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LIVRE BLANC
Quel objectif pour ma caméra haute définition ? A l’instar des appareils photos numériques et des téléphones portables, les caméras industrielles dédiées à la machine de vision intègrent des capteurs dont le nombre de pixels ne cesse de croître depuis plusieurs années. Si la qualité souvent médiocre des dispositifs optiques qui équipent les produits grand public n’a pas de conséquence sérieuse, la qualité des objectifs utilisés dans les applications de contrôle industriel doit être optimale et permettre l’exploitation réelle des millions de pixels disponibles. Avec des caméras industrielles qui dépassent aisément les 5 millions de pixels pour atteindre plusieurs dizaines de millions de pixels aujourd’hui, le choix de l’objectif devient un élément sensible. Pour obtenir une bonne image, donc une image nette, il faut choisir non seulement une bonne caméra mais également l’objectif qui lui convient. Le choix d’un objectif tient compte de multiples facteurs : la dimension de la scène à inspecter, la distance caméra/scène, la taille du capteur de prise de vue, le type de monture, la profondeur de champ, l’éclairement de la scène, la bande spectrale, la résolution et bien d’autres encore. Notre propos ici est de nous concentrer sur les facteurs clés qui vont nous aider à choisir l’objectif dont la résolution sera en adéquation avec celle de la caméra. Taille des capteurs, nombre et taille des pixels Le capteur d’image est le cœur et par conséquent le composant le plus cher de la caméra. Les caméras industrielles récentes proposent une grande variété de formats. Exemples de formats vidéos
Ò La taille du capteur est le premier facteur important à prendre en considération. Les caméras haute définition de type matriciel ou linéaire intègrent des capteurs plus grands que les caméras de moindre définition. Et de manière générale, à nombre de pixels égal, plus la surface du capteur est importante, meilleure est la qualité d’image. Ò Le nombre de pixels, exprimé en mégapixels (MP) indique le nombre total de pixels qui occupent la surface du capteur. Plus ce nombre est élevé, meilleure est la résolution de la caméra. Ò La taille du pixel est un facteur décisif puisqu’il conditionne la quantité de lumière reçue par le pixel. Par exemple un pixel carré de 5µm de côté reçoit quatre fois plus de lumière qu’un pixel de 2.5µm. Les technologies de capteur évoluant sans cesse, des pixels actuels entre 3.5µm et 6µm offrent la même sensibilité que des pixels de 10µm d’ancienne génération. La taille du pixel conditionne aussi la taille du capteur. Aujourd’hui on trouve des caméras qui combinent à la fois la très haute résolution et une taille de capteur inférieure au 1/2 " grâce à des petits pixels de 2.2µm à 1.4µm. Cependant leur sensibilité reste limitée en raison de la petite surface du pixel. L’utilisation de capteurs avec de petits pixels a pour conséquence : ‐ Des exigences plus élevées sur l’optique ‐ Des profondeurs de champs plus faibles et la nécessité d’une mise au point plus précise ‐ La réduction de la sensibilité à faible éclairement Montures d’objectifs Elles sont l’interface mécanique et électronique parfois entre le corps de la caméra et l’objectif. Elles se caractérisent par leur diamètre, leur tirage mécanique et leur système d’accroche (à vis ou à baïonnette principalement). Les montures se sont développées en fonction des marchés ‐ photographie, cinéma et industrie ‐ et des dimensions des supports d’images (films, capteurs). Dans l’industrie, les montures optiques les plus couramment utilisées sont la monture C et la monture F. La monture C permet de couvrir des diagonales images jusqu’à 21.4mm (format nommé 1.2"). Au‐delà c’est la monture F qui prend le relais pour couvrir classiquement jusqu’au format 24mmx36mm (diagonale de 43.3mm). D’autres montures sont également proposées comme les montures V, M42x1, M42x0.75 et M39x1/26". Format d’image et cercle image Un objectif étant construit à partir de lentilles circulaires, l’image produite est également circulaire. L’image circulaire produite par l’objectif détermine ce que l’on appelle le cercle image. Le format d’image est le rectangle qui s’inscrit dans le cercle image. Dans le choix de l’objectif, le diamètre du cercle image doit correspondre ou être supérieur à la diagonale du capteur de la caméra. Idéalement un objectif 2/3" (diagonale de 11mm) sera monté sur une caméra équipée d’un capteur de taille 2/3". Si cet objectif 2/3" est monté sur une caméra doté d’un capteur 1" (diagonale de 16mm), on observera un phénomène de vignettage, c’est‐à‐dire un assombrissement à la périphérie de l’image (coins sombres). Autrement dit le cercle image de l’objectif ne couvre pas totalement le format du capteur. A contrario utiliser un objectif de cercle image plus large peut sembler avantageux car la netteté est généralement meilleure au centre que sur les bords. Mais attention car plus l’objectif est volumineux, plus il est cher. Exemple Prenons le cas d’une caméra équipée du capteur Sony IMX174. Celui délivre 1920 x 1200 pixels utiles de taille 5.86 µm2. Les dimensions du capteur étant de 11.25 x 7.03 mm (diagonale de 13.4mm) on retiendra les objectifs au format 1" (diagonale de 16mm) qui couvre une surface de 12.8 x 9.6 mm. Livre Blanc : Quel objectif pour ma caméra haute définition ? Résolution de l’objectif Elle permet de caractériser la finesse de restitution des détails de la scène observée. Cette information est capitale pour savoir si l’objectif est approprié à la définition de la caméra. Ò La résolution d’un objectif est donnée en paire de lignes par millimètre (pl/mm) et spécifie combien de lignes alternativement noires et blanches apparaissent distinctement sur un millimètre. Plus ce nombre est élevé, meilleure est la résolution de l’objectif. Les fabricants d’objectifs fournissent des courbes FTM (fonction de transfert de modulation) qui caractérisent la résolution de l’objectif du centre vers les bords de l’image. Ces courbes sont établies à partir de mires de test constituées de barre noires et blanches dont les largeurs deviennent de plus en plus fines et qui permettent de lire la résolution maximale en pl/mm. La résolution fournie en pl/mm nous aide à déterminer quelle doit être la taille maximale du pixel pour qu’il soit discriminé. En respectant le théorème d’échantillonnage de Nyquist‐Shannon la formule suivante établie la relation entre la valeur de résolution et la taille du pixel : résolution (pl/mm) > 1/ (2 x largeur pixel(mm)) Exemple de calcul Prenons le cas d’une caméra équipée du capteur 1/1.8" SONY ICX274 qui fournit 1628 x 1236 pixels de taille 4.4µm2. Quel est la résolution minimale de l’objectif qui devra équiper la caméra ? Réponse : r = 1/(2x0.0044) soit 113 pl/mm Contraste Exemple de FTM Distance au centre de l’objectif En pratique l’extraction de la résolution de l’objectif à partir des courbes FTM peut s’avérer complexe de par la diversité des représentations. Les courbes FTM sur la figure ci‐dessus caractérisent l’évolution du contraste obtenu (ordonnée) sur les fameuses paires de lignes noires et blanches, en fonction de la position de la mesure (abscisse) du centre vers les bords de l’image. La résolution est donc liée au contraste mesuré dans l’image. Sur cette exemple la résolution intrinsèque de l’objectif se dégrade sur les bords de l’image par rapport au centre. Livre Blanc : Quel objectif pour ma caméra haute définition ? Ò Pour les marchés de la surveillance vidéo CCTV et de la machine de vision, les fabricants ont eu la bonne idée de spécifier pour leurs gammes d’objectifs, leurs résolutions (exprimées en Mégapixels) ou leurs pas de pixel (pixel pitch). C’est une aide précieuse dans le choix rapide de l’objectif. Ces deux valeurs sont liées au format d’image par la formule suivante : Résolution (MP) x (Pas du pixel(mm))2 = Surface image(mm2) Lorsque seule l’information de résolution (mégapixel) existe, il est indispensable de prendre en compte le format d’image, pour en déterminer le pas du pixel théorique et pouvoir le comparer à la dimension du pixel capteur. Exemple Prenons le cas d’une caméra équipée du capteur Aptina MT9P031 qui délivre 2592x1944 pixels (5 Mégapixels) avec un format d’image 1/2.5". La taille des pixels de ce capteur est de 2.2µmx2.2µm. Quels sont les gammes d’objectifs compatibles avec ce capteur ? 1‐ Prenons le cas de la gamme d’objectifs Basler de la série C125 : celle‐ci répond parfaitement au besoin puisqu’elle est donnée pour 5MP et supporte précisément le format 1/2.5". Le calcul théorique du pixel pitch donne une valeur de 2.2µm, ce qui nous nous conforte dans notre choix. 2‐ Prenons le cas de la gamme d’objectifs Fujifilm HF‐SA : cette gamme porte la mention 5MP mais supporte un format d’image 2/3" beaucoup plus grand que celui demandé. Le calcul du pixel pitch conduit à 3.3 µm, valeur bien supérieure au 2.2µm requis. Cette gamme d’objectifs ne convient pas. Le marché actuel de l’industrie propose couramment des objectifs en résolutions 1.5MP, 3MP et 5MP. Les tailles et les résolutions des nouveaux capteurs augmentant, l’offre d’objectifs estampillés 9MP, 10MP et 12MP arrive progressivement sur le marché. Au‐delà de 10MP les solutions existent, cependant l’offre est moins visible. C’est‐à‐dire que les objectifs potentiels ne sont plus identifiables rapidement par une valeur directe en Mégapixel ou par une valeur de pixel pitch. Quelle que ce soit le type d’objectif recherché, il devient alors nécessaire de récupérer auprès des fabricants un certain nombre d’informations essentielles : ‐ le type de monture ‐ le cercle image ou format d’image couvert ‐ les courbes FTM i2S Livre Blanc : Quel objectif pour ma caméra haute définition ? 28‐30 rue Jean Perrin 33608 PESSAC CEDEX France Tél.: +33 557 266 901 Fax : +33 556 071 233 info‐[email protected] www.i2s‐vision.fr © i2S 10 /2015 #1510270 Sous réserve de modification
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