Aberrations en optique pour CV : analyse des défauts

# Aberrations optiques en vision par ordinateur : analyse et impact

Les objectifs réels produisent des images imparfaites à cause des aberrations optiques. Un objectif idéal concentre les rayons lumineux d'un point unique de l'objet en un point unique de l'image, pour une netteté maximale. En pratique, les faisceaux lumineux forment des taches floues, réduisant le contraste et les détails. Les aberrations de Seidel du troisième ordre et les effets chromatiques sont les principaux responsables de la dégradation de la qualité dans les tâches de vision artificielle.

Les aberrations se divisent en deux grandes catégories : celles dépendant de la largeur du faisceau (liée au diamètre de la pupille d'entrée) et les aberrations de champ (liées à l'angle de champ). Les comprendre permet d'optimiser les systèmes de vision par ordinateur pour les développeurs CV de niveau intermédiaire et avancé.

Aberrations de large faisceau

Ces aberrations s'aggravent avec l'augmentation de la taille de l'ouverture. Réduire l'ouverture affine le faisceau et atténue leur impact.

Aberration sphérique

Les faisceaux lumineux parallèles ne se focalisent pas en un point mais s'étalent en une tache symétrique le long de l'axe optique. L'aberration transversale ∆y varie avec le cube du diamètre de la pupille : doubler le diamètre la multiplie par huit.

Pour les faisceaux étroits, la tache est minimale ; pour les faisceaux larges, elle est nettement floue. En vision par ordinateur, cela est crucial pour les systèmes sous éclairage variable.

Coma

Les faisceaux hors axe perdent leur symétrie, formant une tache floue en forme de queue de comète. La coma est nulle sur l'axe mais augmente vers les bords du champ. En astrophoto et en télescopes, elle transforme les images d'étoiles en traînées.

Mathématiquement, la coma ressemble à l'asymétrie des zones d'aberration sphérique. Les optiques spécialisées utilisent des correcteurs de coma.

Aberrations de champ

Celles-ci apparaissent à tout angle de champ, même avec des faisceaux étroits. Elles dégradent les bords dans les systèmes grand-angle.

Astigmatisme

Les faisceaux hors axe ne se focalisent pas en un point mais en deux foyers astigmatiques : tangentiel (t) dans le plan méridien et sagittal (s) dans le plan perpendiculaire.

• Plan méridien : foyer t.
• Plan sagittal : foyer s.
• Séparation t-s : quantifie l'astigmatisme.

Sur le capteur, les images changent de forme : lignes aux foyers t et s, cercles entre les deux. Les outils de modélisation 3D comme Zemax révèlent l'absence d'un foyer unique.

Exemples de section de faisceau :

• Près de t : ligne perpendiculaire au plan.
• Entre t et s : ellipse.
• Près de s : ligne dans le plan.

Courbure de champ

L'image la plus nette se trouve sur une surface courbe (cercle de moindre confusion, COC) entre les surfaces tangentielle (TOT) et sagittale (SOS), et non dans le plan focal plat (FOF). Les capteurs plats entraînent des bords flous.

La surface COC s'apparente à une sphère pour les petits champs. Elle se combine à l'astigmatisme, aggravant la netteté périphérique.

Aberrations chromatiques

Elles proviennent de la dispersion : les différentes longueurs d'onde se focalisent en des points distincts.

• Aberration chromatique longitudinale : décalage axial du foyer par longueur d'onde.
• Aberration chromatique latérale : décalage latéral hors axe.

Sous lumière polychromatique, cela crée des franges colorées, nuisant à la qualité des installations de vision par ordinateur.

Schémas globaux d'aberrations et correction

Les aberrations combinées produisent des taches floues complexes. La qualité diminue du centre vers les bords : sphérique et coma dominent au centre avec de grandes ouvertures, aberrations de champ en périphérie.

Stratégies de correction :

• Surfaces asphériques pour l'aberration sphérique et la coma.
• Éléments asphériques et combinaisons de lentilles pour les aberrations de champ.
• Achromats (verre crown + flint) pour les problèmes chromatiques.
• Systèmes multi-éléments optimisés dans Zemax.

En vision par ordinateur, choisissez des objectifs équilibrant les aberrations selon la tâche : minimiser la coma pour les champs étroits, la courbure de champ pour les grands.

Points clés

• L'aberration sphérique varie avec D³ (diamètre de pupille D) ; réduire l'ouverture pour plus de netteté.
• La coma transforme les faisceaux hors axe en queues de comète, critique pour l'astro et les systèmes grand-angle.
• L'astigmatisme sépare les foyers en t et s, transformant les taches de lignes en cercles.
• La courbure de champ nécessite des capteurs courbes ou une correction pour les plats.
• L'aberration chromatique se corrige avec des achromats ; tenir compte du spectre d'éclairage en vision artificielle.

— Editorial Team