Comprendre les aberrations d'objectif et la distorsion d'objectif
Gaspar van Elmbt
Dans le domaine de la vision industrielle, l’obtention de résultats précis et fiables dépend fortement de la capture d’images de haute qualité. Si les caméras industrielles et l’éclairage pour la vision industrielle jouent des rôles essentiels, l’objectif de vision industrielle est sans doute le composant le plus critique pour garantir que l’image reproduit fidèlement l’objet inspecté. Cependant, les objectifs ne sont pas parfaits, 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, évitant ainsi un investissement potentiellement perdu dans des composants inadaptés.
Table of contents
Que sont les aberrations d'objectif et la distorsion d'objectif ?
Les aberrations d'objectif sont des écarts par rapport à la formation d'image idéale par un objectif de vision industrielle, entraînant un flou de l'image, des franges colorées ou d'autres défauts absents de l'objet réel. Elles surviennent parce que les objectifs réels ne peuvent pas focaliser parfaitement tous les rayons lumineux entrants en un seul point, même lorsqu'ils sont fabriqués de manière parfaite. Les aberrations sont généralement classées en deux grandes catégories : aberration monochromatique et aberration chromatique. En 1857, cinq types clés d'aberrations monochromatiques d'objectif ont été définis : aberration sphérique, coma, astigmatisme, courbure de champ et distorsion. Les aberrations chromatiques axiales et latérales ont été identifiées plus tard, apparaissant avec la lumière polychromatique.
Dans un monde idéal, un objectif focaliserait tous les rayons lumineux provenant d'un point unique d'un objet vers un point correspondant unique sur le capteur d'image, quel que soit la couleur de la lumière ou l'endroit où le rayon traverse l'objectif. Les aberrations d'objectif représentent des écarts par rapport à ce comportement idéal, provoquant une convergence incorrecte ou un déplacement des rayons lumineux, ce qui conduit à des images floues ou déformées.
La distorsion d'objectif est un type spécifique d'aberration où le grossissement de l'image varie sur le champ de vision, faisant apparaître les lignes droites de l'objet comme courbées sur l'image. Dans la distorsion géométrique, les points de l'image sont déplacés radialement par rapport à l'axe optique, ce qui fait apparaître les lignes droites comme courbées. Contrairement à certaines autres aberrations, la distorsion ne floute pas l'image mais en modifie la forme.
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Comprendre la distorsion de l'objectif
La distorsion d'objectif, contrairement à ces problèmes de netteté, est un phénomène géométrique qui déplace les points de l'image radialement par rapport à l'axe optique sans nécessairement les flouter. La position d'un point dans une image légèrement floue peut encore être mesurée comme le centre du point flou ; cependant, si cette position mesurée est inexacte en raison de la distorsion, les résultats dépendant des coordonnées de l'image seront erronés. Les types de distorsion les plus courants sont radialement symétriques. Ces distorsions radiales se répartissent généralement en deux catégories : la distorsion en barillet et la distorsion en coussinet.
Aberrations significatives de l'Objectif
Bien que la distorsion d’objectif soit un type d’aberration d’objectif, elle se distingue d’autres aberrations telles que l’aberration sphérique, la coma, l’astigmatisme et la courbure de champ, qui affectent principalement la netteté de l’image sans modifier la structure de base de l’objet dans l’image (une ligne droite reste droite, bien que potentiellement floue). La distorsion, en revanche, peut fondamentalement altérer la forme perçue des objets dans l’image.
Abordons brièvement certaines des autres aberrations afin de mettre en évidence cette distinction :
Aberration sphérique
Se produit fréquemment dans les objectifs plus anciens ou de moindre qualité. Elle survient lorsque les rayons lumineux passant par l’axe horizontal d’un objectif sphérique convergent en différents points après avoir traversé l’objectif, selon qu’ils passent plus près du centre ou de la périphérie du champ de vision. Dans un objectif parfait, tous les rayons convergeraient en un même point focal. La conséquence de l’aberration sphérique est une image floue, car un point unique de l’objet est reproduit sous forme de tache plutôt que de point net sur le capteur. De nombreux objectifs modernes utilisent des éléments d’objectif asphériques, dont la courbure varie du bord au centre, spécialement conçus pour corriger les rayons lumineux et les guider vers un point focal unique, réduisant ainsi l’aberration sphérique.
Coma
Une autre aberration qui affecte les points hors axe. Les rayons lumineux passant par des points plus éloignés de l’axe optique sont réfractés différemment de ceux plus proches de l’axe. Cela provoque une distorsion des sources ponctuelles hors axe, qui apparaissent avec une forme caractéristique de goutte ou de comète sur le plan image, souvent plus grande que celle des rayons passant par l’axe. La coma, associée à l’aberration sphérique, contribue à des formes irrégulières et à un flou dans les images.
Astigmatisme
Se produit lorsqu'un objet ponctuel est éloigné de l’axe d’un objectif. Semblable à la courbure de champ car elle affecte la netteté d’un coin à l’autre, avec des zones généralement plus nettes au centre. Cependant, l’astigmatisme influence également le grossissement sur l’ensemble de l’image, entraînant souvent une moindre clarté dans les zones concernées par rapport à la seule courbure de champ. L’astigmatisme résulte du fait que les rayons lumineux orientés horizontalement et verticalement ont des points focaux différents. La différence entre ces longueurs focales, appelée distance astigmatique, sert de mesure de la quantité d’astigmatisme dans l’objectif.
Courbure de champ
Un problème très courant où l'objet cible n'apparaît net que dans certaines parties du cadre de l'image, au lieu d'être uniformément net sur l'ensemble du champ de vision. En général, le centre de l'image peut être plus net et présenter un meilleur contraste que les bords, qui apparaissent flous ou hors focus. Cela se produit parce que la profondeur de champ elle-même est courbée, et que l'objectif projette l'image d'un objet plat sur une surface courbe. Comme les caméras numériques possèdent des capteurs d'image plats, la capture de cette image courbée entraîne un flou vers la périphérie. La plupart des objectifs, voire tous, produiront un certain degré de courbure de champ, les objectifs de meilleure qualité en présentant généralement moins. Dans les objectifs réels comportant plusieurs éléments, la courbure de champ peut parfois apparaître « ondulée », ce qui signifie que l'image peut être nette au centre et dans les coins, mais moins nette aux points intermédiaires.
Aberration chromatique
Se produit lors de l’imagerie avec une lumière polychromatique (colorée). Elle survient parce que l’indice de réfraction du matériau de l’objectif varie légèrement en fonction de la longueur d’onde (couleur) de la lumière. Puisque l’indice de réfraction est différent selon les couleurs (par exemple, plus élevé pour la lumière bleue que pour la lumière rouge), les différentes longueurs d’onde sont focalisées différemment. Il existe deux types :
- Aberration chromatique axiale : elle se produit parce que les différentes longueurs d’onde sont focalisées à des points différents le long de l’axe optique. Cela entraîne des couleurs voilées à la fois devant et derrière la position de mise au point idéale. Cette variation des points focaux pour les différentes couleurs est plus perceptible sur les bords et dans les coins de l’image, où la luminosité peut être plus élevée.
- Aberration chromatique latérale : elle survient parce que les différentes longueurs d’onde sont agrandies à des degrés divers. Cela se traduit par des franges colorées apparaissant autour des détails à fort contraste dans l’image. Ces franges peuvent se manifester par un flou des détails fins avec des couleurs opposées (par exemple, franges rouges et cyan) de chaque côté. L’aberration chromatique latérale est souvent observée sur les bords et dans les coins des images, en particulier avec des objectifs à grande ouverture. Il est important de noter que cette aberration est causée par l’objectif, et non par le capteur de la caméra.
Méthodes pour minimiser ou éliminer la distorsion de l’Objectif
- Conception d’Objectif : Bien qu’il soit impossible d’obtenir un objectif « parfait », les concepteurs d’objectifs utilisent des techniques pour réduire la distorsion et d’autres aberrations. L’utilisation de plusieurs éléments d’objectif ou l’incorporation de surfaces asphériques peut aider. Concevoir des objectifs de formes et de matériaux appropriés permet de minimiser des aberrations telles que la coma.
- Ouverture : Placer une ouverture peut aider à minimiser l’aberration sphérique. Les ouvertures peuvent également être utilisées pour minimiser ou éliminer la distorsion. Positionner une ouverture de manière symétrique entre deux objectifs peut aider à compenser des types opposés de distorsion (par exemple, distorsion en barillet par un objectif et en coussinet par l’autre). Réduire la taille de l’ouverture diminue la quantité de lumière passant par les bords extérieurs des objectifs sphériques, réduisant ainsi le risque d’aberrations et de distorsion, bien que cela ait un impact sur l’exposition et le contraste.
- Sélection d’Objectifs Appropriés : Choisir des objectifs réputés pour leur faible distorsion est un moyen direct d’éviter ce problème. Pour les tâches impliquant des mesures, l’utilisation d’un objectif macro conçu pour la prise de vue rapprochée, souvent bien corrigé pour la distorsion, peut être bénéfique. Utiliser une longueur focale moins sujette à la distorsion pour l’objectif spécifique, comme la plage 35-55 mm sur certaines caméras, peut également aider.
- Correction logicielle : Il s’agit d’une méthode puissante et largement utilisée, en particulier en photographie numérique et en Vision par ordinateur. La correction logicielle nécessite d’effectuer un étalonnage de la caméra pour déterminer les coefficients de distorsion de l’objectif. Cela implique d’utiliser des cibles d’étalonnage (comme des damiers) avec des points 3D connus et leurs projections d’image correspondantes (Pour vérifier la distorsion de votre objectif, nous recommandons d’utiliser notre mire damier, téléchargeable ici, Mire de test gratuite). Une fois l’étalonnage effectué, les paramètres de distorsion sont utilisés pour corriger l’image. Le logiciel peut être étalonné (en utilisant des profils d’objectif existants) ou permettre un ajustement manuel des paramètres. Des bibliothèques telles que OpenCV proposent des fonctions pour l’étalonnage de la caméra et la correction de la distorsion des images. Le processus consiste généralement à effectuer l’étalonnage pour obtenir les paramètres intrinsèques (y compris les paramètres de distorsion), à affiner la matrice de la caméra pour optimiser l’image corrigée, puis à appliquer le processus de correction. Certains systèmes de caméra effectuent une correction automatique de la distorsion à l’aide de paramètres stockés dans le firmware de l’objectif.
Pour des Applications de vision industrielle et de Vision par ordinateur précises, il est essentiel de traiter la distorsion de l’objectif. Bien que le choix d’objectifs bien conçus puisse minimiser le problème en amont, l’étalonnage de la caméra et la correction logicielle sont souvent nécessaires, en particulier pour les tâches quantitatives. Comprendre la nature des différents types de distorsion et les limites des modèles utilisés pour la correction est important pour garantir la fiabilité des résultats d’analyse d’image.
Conclusion des aberrations de l'objectif et de la distorsion de l'objectif
Les aberrations et la distorsion de l’Objectif sont des phénomènes optiques inhérents qui peuvent avoir un impact significatif sur la qualité d’image dans les Applications de vision industrielle. Des effets de déformation tels que la distorsion en barillet et en coussinet au flou causé par l’aberration sphérique, la coma et l’astigmatisme, ainsi que la frange colorée due à l’aberration chromatique, chaque type présente des défis uniques. La courbure de champ affecte la netteté uniforme sur l’ensemble de l’image. En comprenant ces effets, leur origine liée à la conception de l’objectif, et la manière dont ils peuvent être minimisés grâce au choix de l’objectif et à la configuration du système (comme l’ajustement de l’ouverture), les concepteurs et intégrateurs peuvent prendre des décisions éclairées afin de garantir que l’objectif choisi soit optimisé pour la caméra et les exigences spécifiques de l’application.
