Comment améliorer la profondeur de champ des objectifs zoom industriels : un cas d'imagerie réel

Lorsqu'un système de vision industrielle doit inspecter une pièce qui n'est pas parfaitement plane, la première remarque est généralement la même : « Le centre est net, mais les bords ou l'arrière-plan sont flous. » Les ingénieurs incriminent souvent la résolution de l'objectif, alors que la véritable limite est fréquemment la profondeur de champ (PDC) — la plage axiale dans l'espace objet qui apparaît comme suffisamment nette pour un même réglage de mise au point.

Cet article présente un cas client réel de POMEAS. Le client est parti d'une configuration d'objectif donnée, puis en a adopté une autre, à la recherche d'une zone de netteté plus étendue sur une petite pièce de précision. Nous expliquons ce qui a réellement changé, ce qui n'a pas changé, et comment prendre une décision similaire sans tâtonner.

Le cas en bref

• Configuration d'origine : objectif zoom à crans POMEAS LZ-63100D6 + tube TV MINI 1X LZ-62010A + objectif auxiliaire 0,5X LZ-66105
• Configuration optimisée : objectif zoom continu 6,5X POMEAS LZ-650100DS9 + adaptateur TV 0,5X + objectif auxiliaire 1X
• Objet d'essai : petit composant électronique à quatre bornes
• Résultat clé : la série d'images finale montre une zone de netteté visiblement plus large (image 4 du cas)

1. Pourquoi l'arrière-plan devient-il flou en vision industrielle ?

Le flou dans une image de vision industrielle peut provenir de trois sources distinctes. Les traiter comme un seul problème conduit à un mauvais correctif.

1.1 Flou de mise au point dû à une faible profondeur de champ

Tout objectif possède un seul plan objet parfaitement au point. En s'éloignant de ce plan, l'image devient progressivement plus douce. La distance entre le plan objet le plus proche et le plus éloigné encore suffisamment net correspond à la profondeur de champ. Si la variation de hauteur de la pièce dépasse la profondeur de champ, certaines régions seront floues, quelle que soit la qualité de l'objectif.

1.2 Aberration de l'objectif ou courbure de champ

Un objectif peut faire converger le centre et le bord du champ à des distances objet différentes. Il s'agit de la courbure de champ, et non de la profondeur de champ. Fermer le diaphragme ne la corrigera pas entièrement ; le remède réside dans une meilleure conception optique, un alignement correct, ou l'acceptation d'une région d'intérêt plus petite.

1.3 Éclairage, exposition ou reflets

Des surfaces métalliques surexposées, des reflets éblouissants ou un faible contraste peuvent faire « disparaître » des détails même lorsqu'ils sont nets. Dans les images d'échantillon, les bornes à souder sont claires et réfléchissantes ; si l'angle ou l'intensité de l'éclairage est incorrect, les bords paraissent délavés plutôt que flous.

À retenir : avant de changer d'optique, vérifiez si le flou est réellement lié à la mise au point. Un moyen rapide consiste à refaire la mise au point sur la zone floue. Si elle devient nette tandis que la zone auparavant nette se floute, le problème est la profondeur de champ, et non la résolution.

2. Comment le diaphragme influence-t-il la profondeur de champ ?

Dans la plupart des systèmes d'imagerie, un diaphragme plus fermé (nombre f plus grand) donne une plus grande profondeur de champ, tandis qu'un diaphragme plus ouvert donne une profondeur de champ plus faible. En effet, un diaphragme plus fermé réduit l'angle du cône des rayons lumineux issus de chaque point objet, de sorte que le cercle de flou de défocalisation croît plus lentement de part et d'autre du plan focal.

Toutefois, deux limites pratiques existent :

• Compensation de l'exposition : un diaphragme plus fermé laisse passer moins de lumière. Il faut un éclairage plus lumineux, une exposition plus longue ou un gain de caméra plus élevé pour conserver la même luminosité d'image.
• Diffraction : à des diaphragmes très fermés, la lumière se diffuse à travers le diaphragme et la plus petite structure résoluble devient plus grande. L'image gagne en profondeur de champ mais perd en finesse de détail.

Pour l'inspection industrielle, l'objectif n'est donc pas « le diaphragme le plus fermé possible ». C'est le diaphragme qui offre une profondeur de champ suffisante tout en conservant la résolution requise. La famille d'objectifs zoom 6,5X POMEAS utilise un diaphragme manuel ou motorisé, afin de régler l'ouverture exactement pour ce compromis.

3. Comment le grossissement influence-t-il la profondeur de champ ?

La profondeur de champ diminue lorsque le grossissement augmente. La raison est géométrique : à un grossissement plus élevé, une même distance physique le long de l'axe optique correspond à une distance plus grande sur le capteur d'image, de sorte qu'elle sort plus vite de la zone de netteté.

L'objectif zoom à crans 6,5X POMEAS LZ-63100D6 illustre clairement cette relation. Selon la fiche technique POMEAS, à 0,7X la profondeur de champ est d'environ 1,9 mm, tandis qu'à 4,5X elle chute à environ 0,1 mm. Une pièce présentant 0,5 mm de variation de hauteur peut être entièrement nette à 0,7X, mais seulement partiellement nette à 4,5X.

POMEAS LZ-63100D6 : profondeur de champ en fonction du grossissement optique (capteur 2/3", monture C, WD 87 ± 2 mm)

Grossissement optique	PDC approximative (mm)	Remarques
0.7X	~1,9	Grossissement le plus faible, PDC et champ de vision les plus grands
1.0X	~0,95
2.0X	~0,29
3.0X	~0,16
4.5X	~0,10	Grossissement le plus élevé, PDC la plus faible

C'est pourquoi un objectif zoom est utile : lorsque vous devez voir une grande zone, vous utilisez un faible grossissement et gagnez en profondeur de champ ; lorsque vous devez voir un tout petit défaut, vous zoomez et acceptez une profondeur de champ plus faible. Si vous avez besoin des deux en même temps, vous devez ajouter un déplacement sur l'axe Z, une mise au point automatique ou une acquisition multi-plans.

4. Adaptateur TV ou objectif auxiliaire : quelle différence ?

Les configurations d'origine et optimisée comportent toutes deux un adaptateur TV et un objectif auxiliaire, mais les rapports ont été inversés. Comprendre le rôle de chaque composant est essentiel avant d'attribuer un quelconque changement de profondeur de champ.

Adaptateur TV (tube TV)

L'adaptateur TV se place entre l'arrière de l'objectif et le capteur de la caméra. Ses fonctions principales sont :

• Projeter l'image intermédiaire sur le capteur de la caméra à la distance image correcte.
• Fixer le grossissement système vu par le capteur. Un adaptateur TV 0,5X divise par deux le grossissement côté capteur par rapport à un adaptateur 1X.
• Faire correspondre la pupille de sortie de l'objectif à la pupille d'entrée de la caméra, pour un éclairage uniforme.

Objectif auxiliaire

L'objectif auxiliaire se monte du côté objet du corps de zoom. Ses fonctions principales sont :

• Modifier la distance de travail et le grossissement côté objet de l'ensemble du système.
• Un objectif auxiliaire 0,5X abaisse généralement le grossissement et augmente la WD ; un objectif auxiliaire 1X préserve les performances optiques de base du corps de zoom.

Comparaison des configurations

Configuration client d'origine et configuration optimisée

Composant	Configuration d'origine	Configuration optimisée	Effet optique
Objectif principal	Objectif zoom à crans 6,5X LZ-63100D6	Objectif zoom continu 6,5X POMEAS LZ-650100DS9	Corps de zoom différent, ouverture numérique et commande de diaphragme possiblement différentes
Adaptateur TV	LZ-62010A MINI TV 1X	Adaptateur TV 0,5X	Modifie le grossissement côté capteur / l'échelle de l'image
Objectif auxiliaire	LZ-66105 0,5X	1X	Modifie la WD côté objet et le grossissement de base du système

Comme l'objectif principal, l'adaptateur TV et l'objectif auxiliaire ont tous changé en même temps, l'amélioration finale de la profondeur de champ ne peut être attribuée à une seule modification. L'adaptateur TV 0,5X ne « crée » pas de profondeur de champ ; il modifie le grossissement du système, ce qui change indirectement la hauteur objet pouvant tenir dans la profondeur de champ. De même, le passage d'un objectif auxiliaire 0,5X à un objectif auxiliaire 1X modifie le grossissement côté objet et la distance de travail. Le système combiné doit être évalué dans son ensemble.

5. Comparaison d'imagerie réelle : avant et après optimisation

Les quatre images ci-dessous ont été fournies par le client durant le projet. Elles montrent le même type de petit composant à quatre bornes sous différents montages optiques.

Ce que nous pouvons observer :

• Les images 1 à 3 présentent des variations de mise au point et de contraste. Les bornes et la texture du corps apparaissent avec une netteté différente, ce qui suggère que le plan focal ou le grossissement n'étaient pas identiques.
• L'image 4 montre l'ensemble du composant — le corps et les quatre bornes — net de manière acceptable en même temps. La zone de netteté est visiblement plus large.

Ce que nous ne pouvons pas affirmer :

• Nous ne disposons pas du grossissement, du diaphragme ni des réglages d'exposition exacts pour chaque prise de vue ; il ne s'agit donc pas d'un test A/B contrôlé.
• L'amélioration de l'image 4 provient du changement de l'ensemble de la configuration optique, et non d'un seul réglage tel que le diaphragme ou le rapport de l'adaptateur TV.

6. Comment améliorer la profondeur de champ sans sacrifier la qualité d'image

Utilisez ce processus de décision lorsqu'une pièce présente une netteté hétérogène :

1. Mesurez la variation de hauteur de l'objet. La profondeur de champ requise doit être au moins égale à l'écart de hauteur maximal de la pièce dans le champ.
2. Vérifiez le champ de vision réel et la taille des pixels de la caméra. Un pas de pixel plus petit rend la défocalisation plus visible, de sorte que la profondeur de champ utile peut être inférieure à la profondeur de champ optique.
3. Vérifiez le plan de mise au point. Assurez-vous que la mise au point est faite sur la caractéristique la plus importante, et non sur une hauteur intermédiaire quelconque.
4. Réduisez le grossissement si la taille du détail le permet. Un grossissement plus faible est le moyen le plus rapide de gagner en profondeur de champ, mais il réduit aussi l'échelle de l'image.
5. Fermez le diaphragme modérément. Augmentez le nombre f jusqu'à atteindre la profondeur de champ cible, puis arrêtez-vous. Aller plus loin fait apparaître la diffraction.
6. Compensez l'exposition par l'éclairage. Utilisez un éclairage coaxial, annulaire ou à barre plus lumineux, afin que le diaphragme puisse rester fermé sans augmenter le gain de la caméra.
7. Réévaluez le couple adaptateur TV / objectif auxiliaire. Un rapport TV plus faible ou un objectif auxiliaire différent peut modifier le grossissement du système et la distance de travail.
8. Si ce qui précède ne suffit pas, changez de stratégie optique. Envisagez un objectif télécentrique pour un grossissement constant sur la profondeur, un module de mise au point automatique sur l'axe Z pour un balayage multi-hauteurs, ou une superposition multi-focus.

Important : ajouter plus de lumière ne change pas la profondeur de champ optique. Cela permet seulement de fermer davantage le diaphragme sans bruit. La profondeur de champ réelle est régie par le grossissement, le diaphragme et le critère de flou acceptable.

7. Comment choisir le bon objectif zoom

Pour une pièce similaire à celle de ce cas, rassemblez les paramètres suivants avant de choisir l'objectif :

• Taille du capteur de la caméra et taille des pixels
• Champ de vision (CDV) requis
• Taille du plus petit défaut ou de la plus petite caractéristique
• Contrainte de distance de travail
• Variation de hauteur de l'objet (la profondeur de champ requise)
• Vitesse d'inspection requise / temps d'exposition maximal

Pour l'inspection à 6,5X de petits composants électroniques, l'objectif zoom continu 6,5X POMEAS LZ-650100DS9 couvre 0,7X à 4,5X avec une WD d'environ 87 mm. Pour des pièces plus grandes ou une plus grande souplesse de WD, l'objectif zoom continu 12,5X offre une plage de grossissement plus étendue. Pour les postes entièrement automatisés, l'objectif zoom 6,5X motorisé à mise au point fine permet de régler les positions de zoom et de mise au point depuis le logiciel.

Si la pièce présente de fortes variations de hauteur et un grand champ de vision, un objectif télécentrique peut être une meilleure solution à long terme que de pousser un objectif zoom jusqu'à sa limite de profondeur de champ.

8. Questions fréquentes

Un diaphragme plus fermé augmente-t-il toujours la profondeur de champ ?

Oui, jusqu'à la limite de diffraction. Au-delà d'un certain nombre f, la diffraction atténue la finesse des détails, de sorte que la résolution effective diminue. Le meilleur diaphragme est celui qui atteint votre objectif de profondeur de champ sans perdre la plus petite caractéristique que vous devez voir.

Un adaptateur TV 0,5X augmente-t-il la profondeur de champ ?

Pas directement. Un adaptateur TV 0,5X réduit le grossissement côté capteur, ce qui peut réduire l'échelle de l'image finale. Si l'optique côté objet reste identique, la même profondeur de champ physique est répartie sur moins de pixels du capteur, de sorte que la profondeur de champ apparente peut sembler plus grande. Mais la profondeur de champ dans l'espace objet elle-même n'augmente pas ; il s'agit d'un effet de grossissement.

Pourquoi la profondeur de champ diminue-t-elle à fort grossissement ?

À un grossissement plus élevé, une même distance physique le long de l'axe optique correspond à une distance plus grande sur le capteur, de sorte qu'elle sort plus vite de la zone de netteté. Par exemple, la profondeur de champ de l'objectif POMEAS LZ-63100D6 passe d'environ 1,9 mm à 0,7X à environ 0,1 mm à 4,5X.

Un objectif zoom peut-il inspecter des objets de hauteurs différentes ?

Cela dépend de la variation de hauteur et du grossissement. À faible grossissement, la profondeur de champ est plus grande et les pièces multi-hauteurs sont plus faciles à traiter. À fort grossissement, seule une fine tranche est nette ; vous pouvez avoir besoin d'une mise au point automatique ou d'un déplacement sur l'axe Z.

Un éclairage plus lumineux améliore-t-il la profondeur de champ ?

Un éclairage plus lumineux permet d'utiliser un diaphragme plus fermé sans augmenter le temps d'exposition ni le gain. L'éclairage lui-même ne change pas la profondeur de champ optique ; il rend possible le réglage du diaphragme qui, lui, la modifie.

Quelle est la différence entre la profondeur de champ et la netteté d'image ?

La profondeur de champ est la plage axiale qui est nettement acceptable pour un même réglage de mise au point. La netteté d'image est le contraste des détails fins dans le plan de netteté. Un objectif peut être net mais avoir une faible profondeur de champ, ou avoir une grande profondeur de champ mais une netteté médiocre.

Quand dois-je utiliser la mise au point automatique plutôt que le réglage du diaphragme ?

Utilisez la mise au point automatique lorsque la hauteur de la pièce varie entre les inspections ou entre les positions dans le champ de vision, et que vous ne pouvez pas tolérer la perte de résolution d'un diaphragme très fermé. Un axe Z motorisé ou un microscope à mise au point automatique capture le meilleur plan focal en chaque point, au lieu de tenter d'inscrire le tout dans une seule profondeur de champ.

9. En résumé

La profondeur de champ d'un objectif zoom industriel n'est pas régie par un seul paramètre. Elle résulte du grossissement, du diaphragme, du rapport de l'adaptateur TV, de l'objectif auxiliaire, de la taille des pixels de la caméra et du critère de flou acceptable. Dans le cas client, le passage de la configuration d'origine à un système zoom continu 6,5X POMEAS LZ-650100DS9 avec un adaptateur TV 0,5X et un objectif auxiliaire 1X assortis a produit une zone de netteté visiblement plus large. L'amélioration provient de l'ensemble de la pile optique, et non d'un seul réglage.

Avant d'acheter ou de changer un objectif, mesurez la variation de hauteur de la pièce et la taille requise de la caractéristique, puis choisissez le grossissement et le diaphragme les plus faibles qui résolvent encore la cible. Si la géométrie est trop exigeante, complétez l'objectif zoom par une mise au point automatique, un déplacement sur l'axe Z ou une conception télécentrique.

Lectures associées : Parts With Different Heights: Depth of Field FAQ (EN), Guide de choix d'un objectif zoom 6.5X en vision industrielle, Objectif zoom vs focale fixe pour le contrôle industriel.