Projet d'optique école d'ingénieurs

[MigMadMarine]

Bonjour à tous,

J'ai deux ou trois petites questions à vous poser concernant l'optique, je vous fais un bref résumé de la situation:

Je dois réaliser un système de grandissement optique à l'aide d'une ou plusieurs lentilles afin d'observer une opération d'usinage de manière nette sur un carré de 2x2 mm à l'aide d'une caméra thermique. Nous avons déjà sélectionné la lentille nécessaire, et nous n'utiliserons pas de diaphragme, cependant la question de la profondeur de champ s'est posée, en effet on souhaite que la scène soit totalement nette, il faut donc effectuer un calcul de profondeur de champ, cependant je me pose deux trois questions vis à vis de ça :

• Rajouter une ou plusieurs lentilles sur mon système va t-il faire varier la profondeur de champ de ma caméra ?
• Le cas échéant, calculer ma profondeur de champ, je vais utiliser le diamètre et la focale de ma caméra, ou alors de ma lentille, ou un mélange des deux.
• Pour observer de manière nette cette opération d'usinage, de quelle profondeur de champ je vais avoir besoin, j'ai beau m'être documenté sur le sujet, j'ai du mal à m'y retrouver.

Je vous remercie d'avance pour vos réponses.
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[LPFR]

Bonjour.
Je n’ai pas compris qui fait 2x2 mm. Est la scène ou l’affichage ?
Quel est votre souci de profondeur de champ ? Que la scène est tridimensionnelle et étendue en profondeur, ou que la position de la scène n’est pas déterminée ?
Montrez-nous un schéma (à main levée suffit) avec la disposition des éléments et les dimensions.
http://forums.futura-sciences.com/ph...s-jointes.html

Votre problème, en attendant des précisions, est presque insoluble. La seule façon améliorer la profondeur de champ est de diaphragmer.

Ce qui détermine la profondeur de champ est l’optique (celle de la camera plus les objectifs et bonnettes). Ce n’est pas en ajoutant des lentilles qu’on améliore la situation.
Au revoir.

[MigMadMarine]

Bonjour LPFR,

Je te remercie d'avoir pris du temps pour me répondre, je vais détailler le problème, et grâce au schéma ci-joint il devrait être un peu plus compréhensible.
Ce qui fait 2x2 mm c'est la zone que l'on souhaite filmer qui comprend en fait l'outil, le copeau et la pièce usinée, la scène donc.

En fait la lentille doit être choisie par nos soins, et achetée par l'école, de ce fait mon tuteur souhaite que cette lentille soit correctement dimensionnée, on a trouvé un modèle qui semble correspondre, un achromat avec une focale de 12,5 mm et un diamètre de 6 mm cependant avant de lancer la commande lors d'une réunion, le problème de la profondeur de champ de l'image filmée a été soulevée (est-ce que l'image de notre opération sera nette ou non) cependant, j'ai du mal à maîtriser cette notion, et je me demandais si le fait d'ajouter une lentille allait modifier cette dernière, au vu de ce que tu dis, j'ai l'impression que cela dépend uniquement de la caméra.
Si c'est bien le cas, comment je pourrais m'assurer que l'image finale sera nette ?

La scène ne sera pas tridimensionnelle, mais plan on y verra le copeau se former, la pointe de l'outil et la pièce translater, de ce fait j'ai du mal à voir comment la profondeur de champ pourrait se manifester sur une scène ne contenant qu'un plan.

Désolé de paraître un peu sec sur le sujet, j'ai pourtant essayé de me documenter le plus possible.

Merci d'avance pour vos réponses.

[LPFR]

Re.
Effectivement, si la scène est bidimensionnelle et parallèle au capteur de la caméra, le problème de la profondeur de champ ne se pose pas.
Mais il faut que la distance reste constante (à quelques microns près) pendant toute l’opération.
Je n’ai pas bien compris si vous gardez la lentille d’origine de la camera ou si c’est votre lentille qui sera toute l’optique de l’ensemble.
Car si vous voulez un grossissement de 3,9 avec une distance 20 cm entre la lentille (et non la camera) il vous faudra une focale de quelques 80 cm.
Mais si c’est 20 cm en tout, il faut que la lentille soit à 4 cm de l’outil.
Pouvez-vous m’éclaircir sur le rôle et la position de votre lentille additionnelle ?
Car si vous gardez la camera telle qu’elle, avec son optique normale, ce qu’il vous faut est une loupe (formée d’un objectif et un oculaire), comme celles des loupes binoculaires, mais avec une distance objectif objet de 20 cm.

Bref ce n’est pas encore assez clair.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[MigMadMarine]

Merci pour ta réponse,
De toute manière, la caméra sera fixe, et l'outil ne bougera pas, il y'a uniquement la pièce en gris, qui va translater dans la direction de l'outil.
On garde la lentille d'origine de la caméra, mais on ajoute l'achromat de 6mm de diamètre et de 12.5 mm de focale afin de pouvoir filmer notre carré de 2x2 mm.
La lentille sera assez proche de l'outil mais la caméra elle, doit être au moins à 20 cm de la zone d'usinage car elle est chère et elle ne dois pas être endommagée
La lentille se situe entre l'objectif de la caméra et la scène.
Si tu as besoin d'autre clarifications, de schémas, ou de calculs, n'hésite pas à demander.

[LPFR]

Re.
Quelle est la focale de la camera ?
A+

[MigMadMarine]

50 mm. Pourquoi ?
Tout est clair ?

[LPFR]

Re.
Pour moi, oui.
Mais pas pour vous.
C’est un problème d’optique géométrique élémentaire.
Vous devez former l’image d’un objet de 2 mm sur un capteur situé à 50 mm d’une lentille de 50 mm de focale située à 20 cm de l’objet.
Il s’agit d’un microscope. Vous devez avoir un « oculaire » accolé à l’objectif de la camera plus un objectif. Et il faut trouver la focale de cet objectif en tenant compte de la puissance de l’oculaire et du grossissement que vous voulez obtenir.

Donc, avec une seule lentille vous n’arriverez pas. Il en faut au moins trois : deux pour l’oculaire et une pour l’objectif.

Votre problème est, en plus d’avoir un oculaire avec un diamètre égal ou supérieur à celui de l’objectif de votre camera (et là, ça fait mal au portefeuille).

Pour ce qui est de l’achromatisme, ce n’est pas la peine de se ruiner. Les lentilles achromatiques le sont dans le spectre visible. Rien ne vous garantit qu’elles continueront à être achromatiques dans la bande de 10µm.

Mais il faudrait voir si la puissance reçue par le capteur s’approche du minimum nécessaire pour le fonctionnement de la caméra. N’oubliez pas que dans un microscope il faut une source très brillante. Ici elle est plutôt maigrelette.
A+

[FC05]

Je pense qu'effectivement le principal problème est de s'assurer que la lentille laisse bien passer le IR.

[MigMadMarine]

Que de mauvaises nouvelles.

Je me permet de relever que vous avez écrit précédemment, le capteur est situé à un peu plus de 20 centimètres de l'objet à mesurer, pas 50, et nous avons déterminé ses dimensions par le calcul, tout comme le grandissement dont nous avons besoin pour notre système.
Nous avions cherché à avoir une lentille achromatique afin de limiter les aberrations chromatiques (j'ai lu que ce type de lentille l'évitait).
Par contre pour les rayonnement IR, je n'y avait pas pensé, grosse erreur de ma part, je m'assurerai que la lentille convienne pour ce critère.
Le but de l'oculaire est d'agrandir l'image filmée c'est bien ça ?

Qu'est ce qui explique que nous devons passer à une configuration de type microscope et pas simplement utiliser une lentille pour notre montage ?

Merci d'avance pour vos nouvelles.

[LPFR]

Re.
Vous avez mal lu ce que je vous ai expliqué. Notamment les 50 mm entre le capteur et l’objectif de la camera.
Et revenez à la réalité : mettez votre oeil à la place de la caméra et regardez vers la zone de 2 mm. Est-ce que si vous placez une lentille devant cette zone, les deux millimètres rempliront votre rétine ?
Avec la disposition que vous avez utilisée pour vos calculs, les seuls pixels qui verront la zone de 2mm, seront nécessairement à « l’intérieur » de l’image de la lentille
Et quel et le diamètre (en pixels » de l’image de la lentille ?
On ne résout pas ce type de problème à coups de formules. Il faut comprendre.
A+

[MigMadMarine]

Merci pour votre réponse.
Je viens de réaliser pour l'histoire des 50mm désolé, j'avais lu un peu trop vite.
Effectivement, cet exemple me permet de me rendre compte de cette erreur.
Par contre, je n'ai pas du tout compris votre histoire de pixels voyant la zone de 2mm.
Idem pour la question du diamètre de l'image de la lentille, je n'ai jamais entendu parler de ça, voudriez vous reformuler votre question afin que je sois en mesure de vous répondre ?
Merci d'avance pour vos réponses.

[LPFR]

Bonjour.
Asseyez-vous à votre bureau. Prenez une loupe, ou une lentille comme celle que vous pensiez acheter (pas besoin de lentille réelle, votre imagination doit suffire).
Regardez un petit objet sur le bureau avec la lentille. Que voyez vous ? Votre bureau, la lentille et, à travers le verre de la lentille, l’objet. Indépendamment du grossissement que vous aurez choisi (suivant al position de l’objet par rapport au plan focal) l’image de l’objet restera « dans » le verre de la lentille. Et elle n’occupera dans votre rétine que le diamètre de l’image de la lentille.
Pour que l’objet occupe plus de place, il faut rapprocher la lentille de votre œil, comme font les horlogers avec la loupe d’horloger.
Pour obtenir la même chose avec votre œil plus éloigné de l’objet, il faut utiliser un montage de type microscope : une lentille (l’objectif) qui forme l’image de l’objet (réelle cette fois) près du plan focal de l’autre lentille (l’oculaire).

Mais vous avez aussi d’autres problèmes plus sérieux.
- La transparence des verres dans l’IR de l’émission thermique à la température « ambiante ». Il semblerait qu’il y a des plastiques qui laissent passer ces rayonnements (ceux utilisés dans les capteurs de présence IR passifs).
- L’autre problème, est la sensibilité de la camera. Entre la surface qui prendrait votre objet de 2 mm vu à 20 cm (dimension 2mm/4), et la surface prise par le même objet qui remplit le capteur il y a un rapport de 16. Ce qui correspond à un éclairement 16 fois plus faible que normal.
Est-ce que la camera donnera une image utilisable ? J’en doute. De plus, comme les échelles de température (du fabriquant) sont faites pour le rayonnement vu par l’objectif original, elles ne seront plus valides avec le microscope. Il faudra ré-étalonner.

Il est payé pour quoi faire votre encadreur ?

Au revoir.

[MigMadMarine]

Bonjour,

Merci pour votre réponse, c'est un peu plus clair maintenant.
Pour les lentilles, j'ai un catalogue assez bien fait ou divers types de lentilles sont détaillés avec leur caractéristiques, je mesure en proche infrarouge, du coup je pense prendre une lentille en proche infrarouge aussi, à étudier.
Pour l'éclairement, c'est un peu plus problématique, en effet du coup il va falloir prévoir une source lumineuse pour notre système, à voir comment je vais faire.

Je vais commencer par m'atteler à la confection du système optique, avec mes trois lentilles.
En parlant de lentilles d'ailleurs, la première que j'ai sélectionnée peut faire l'affaire si je rajoute mon oculaire par la suite ?
Dans le cas contraire, je calcule le grandissement, puis la première lentille, puis l'oculaire, c'est bien ça ?

Autre chose, quand vous dites, je cite, "Est-ce que la caméra donnera une image utilisable ? J'en doute" c'est dans le cas d'un éclairage standard ou en ayant fabriqué ma configuration "microscope" et après avoir ré-étalonné ma caméra ?

Merci pour votre aide.

[LPFR]

Re.
Excusez-moi, mais rajouter un éclairage c’est un sottise.
Si vous utilisez une camera thermique, c’est pour voir l’émission thermique et déduire des températures.
Ajouter un éclairage est une sottise. D’abord la camera n’y est pas sensible (ou le visible et le proche IR sont filtrés), et si non ce que vous verriez c’est la réflexion de votre éclairage.
Donc, oublions ça.

Oubliez aussi le proche infrarouge (1 µm). C’est comme le visible (0,5 µm). Alors le l’IR qui voient les caméras thermiques est très différent (10 µm).
Pour vous donner une idée, voici la transmission du quartz fondu :
http://www.technicalglass.com/fused_...nsmission.html
Les plus transparents s’arrêtent à 4-5 µm.

Ces deux pages vous convaincront que les lentilles du commerce ne laissent pas passer les rayonnements dans la bande de 10µm. Il faut des verres au fluorures.
https://www.quora.com/Can-some-therm...-through-glass

http://www.lehigh.edu/imi/teched/Gla...halco_simp.pdf

Je pense que votre manip n’est pas « bricolable ».
Pour vous en convaincre, si vous avez accès à la camera, mettez un verre ou une lentille devant l’objectif et regardez si vous obtenez une image thermique exploitable.
A+

[MigMadMarine]

En effet, ça m'était sorti de la tête.
Même si ma caméra fait des mesures en proche infrarouge (0,78-3 µm), la documentation de la caméra me donne une fourchette de longueurs d'ondes mesurées allant entre 0,9 (ou 0,4 ça dépend du modèle) et 1,7 µm. L'IR vu par la caméra serait donc de 10 µm ? J'ai du mal a comprendre.
Il existe pourtant des lentilles traitées pour laisser passer les différents types de rayonnements infrarouges avec une transmittance plus que correcte, hormis les verres au fluoure de calcium.

Ne pas avoir demandé a tester la caméra est une grosse erreur de ma part, c'est la première chose que j'aurais du faire, afin de pouvoir un peu plus comprendre le problème et ses hypothétiques solutions, je vais faire un test avec les distances prévues mais avec un objet dont je connaîtrai la température, histoire de voir si ma mesure est cohérente ou pas.

[RomVi]

Bonjour

Non, cette camera ne mesure pas autour de 10µm, simplement à défaut de le savoir LPFR a pensé qu'il s'agissait d'un modèle classique qui fonctionne dans cette bande.
Cette camera serait donc un modèle spécifique permettant de travailler à des températures de quelques centaines de degrés.

La notion de profondeur de champ est directement reliée à la définition du capteur, il faut donc connaitre la taille et la définition de celui ci. L'image capturée par la camera est considérée comme nette si l'image d'un point est plus petite qu'un pixel.

[MigMadMarine]

Merci pour tes précisions RomVi.
En fait notre scène ne sera pas bi-dimensionnelle, étant donné qu'un bourrelet de matière va se former sur notre pièce au niveau de la zone d'usinage, dans un plan normal à l'axe optique de la caméra.
Pour la profondeur de champ, j'ai pu calculer la valeur du rayon du cercle de confusion, et de l'hyperfocale de ma caméra, donc normalement, c'est bon.
Comment puis-je interpréter la valeur de profondeur de champ que je vais déterminer ?

Merci d'avance pour votre réponse.

[RomVi]

Je ne comprend pas très bien la question. Il faut faire la mise au point sur une certaine distance (20cm visiblement), et calculer sur quelle plage autour de cette valeur de 20cm l'image du point peut être considérée comme nette, et si cette plage est suffisante pour le cas étudié.

[MigMadMarine]

Bonjour,

Merci pour votre réponse.

En fait j'ai un peu de mal avec cette notion de profondeur de champ, la plage dont vous parlez, c'est bien la profondeur de champ en question ?
Cette distance que je vais calculer, comment va t'elle me renseigner sur les les zones ou l'image de mon point sera nette ?

[RomVi]

Si par exemple tu trouves une profondeur de champ de 1cm avec l'objet placé à 20cm, alors un point sera net de 19.5 à 20.5cm. L'hyperfocale est un cas particulier où la plage nette s'étend d'un plan proche jusqu'à l'infini. Les appareils photos jetables utilisent ce principe par exemple.

Il y a une explication assez claire sur cette page : http://www.la-photo-en-faits.com/201...-au-point.html

[MigMadMarine]

Merci RomVi, je vais lire tout ça.