trou ou un bord, le système ne devrait-il pas être capable de le mesurer avec précision ? Pas nécessairement. La netteté de l'image et la précision géométrique sont des propriétés différentes. Un objectif peut résoudre des détails fins tout en mappant des lignes droites en courbes ou en modifiant l'échelle de l'image du centre vers les bords.

Pour des applications telles que l'inspection dimensionnelle, le positionnement, l'alignement et la détection de défauts, cette distinction est importante. Une petite erreur géométrique peut affecter une décision réussite/échec, déplacer le point de sélection d'un robot ou créer des mesures incohérentes sur une ligne de production.

Cet article explique ce que signifie la distorsion d'un objectif en termes pratiques, les moments où cela est le plus important, comment l'étalonnage est utile et ce que les ingénieurs devraient discuter avec un fournisseur d'objectifs avant de s'engager dans une conception.

Qu'est-ce que la distorsion de l'objectif ?

La distorsion de l'objectif est une aberration géométrique qui change l'endroit où les points de la scène apparaissent dans l'image. Elle est communément décrite comme une distorsion en barillet, une distorsion en coussinet ou une combinaison plus complexe des deux.

Avec la distorsion en barillet, le grossissement de l'image a tendance à diminuer vers les bords, de sorte que les lignes droites peuvent s'incliner vers l'extérieur. Avec la distorsion en coussinet, les lignes peuvent s'incliner vers l'intérieur. Les systèmes grand angle peuvent également présenter des modèles de distorsion plus complexes qui ne peuvent pas être décrits de manière adéquate par un simple coefficient simple.

La distorsion ne signifie pas nécessairement que l'image est floue. Un bord très contrasté peut rester net mais apparaître à une position légèrement différente de celle attendue. Pour une surveillance visuelle, cela peut être acceptable. Pour la mesure, cela peut être source d’erreur systématique.

Une distinction utile est :

La résolution décrit la quantité de détails qu'un système d'imagerie peut distinguer.

La distorsion décrit la fidélité avec laquelle le système préserve la géométrie de la scène.

La répétabilité décrit si le système renvoie des résultats cohérents dans les mêmes conditions.

Un système de vision industrielle performant peut avoir besoin des trois, mais les priorités dépendent de la tâche.

Quand la distorsion devient-elle un problème ?

Mesure dimensionnelle

Si le logiciel convertit les pixels en millimètres à l'aide d'un simple facteur d'échelle, il suppose que l'échelle de l'image est suffisamment cohérente dans la zone de mesure. La distorsion peut violer cette hypothèse. Une dimension mesurée près du centre peut ne pas correspondre à la même échelle physique qu'une dimension identique près d'un coin.

Guidage et positionnement du robot

Lorsqu'une caméra guide un robot, les coordonnées de l'image sont transformées en coordonnées utilisées par le robot ou le système de convoyeur. Si la lentille introduit une erreur géométrique non corrigée, la position estimée peut changer. L'impact dépend de l'angle de la caméra, de la distance de travail, de la méthode d'étalonnage et de la tolérance de placement requise.

Inspection des PCB, des composants et des bandes

Les systèmes d’inspection comparent souvent les positions ou les formes des caractéristiques par rapport à une référence. La distorsion peut donner l'impression qu'un élément nominalement droit est courbé ou provoquer le déplacement des emplacements des bords. Cela peut compliquer la comparaison sur l’ensemble du terrain, en particulier lorsque la zone d’inspection occupe la majeure partie du capteur.

Surveillance à grand champ

Toutes les applications ne nécessitent pas une faible distorsion. Dans certains systèmes de surveillance ou de connaissance de la situation, la couverture peut être plus importante que le maintien de lignes droites. Toutefois, dans les applications de mesure ou de cartographie, la précision géométrique peut être une exigence clé. L'objectif approprié est celui optimisé pour la tâche, et non celui présentant le plus petit nombre de distorsion isolément.

Objectif à faible distorsion ou correction logicielle ?

Il n’y a pas de réponse universelle. La conception optique et l’étalonnage logiciel peuvent se compléter, mais ils résolvent le problème de différentes manières.

Un objectif à faible distorsion réduit optiquement la déviation géométrique avant que l’image n’atteigne le capteur. Cela peut simplifier le traitement en aval et contribuer à préserver une cartographie plus uniforme sur l’ensemble du champ.

La correction logicielle utilise un modèle calibré pour remapper les coordonnées de l'image. Il peut être efficace lorsque la distorsion est stable et que la procédure d'étalonnage est appropriée. Cependant, la correction peut rééchantillonner les pixels, recadrer la zone d'image utilisable et dépendre de la mise au point, de la position de l'objectif, de l'alignement du capteur et de la température restant suffisamment cohérente.

Il est également important de distinguer la correction de distorsion de la correction de perspective. Une caméra regardant un objet plat sous un angle introduit des effets de perspective même si l'objectif lui-même présente une distorsion négligeable. Un flux de travail d’étalonnage devra peut-être modéliser les deux.

Un processus de développement judicieux consiste à définir d'abord la précision de mesure requise, puis à évaluer si une correction optique, une correction logicielle ou une combinaison est appropriée.

Qu'en est-il d'un objectif télécentrique ?

Les objectifs télécentriques sont souvent envisagés lorsque la précision des mesures est plus importante que leur taille compacte ou leur large couverture en profondeur. Dans une conception télécentrique dans l'espace objet, les rayons principaux sont approximativement parallèles dans l'espace objet, réduisant ainsi les changements de grossissement provoqués par de petites variations de distance entre l'objet.

Cela peut être utile pour mesurer des pièces plates, vérifier des diamètres ou inspecter des composants dont la hauteur varie légèrement. Mais l’optique télécentrique ne constitue pas automatiquement le meilleur choix pour chaque système de vision. Ils peuvent être plus grands, plus chers et nécessiter une distance de travail et un champ de vision spécifiques.

Un objectif conventionnel à faible distorsion peut être mieux adapté lorsque l'espace, le coût ou la couverture du champ sont plus importants. La décision doit suivre la tolérance réelle et les contraintes mécaniques.

Six questions à répondre avant de sélectionner un objectif

Avant de demander un devis, les ingénieurs et les acheteurs doivent préparer les informations suivantes :

1.Quelle est la tolérance de mesure ? 

Un système conçu pour détecter un défaut grossier a des besoins différents, depuis la mesure d'une caractéristique jusqu'à une tolérance dimensionnelle stricte.

2.Quel est le format du capteur et la taille des pixels ? 

Le cercle d'image de l'objectif et les performances de résolution doivent être adaptés au capteur.

3.Quels sont le champ de vision et la distance de travail requis ? 

Ceux-ci définissent la géométrie de l’imagerie et influencent fortement la sélection des lentilles.

4.Où se situera la région d’intérêt ? 

Une petite région centrale peut être moins sensible à la distorsion qu’une mesure couvrant l’intégralité de l’image.

5.La caméra ou l'objet bougera-t-il ? 

Les mouvements, les vibrations et les changements de distance de travail peuvent affecter la stabilité de l'étalonnage.

6.Comment le système sera-t-il calibré ? 

Spécifiez tôt la cible d’étalonnage, la procédure, la température de fonctionnement et les critères d’acceptation.

Un fournisseur peut recommander plus efficacement lorsque ces détails sont disponibles. « Faible distorsion » ne constitue pas en soi une spécification complète.

Comment valider l'objectif dans le système réel

Une fiche technique est un point de départ et ne remplace pas les tests d’application. Utilisez une grille calibrée ou une autre cible de référence appropriée dans le champ de vision prévu. Vérifiez les performances du centre et des bords, répétez la mesure après avoir recentré ou remonté le cas échéant, et vérifiez le résultat à la distance de travail réelle.

Si l'application fonctionne sur une plage de températures, incluez les conditions thermiques représentatives. Si la correction logicielle fait partie du plan, validez la chaîne complète de traitement de l'image plutôt que de juger seule l'image brute.

Il est également utile de définir une métrique d’acceptation claire. Il peut s'agir d'une erreur résiduelle maximale après étalonnage, de la répétabilité d'une dimension mesurée ou d'une erreur de positionnement à des emplacements d'image spécifiés. La bonne métrique dépend du cas d’utilisation.

Où Boshi Optics peut vous aider

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Pour une discussion technique utile, fournissez le modèle de capteur, la taille de la cible, le champ de vision, la distance de travail, l'enveloppe mécanique disponible, l'environnement de fonctionnement et la tolérance de mesure requise. Ces détails aident à déterminer si une lentille standard est appropriée ou si une conception plus spécialisée doit être évaluée.

Conclusion : précisez l'erreur que vous pouvez accepter

La sélection d’objectifs de vision industrielle ne consiste pas simplement à rechercher une image nette. Lorsque le système mesure, aligne ou guide le mouvement, la fidélité géométrique peut être tout aussi importante que la résolution.

Commencez par la tolérance de l'application. Comprenez où la distorsion est importante dans le champ de vision. Décidez de la manière dont les performances optiques et l’étalonnage fonctionneront ensemble, puis validez l’ensemble du système de caméra dans des conditions réalistes.

La question la plus utile n’est pas simplement : « Cet objectif a-t-il une faible distorsion ? » La question est : « Ce système d’imagerie peut-il atteindre la précision requise, de manière reproductible, dans la manière dont il sera réellement utilisé ?