Qu'est-ce qu'un objectif télécentrique : principe, types et cas d'usage

Réponse directe : un objectif télécentrique est conçu pour que les rayons principaux sortent parallèles à l'axe optique côté objet. Conséquence pratique : la taille de l'image ne change pas lorsque la pièce se rapproche ou s'éloigne du plan de mise au point. Pour la mesure, cela signifie que le bord d'une pièce située à une hauteur différente ne se déplace pas, et qu'une même cote mesurée au centre et au bord du champ donne le même nombre.

Le problème résolu

Dans un objectif classique, le cône de lumière qui forme chaque point de l'image arrive sur le capteur avec un angle qui varie selon la position dans le champ. Au centre, le rayon principal est presque perpendiculaire ; au bord, il peut s'incliner de 15° à 20°. Si la pièce a du relief — une marche, un chanfrein, un cylindre — le bord supérieur et le bord inférieur ne se projettent pas au même endroit, et l'image montre une paroi latérale qui ne devrait pas être visible. Ce décalage s'appelle erreur de perspective ; il croît avec la hauteur et avec l'angle du rayon.

De plus, le grandissement effectif d'un objectif classique varie avec la distance de mise au point. Refaire le point pour une pièce plus haute modifie légèrement l'échelle de toute l'image : une calibration faite à une hauteur ne vaut plus à une autre. En contrôle visuel, cela n'a pas d'importance ; en mesure dimensionnelle à quelques microns, c'est l'erreur dominante.

Comment on l'obtient

La construction habituelle place le diaphragme dans le plan focal du groupe frontal. Tous les rayons principaux passent par ce point et sortent donc du groupe parallèlement à l'axe ; le groupe arrière forme l'image sur le capteur. Le système est télécentrique côté objet.

Si le diaphragme est également placé au foyer du groupe arrière, le système est télécentrique aussi côté image : le capteur peut alors se décaler légèrement sans que la taille de l'image change ni que le vignetage apparaisse. Cette double condition définit le bi-télécentrique, utilisé en métrologie optique exigeante.

Les types en pratique

Télécentrique côté objet. La majorité des objectifs de mesure industriels. Corrige l'erreur de perspective et stabilise le grossissement en fonction de la hauteur.

Bi-télécentrique. Ajoute la stabilité vis-à-vis de la position du capteur. Le fabricant annonce un cercle image et une ouverture numérique des deux côtés ; l'ensemble est plus volumineux et plus cher.

Macro télécentrique. Grossissements de 0,5X à 5X avec une distance de travail courte, pour des détails inférieurs à 5 mm. Le frontal est petit mais la distance de travail tombe à 40–80 mm, ce qui complique l'éclairage.

Ce que signifie la télécentricité en degrés

C'est l'écart maximal du rayon principal par rapport à l'axe, généralement au bord du champ. Une valeur de 0,02° produit, pour 1 mm de variation de hauteur, un déplacement latéral de 1 × tan(0,02°) ≈ 0,35 µm. Une valeur de 0,5° produit 8,7 µm, déjà de l'ordre de la tolérance courante en usinage fin. C'est donc la télécentricité, et non le grossissement, qui décide si l'objectif convient à la mesure.

Quand l'utiliser, quand l'éviter

Il convient lorsqu'on mesure une cote sur une pièce avec du relief, lorsque la pièce n'est pas parfaitement en appui, lorsqu'il faut mesurer au bord du champ avec la même exactitude qu'au centre, ou lorsqu'on observe un trou profond dont on veut voir le fond sans voir les parois. Il convient aussi quand la répétabilité entre opérateurs compte, car il supprime la dépendance à la mise au point.

Il ne convient pas lorsque le champ nécessaire dépasse 100 mm — le frontal devient disproportionné —, lorsqu'on détecte seulement une présence ou une position sans tolérance serrée, ou lorsque la pièce est si réfléchissante que le vrai problème est l'éclairage et non la géométrie des rayons. Dans ce dernier cas, la solution est un télécentrique à éclairage coaxial, pas un autre objectif.

Questions fréquentes

Un télécentrique a-t-il plus de profondeur de champ qu'un objectif normal ?

Pas nécessairement. La profondeur de champ dépend de l'ouverture numérique et du grossissement, pas du caractère télécentrique. Ce qui change, c'est que dans cette plage le grossissement ne varie pas : la profondeur est utilisable de façon métrologique sur toute son étendue.

Faut-il calibrer si l'objectif est télécentrique ?

Oui. La télécentricité supprime la dépendance à la hauteur mais ne fixe pas l'échelle. Il faut calibrer avec une règle étalon ou une sphère certifiée pour convertir les pixels en millimètres, et vérifier la calibration au centre et sur au moins deux points du bord du champ.

Cela sert-il à mesurer des trous profonds ?

Oui, c'est l'un des usages les plus clairs : les rayons voyageant parallèlement, le fond du trou est visible sans que les parois masquent le bord. La limite est le rapport entre diamètre du trou et ouverture numérique : les trous très étroits et très profonds finissent par diffracter et perdre du contraste.

Pourquoi le frontal est-il si large ?

Parce que pour que les rayons sortent parallèles sur tout le champ, le groupe frontal doit avoir au moins le diamètre du champ, et en pratique davantage. D'où une taille et un prix qui augmentent avec le champ.

Peut-on l'utiliser en rétro-éclairage ?

Oui, et c'est la combinaison la plus précise pour mesurer des contours : la pièce apparaît en silhouette sur fond clair et le bord est détecté en subpixel. Il faut que la pièce soit entre la source et l'objectif, avec l'encombrement mécanique correspondant.

Voir aussi

• Guide de sélection : les quatre calculs
• Télécentrique contre objectif FA
• Calcul du grossissement et du champ
• Éclairage coaxial intégré