Choisir un objectif pour votre caméra

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Monture d’objectif de caméra

Vous devez sélectionner un objectif compatible avec la monture d’objectif de la caméra. La plupart des caméras de vision artificielle FLIR sont équipées d’une monture C ou CS. Nous fournissons également des entretoises de monture C à CS de 5 mm, des montures d’objectif M12 et des adaptateurs CS à M12.

Distance arrière de la bride sur les caméras à monture C et CS

Les objectifs à monture C et CS sont tous deux des montures d’objectif filetées que l’on trouve sur la plupart des caméras et objectifs CCD industriels. La différence entre les équipements à monture C et à monture CS est la distance entre la bride de l’objectif (la partie de l’étui qui s’appuie contre la caméra) et le plan focal de l’objectif (où le capteur CCD doit être positionné). C’est ce qu’on appelle la distance arrière de la bride.

Diagramme de l’objectif type à monture C ou CS

La spécification de l’objectif à monture C pour la distance arrière de la bride est de 17,53 mm. Elle est de 12,53 mm sur les objectifs à monture CS. Cependant, sur les caméras FLIR, ces distances physiques sont décalées en raison de la présence d’un filtre de coupure infrarouge (Infrared Cutoff, IRC) de 1 mm et d’une fenêtre de boîtier de capteur de 0,5 mm. Ces deux morceaux de verre s’ajustent entre l’objectif et le plan d’image du capteur. Le filtre IRC est installé par FLIR sur les caméras couleur ; dans les caméras monochromes, l’IRC est remplacé par une fenêtre transparente en verre. La fenêtre du boîtier du capteur est installée par le fabricant du capteur. La réfraction de ces composants en verre nécessite un décalage de la distance arrière de la bride par rapport aux valeurs nominales.

Si vous avez une caméra à monture CS et un objectif à monture C, vous pouvez ajouter une entretoise de 5 mm pour obtenir la mise au point correcte. Toutefois, si vous disposez d’une caméra à monture C et d’un objectif à monture CS, la mise au point correcte ne peut pas être obtenue.

Compatibilité avec les microlentilles M12

Les optiques M12 (parfois appelées monture en S) sont souvent une option populaire aux optiques à monture en C ou CS en raison de leur taille plus petite et du métal c plus bas, des objectifs, d’un adaptateur CS à M12 et de certaines caméras avec monture d’objectif M12 préinstallée.

Le support d’objectif M12 en métal moulé de FLIR est fabriqué en alliage de zinc et est conçu pour s’adapter à des capteurs de plus grand format, tels que le Sony ICX445 CCD et le Sony IMX035 CMOS. Les caractéristiques supplémentaires comprennent une vis de réglage pour ajuster la distance focale arrière, des vis de verrouillage pour un alignement précis du support d’objectif sur la carte de circuit imprimé de la caméra et un filtre IRC.

FLIR propose également un adaptateur d’objectif CS à M12 utile pour fixer les objectifs M12 à une caméra équipée d’un support d’objectif à monture CS.

Il peut y avoir des problèmes de compatibilité avec des objectifs M12 grand angle (distance focale courte) particuliers. Les problèmes de compatibilité sont principalement le résultat des différences de distance focale arrière, comme expliqué ci-dessous.

La distance requise pour que l’objectif soit mis au point est supérieure à la longueur du support d’objectif, ce qui nécessite de détacher l’objectif du support pour le mettre au point.
La distance requise pour que l’objectif soit mis au point est inférieure à la longueur du support d’objectif. L’image n’est toujours pas focalisée, même avec l’objectif vissé jusqu’au bout dans le support de l’objectif.
La microlentille peut rencontrer le filtre IR avant de pouvoir faire la mise au point.
La microlentille peut être mise au point, mais est trop courte pour être fixée en place par la vis de réglage de l’objectif.

Distance focale de l'objectif

Une autre considération importante lors de la sélection d’un objectif est sa distance focale. Un objectif avec une focale approximativement égale à la taille diagonale du format du capteur reproduit une perspective qui semble généralement normale pour l’œil humain. Les objectifs avec des distances focales plus courtes que la normale, également appelés objectifs « grand angle », peuvent capturer un champ de vision plus large. Les objectifs avec des distances focales plus longues que la normale, ou « téléobjectifs », capturent un champ de vision plus petit. Par conséquent, lorsque vous considérez la distance focale, vous devez tenir compte de la taille du capteur, du champ de vision que vous souhaitez capturer et de la distance approximative entre votre sujet et l'objectif, également appelée « distance de travail ».

Le point focal est la position sur l’axe optique où tous les rayons entrants qui sont parallèles à l’axe optique se croisent. La mise au point est obtenue lorsque tous les rayons provenant du même point de la scène se réfractent de manière à se croiser exactement au même endroit sur le plan de l'image. Ce concept est illustré dans le diagramme ci-dessous. Notez qu’avec un objectif symétrique, les points focaux F et F’ sont équidistants de l’objectif. Un rayon qui passe par F se réfracte de manière à être parallèle à l'axe optique avant qu’il n’atteigne le plan de l’image.

La relation entre la distance focale, la distance de travail et la distance de l’image est donnée par la formule de l’objectif gaussien :

Dans de nombreuses applications d’imagerie, la distance de travail est considérablement plus grande que la distance de l’image. Dans ce cas, nous pouvons estimer l’équation ci-dessus ainsi :

Nous voyons que la distance de l’image est approximativement égale à la focale. Un diagramme de rayons simplifié pour ce cas est illustré ci-dessous où seuls les rayons principaux des bords du capteur sont dessinés. Ces rayons traversent le centre de l’objectif sans changement de direction.

Dans ce cas, la valeur approximative de la focale est donnée par :

Pour les applications en gros plan, telles que la macrophotographie, où la distance de travail n’est pas significativement plus grande que la distance focale, nous ne pouvons pas estimer la distance de l’image comme étant la distance focale. La forme plus précise de l’équation ci-dessus (applicable aux distances de travail proches et éloignées) est donnée par :

De nombreux fournisseurs d’objectifs fournissent des calculateurs de sélection d’objectifs sur leurs sites Web qui produisent une focale recommandée basée sur la forme approximative de l’équation de focale. En cas de doute, le calcul est simple et peut être effectué manuellement en connaissant les dimensions du capteur. La taille du capteur est généralement donnée en unités fractionnaires d’un pouce qui, pour des raisons historiques, ne peuvent pas être directement mises à l’échelle dans la taille réelle de la zone d’imagerie effective du capteur. Le tableau ci-dessous donne une liste des largeurs, hauteurs et diagonales de plusieurs tailles de capteur standard.

Prenons l’exemple d’une application utilisant un capteur d’1/2”, une distance de travail de 100 mm et un champ de vision horizontal de 50 mm. En regardant le tableau, le capteur d’1/2” a une largeur de 6,4 mm, une hauteur de 4,8 mm et une diagonale de 8 mm. Pour atteindre le champ de vision horizontal spécifié, nous utilisons :

ou en utilisant l’équation exacte :

Le résultat est une distance focale de 11,3 mm en utilisant la formule exacte et de 12,8 mm en utilisant la formule approximative. Cette divergence augmente à mesure que la distance de travail diminue par rapport à la distance focale.

Une fois que vous avez choisi une distance focale qui répond le mieux à vos exigences, vous devrez peut-être ajuster votre distance de travail pour obtenir le champ de vision souhaité. Gardez également à l’esprit que les objectifs avec des distances focales plus courtes présentent souvent une distorsion prononcée. La quantité réelle de distorsion dépend de l’objectif spécifique utilisé et peut avoir un impact considérable sur le champ de vision réel. Les équations ci-dessus ignorent la distorsion. Si la distorsion de l’objectif est importante (par exemple > 10 %), les équations ci-dessus sont imprécises pour prédire la distance focale et doivent uniquement être utilisées comme point de départ. La fiche technique de l’objectif doit être consultée. Généralement, un champ de vision angulaire est spécifié pour les objectifs grand angle et fish-eye pour chaque format de capteur pris en charge par l’objectif. Ce champ de vision angulaire doit être utilisé pour calculer la distance de travail pour un champ de vision donné en unités de distance.

Dimensions du capteur

Lorsque vous achetez un objectif, assurez-vous qu’il est compatible avec la taille optique du capteur d’image (par exemple, 1/3", 2/3", etc.) utilisé dans votre caméra. L’objectif doit être capable de projeter une image qui couvre l’ensemble du capteur. Un objectif conçu pour un capteur de format plus grand, tel que 2/3", peut généralement être utilisé avec un capteur de format plus petit, tel que 1/3", bien qu’il puisse y avoir une perte de résolution (voir ci-dessous).

Un objectif conçu pour un capteur plus petit, comme 1/3”, ne peut pas être utilisé avec un capteur plus grand, comme 1/2”, car l’objectif ne projette probablement pas une image suffisamment grande pour couvrir l’ensemble du capteur, ce qui provoque un vignettage. Dans ce cas, les coins de l’image peuvent apparaître flous, sombres ou même complètement noirs.

Le tableau suivant indique la largeur (W), la hauteur (H) et la diagonale (D) approximatives de la zone active pour les capteurs de différentes tailles, ainsi que les facteurs de recadrage associés à l’utilisation d’un objectif spécifique sur un capteur plus petit. Par exemple, supposons que nous avons un objectif de 6 mm couplé à un capteur d’1/3” et que vous voulez savoir quel objectif atteint le même champ de vision sur un capteur d’1/4”. Le facteur de recadrage du capteur d’1/3” par rapport au capteur d’1/4” est de 1,33. Par conséquent, vous sélectionnez une focale de 6 mm / 1,33 = 4,5 mm.

Résolution spatiale du capteur et objectifs à mégapixels

Un autre facteur important lors de la sélection d’un objectif est le nombre de pixels par rapport à la surface totale du capteur. Cette mesure est généralement inversement proportionnelle à la taille des pixels (cellule d’unité), plus le nombre de pixels est élevé, plus les pixels individuels sont petits et plus ils sont proches les uns des autres. Inversement, plus l’espacement des pixels sur un capteur est petit, plus sa capacité à enregistrer (échantillonner) de petits détails est grande. Cette capacité est appelée fréquence spatiale ou résolution spatiale. Les capteurs haute densité nécessitent des objectifs à mégapixels (MP) construits avec des composants optiques de meilleure qualité qui peuvent projeter des images à une résolution égale ou supérieure à celle du capteur.

Le tableau ci-dessous présente un échantillon de capteurs utilisés dans les caméras FLIR et indique si un objectif MP doit être utilisé avec eux. Il est conseillé d’utiliser un objectif MP avec un capteur à mégapixels. Pour les capteurs multimégapixels, la puissance MP de l’objectif doit atteindre ou dépasser le nombre MP du capteur. L’utilisation d’un objectif standard sur un capteur mégapixel peut entraîner des images floues, car l’objectif peut ne pas fournir une résolution suffisamment élevée pour le capteur. Bien qu’il soit acceptable d’utiliser un objectif MP avec un capteur non mégapixel, il peut s'avérer peu pratique d'un point de vue coût-bénéfice.

Idéalement, le format de l’objectif doit également être adapté au format du capteur pour de meilleures performances. Par exemple, un objectif au format 1 MP 2/3” sur un capteur 1 MP 1/3” est probablement moins performant en résolution, car le capteur ne saisit qu’une fraction du détail total produit par l’objectif. L’objectif 1 MP” 1/3, en raison de la zone de capteur plus petite, fournit une résolution supérieure à 1 MP 2/3” afin de capturer la même valeur d’image de 1 MP. La résolution spatiale du capteur est mesurée en paires de lignes par millimètre (lpm ou lp/mm), ce qui indique la plus petite taille de paires répétées de barres noires/blanches qu’un capteur peut résoudre. Un capteur 1/3" 1,3 MP, tel que le Sony ICX445 avec une taille de pixel de seulement 3,75 micromètres, peut résoudre ~133 lpm (1/3,75 µm x 1/2 x 1 000 µm/mm). Les objectifs MP peuvent projeter des images plus en détail pour utiliser la densité de pixel supérieure des capteurs mégapixels de petit format comme le Sony ICX445 (1/3" 1,3 MP) ou le Sony ICX655 (2/3" 5 MP).

La résolution d’un objectif est généralement mesurée par des jeux d’imagerie de barres noires et blanches avec des pas différents (lpm). Le plus petit pas (au niveau du capteur) qui peut être résolu est considéré comme la résolution de l’objectif. Cette résolution est ensuite multipliée par 2 (pour convertir les paires de lignes en lignes), puis multipliée par les dimensions de la taille du capteur pour déterminer la puissance MP de l’objectif. Il existe quelques pièges avec ce type de mesure. Premièrement, la résolution de l’objectif varie dans le champ de vision (généralement le plus élevé près du centre de l’image) et les détails de l’endroit où la résolution est mesurée ont donc un impact important sur la notation MP. Un deuxième piège réside dans la perception d’une situation qui « vient d’être résolue », car elle peut différer d’un testeur à l’autre. De plus, deux objectifs peuvent résoudre 133 lpm et ont donc la même valeur de MP, mais cela ne garantit pas qu’ils fournissent le même contraste à 60 lpm, par exemple. Par conséquent, la notation MP ne dit pas toujours tout.

Une mesure plus systématique de la résolution de l’objectif est la fonction de transfert modulaire (Modulation Transfer Function, MTF). La MTF mesure l’amplitude (contraste) d’une image d’un motif sinusoïdal* qui passe en douceur du noir au blanc à une fréquence spatiale donnée en cycles/mm (cy/mm, bien que parfois appelé lp/mm ou lpm). Plus la fréquence spatiale d’un tel motif est élevée, plus l’image est susceptible de devenir floue en gris uniforme. La « résolution » nominale de cette mesure est ensuite la fréquence à laquelle le contraste baisse pour atteindre un certain pourcentage du contraste de basse fréquence, similaire à la bande passante d’un circuit électrique. Elle est généralement exprimée en MTF50 (50 % du contraste de basse fréquence) ou MTF30 (30 % du contraste de basse fréquence). La MTF10 est également parfois utilisée et présente une équivalence approximative avec la résolution « venant d’être résolue » obtenue à partir des schémas de barres (voir ci-dessus). La prudence est de rigueur avec la MTF10, car elle est difficile à mesurer de manière fiable. Une autre mesure consiste à évaluer le contraste pour un ensemble limité de fréquences spécifiques, souvent indiquées comme une fonction de la position radiale dans l’image. Alors que les données MTF peuvent fournir des informations beaucoup plus détaillées sur la qualité de l’objectif par rapport à une simple évaluation MP, l’interprétation est plus compliquée et les données peuvent ne pas toujours être disponibles.

* Les mesures MTF peuvent également être effectuées par d’autres méthodes, elles que l’étalement des points et l’analyse des bords inclinés.

Autres ressources