Autofocus ou grande profondeur de champ ?

15/10/20 10:00

Lors de la conception d’un système de prise d’images d’un objet pour lequel la distance à la caméra peut varier, la solution d’un système avec autofocus est souvent la première envisagée. Pourtant il existe des solutions simples permettant d’augmenter la profondeur de champ, même pour les systèmes miniaturisés avec lentille de type M12, et ainsi simplifier la configuration optique et réduire les coûts.

 
 

Cas des systèmes avec objectifs monture C

Parmi les cas d'applications de vision industrielle, il en est dont la distance objet-caméra varie, par exemple pour les instruments portatifs (lecteurs de code barre, instruments de diagnostics), ou pour les systèmes qui inspectent des objets de tailles variables (automatisation, tri de colis, sécurité).

Dans ces cas le premier reflex est souvent de s’orienter vers des systèmes d'acquisition possédant une fonction d’autofocus.

Pour rappel, un système d’imagerie à autofocus nécessite un objectif dont la mise au point peut être pilotée, ainsi qu’une intelligence embarquée (il existe également des systèmes dits actifs intégrant une mesure de distance pour éviter la multiprise d’images).
La fonction autofocus consiste en une boucle d’acquisition d’un jeu d’images et l’analyse de celles-ci (par exemple par la mesure de contraste), permettant ainsi d’afficher l’image avec la meilleure mise au point de l’objet.

Les objectifs à mise au point pilotée peuvent être de type déplacement mécanique de tout ou partie des lentilles, et incluent le plus souvent un pilotage de l’iris voire du zoom. Ces objectifs sont très utilisés en vidéosurveillance..

objectif-multimotorise-iris-focus-zoomObjectif Computar multimotorisé qui permet le pilotage de la mise au point, du zoom et de l’iris.

 

Il existe également des objectifs intégrant une lentille liquide, permettant une mise au point très rapide, sans mouvement mécanique et avec une très faible consommation.

objectif-lentille-liquide-varioptic

Objectif d’imagerie monture C à lentille liquide de la marque Varioptic

 

Pourtant ces systèmes à autofocus sont plus onéreux qu'un système à mise au point fixe et possèdent des inconvénients spécifiques :

  • un temps d'acquisition allongé par le délai d'autofocus (moindre avec la lentille liquide)
  • des cas d'erreurs de mise au point
  • impossibilité de réaliser des vidéos à haute cadence

Dans un grand nombre de cas, il est possible de se passer d'autofocus en travaillant à augmenter la profondeur de champ (et donc la distance entre le plan objet le plus proche et le plan objet le plus éloigné) en agissant par :

  • une diminution de l'ouverture de l'objectif (c'est à dire augmentation du nombre d'ouverture - noté rapport F/D ou F/# )
  • une augmentation de l'éclairement de l'objet pour compenser la baisse de luminosité liée à la fermeture du diaphragme et garder le temps d'exposition court

Pour rappel, le nombre d’ouverture F/D est calculé par le rapport entre la distance focale et le diamètre de l'ouverture de l’objectif. Plus le rapport F/D est grand, plus grande sera la profondeur de champ sur l’image enregistrée.

Computar-MPY-seriesObjectifs Computar de la gamme MPY montrant la bague de réglage du diaphragme entre F/2.8 et f/16


La diminution de l'ouverture est très simple sur les objectifs à monture C : on agit sur la bague de réglage du diaphragme. Cette réduction d’ouverture aura le plus souvent l’avantage d’améliorer la qualité d’image (la meilleure qualité d’image d’un objectif étant en effet obtenue en général entre F/4 et F/8, selon les gammes et les fabricants).

Il est ainsi assez simple d’augmenter la profondeur de champ pour se passer d’un autofocus (à condition que l’application ne soit pas limitée par la quantité de lumière).

Il y a bien entendu une limite car au delà d’une certaine ouverture (qui dépend de la taille du pixel), la qualité d’image baisse à cause du phénomène de diffraction.

 

Application en vision miniaturisée ou vision embarquée

Dans les solutions d'imagerie miniaturisées ou en utilisant des caméras-cartes, l'usage des objectifs à monture M12 (dite monture S) ont permis de diminuer l'encombrement des fonctions d'imagerie qui va de pair avec une optimisation des coûts. Mais ces objectifs ne sont pas munis d'une fonction de réglage de diaphragme et sont proposés à des ouvertures importantes (F/2 ou moins).

i2S propose une solution de réduction de l'ouverture pour les objectifs M12, par l'ajout d'un diaphragme extérieur. Cette solution a été validée par les ingénieurs optique de i2s et sa mise en place est réalisée de façon industrielle est dans l'usine de Cestas. Cette solution est possible sur une sélection de notre catalogue d'objectifs M12, à partir d'une quantité 10.

dart-avec-objectif-M12-iris-fixe-1600x1200

Caméra-carte Basler dart équipée d'un objectif M12 avec diaphragme extérieur

 

Passer ainsi de F/1.4 à f/5.6 permet ainsi d'augmenter la profondeur de champ d'un facteur 4.

Cette augmentation de profondeur de champ va de pair avec une nette amélioration de la qualité d'image par la réduction d'aberrations optiques présentes sur tout objectif à son ouverture maximale.

Conclusion

Cette solution de réduction d'ouverture sur les objectifs à monture M12 a permis à plusieurs de nos clients de diminuer les coûts et le volume de leurs solutions, tout en maintenant une qualité d'image optimisée.


 

 

 

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