Comprendre et lire les courbes de fonction de transfert de modulation (MTF)
Gaspar van Elmbt
La fonction de transfert de modulation (MTF) est un indicateur fondamental utilisé pour évaluer les performances d’imagerie des systèmes vision tels que les objectifs, les caméras industrielles et les détecteurs. Elle quantifie la capacité d’un système vision à transférer le contraste de l’objet à l’image à différentes fréquences spatiales, décrivant ainsi de manière efficace la résolution et la qualité d’image du système.
Choisir le bon objectif de vision industrielle peut être difficile car les performances d’un objectif ne sont pas facilement déterminées par de simples mesures. Pour évaluer cela, nous fournissons des informations sur la MTF (Modulation Transfer Function) qui sont disponibles dans les Données de Résolution d’Objectif V1.5 dans Téléchargements, lesquelles quantifient la capacité d’un objectif à transférer le contraste d’un objet à son image.
Tables des matières
Comment lire un graphique MTF
Les données MTF sont généralement présentées sous l’un des deux formats graphiques. Bien qu’ils semblent différents, ils présentent souvent les mêmes données sous-jacentes. De nombreux graphiques MTF incluent une courbe de limite de diffraction représentant le transfert de contraste maximal théorique pour un système vision parfait. Les objectifs réels fonctionnent en dessous de cette limite en raison des aberrations et des imperfections de fabrication.
Mesure de la fréquence spatiale dans les graphiques MTF
La fonction de transfert de modulation (MTF) mesure le rapport entre le contraste de l'image et le contraste de l'objet en fonction de la fréquence spatiale, généralement exprimée en paires de lignes par millimètre (lp/mm).
La fréquence spatiale correspond au niveau de détail de l'objet : les basses fréquences représentent de grandes structures grossières, tandis que les hautes fréquences correspondent à des détails fins.
La valeur MTF varie de 0 à 1 (ou de 0 % à 100 %), où 1 signifie un transfert de contraste parfait et 0 signifie qu'aucun contraste n'est transféré à cette fréquence.
Les paires de lignes par millimètre (lp/mm) constituent l’unité standard de la fréquence spatiale dans les graphiques MTF.
- Une paire de lignes se compose d’une ligne noire et d’une ligne blanche, et le nombre de telles paires pouvant tenir dans un millimètre détermine la fréquence spatiale. Par exemple, 1 lp/mm signifie qu’il y a une paire de lignes (une noire, une blanche) dans chaque millimètre de l’image. À 5 lp/mm, il y a 5 paires (10 lignes) par millimètre, et ainsi de suite.
- Des valeurs lp/mm plus élevées représentent des détails plus fins. À mesure que le nombre de paires de lignes par millimètre augmente, la capacité de l’objectif à maintenir le contraste entre les lignes diminue, ce qui se reflète dans la pente descendante de la courbe MTF.
- La fréquence spatiale la plus élevée qu’un objectif peut résoudre—là où la valeur MTF chute presque à zéro—est appelée la fréquence de coupure. Il s’agit d’un indicateur clé du pouvoir de résolution maximal de l’objectif.
Décrypter les lignes : sagittal vs. méridional (tangentiel)
Sur la plupart des courbes MTF, vous verrez deux lignes pour chaque fréquence : une ligne pleine et une ligne en pointillés/traits. Celles-ci représentent deux orientations différentes du motif de test.
- Lignes sagittales (S) (pleines) : Représentent des lignes de test qui s'étendent radialement à partir du centre de l'image. Cela est parfois appelé « radial ».
- Lignes méridiennes (M) ou tangentielles (T) (pointillées/traits) : Représentent des lignes de test orientées perpendiculairement aux lignes sagittales.
La séparation entre les lignes sagittales et méridiennes indique l'astigmatisme, une aberration où la caméra industrielle objectif floute les détails différemment selon son orientation. Plus ces deux lignes sont proches l'une de l'autre, plus la performance de l'objectif est uniforme et plus l'astigmatisme est faible. Un écart important signifie que les détails seront flous de manière inégale, ce qui peut poser problème pour les étoiles ou les textures fines.
En résumé : plus les deux courbes sont proches, meilleure et plus uniforme est la qualité d'image.
Type 1 : MTF par rapport à la hauteur d’image (distance par rapport au centre de l’image)
- Axe X décrit la distance par rapport au centre de l’image, mesurée en millimètres (mm). L’extrémité droite de l’axe représente les mesures au bord ou à l’angle du capteur, ce qui est utile pour évaluer les performances de l’objectif vers les limites du cadre.
- Axe Y décrit les valeurs de contraste de 0 à 100 %, des valeurs plus élevées signifiant une meilleure transmission du contraste du sujet à l’image. Des courbes plus proches du haut du graphique indiquent des performances supérieures de l’objectif, avec des images plus nettes et à plus fort contraste.
Ce graphique indique que :
Au centre de l'image (0 mm) :
- Les lignes bleue et rouge commencent haut (~95 % pour 15 LP/mm, ~80 % pour 45 LP/mm).
Cela signifie que l'objectif est très net au centre, avec un bon contraste et une reproduction fidèle des détails fins.
Vers le milieu de l'image (environ 7–10 mm) :
- La ligne bleue (basse fréquence) reste élevée (~90 %), ce qui signifie que le contraste est bien préservé sur toute l'image.
- La ligne rouge (haute fréquence) chute de façon plus marquée (~60 %), ce qui signifie que la résolution des détails fins est plus faible sur les bords.
Aux bords de l'image (12–14 mm) :
- La ligne bleue baisse légèrement mais reste correcte (~80 %).
- La ligne rouge chute fortement (~30–40 %), indiquant une perte de détails fins et de netteté près du bord.
- La séparation entre les lignes radiales et tangentielles indique un astigmatisme ou une courbure de champ.
Cet objectif offre d'excellentes performances au centre, avec une netteté et un contraste remarquables. Le contraste des basses fréquences reste élevé sur toute l'image. Les détails fins se dégradent vers les bords, en particulier aux fréquences plus élevées. La différence entre radial et tangentiel suggère une douceur sur les bords ou un astigmatisme.
Type 2 : MTF vs Fréquence spatiale
Les courbes MTF sont souvent fournies pour différents points du champ, tels que l’axe (centre), le champ intermédiaire (par exemple, 70 % du rayon de l’image) et le bord (champ complet). La comparaison de ces courbes révèle comment la performance de l’objectif varie selon le champ de l’image.
- Axe X représente la fréquence spatiale, généralement en lp/mm. Des valeurs croissantes vont des détails grossiers aux détails fins.
- Axe Y indique la modulation ou le transfert de contraste, généralement sous forme de pourcentage ou de valeur normalisée de 0 à 1.
- La courbe MTF commence généralement près de 1 (ou 100 %) à de faibles fréquences spatiales et diminue à mesure que la fréquence augmente. Un objectif avec une courbe MTF plus élevée à des lp/mm plus élevés peut résoudre des détails plus fins avec un meilleur contraste.
Contrairement au premier graphique MTF (qui mesurait la performance à 15 et 45 paires de lignes par mm à différentes positions sur le champ), celui-ci montre le transfert de modulation sur une large gamme de fréquences spatiales pour différentes hauteurs de champ.
Aux basses fréquences spatiales (côté gauche, ~10–40 cycles/mm) :
- La plupart des courbes sont au-dessus de 0,9, proches de la limite de diffraction, ce qui signifie un bon contraste sur toute l'image.
À fréquences moyennes (~80–120 cycles/mm) :
- Le centre (rouge) reste proche de 0,7–0,8.
- Les courbes du milieu/des bords (bleu, violet, rose) chutent davantage, montrant une diminution de la reproduction des fins détails à mesure que l'on se rapproche des bords.
À hautes fréquences (>150 cycles/mm) :
- La courbe de la limite de diffraction chute, montrant que l'ouverture est limitée par la diffraction à F4.
- Les courbes réelles (surtout près des bords) chutent plus rapidement qu'au centre, ce qui signifie que la résolution dans les coins est nettement plus faible pour les très fins détails.
Radial vs Tangentiel :
- Au centre, R et T sont presque identiques.
- Vers les bords, des différences apparaissent (écart entre R et T), indiquant de l'astigmatisme ou une courbure de champ.
Cet objectif présente une excellente netteté au centre à F4, maintenant un bon transfert de détails proche de la limite de diffraction. Vers les bords, le contraste aux fréquences de détails fins diminue, avec des différences sagittales/tangentielles révélant de l'astigmatisme.
Points clés des graphiques MTF :
Les courbes MTF sont l’un des meilleurs outils pour évaluer objectivement la résolution et les performances en contraste d’un objectif. En apprenant à les lire, vous pouvez aller au-delà des arguments marketing et prendre des décisions fondées sur des données.
Notez qu’aucun objectif n’est parfait, et la manière dont ils réfractent et focalisent la lumière peut entraîner diverses imperfections dans l’image obtenue. Ces imperfections sont appelées aberrations d’objectif et distorsion d’objectif.
Comprendre ces phénomènes est essentiel pour les concepteurs et intégrateurs de systèmes de vision industrielle afin de choisir le bon objectif et d’optimiser les performances du système de caméra industrielle, évitant ainsi un investissement potentiellement perdu dans des composants inadaptés.
Intéressé par la gamme de composants pour systèmes de vision industrielle que nous proposons chez VA Imaging, ou avez-vous des questions spécifiques ? N'hésitez pas à nous contacter. Il vous suffit de remplir le formulaire de contact ci-dessous et un membre de notre équipe se fera un plaisir de vous aider.
