マシンビジョンレンズの主な特徴

マシンビジョンレンズの技術的特徴と選択 Nov 01

レンズの設計には、レンズの解像度、レンズの歪み、照明の均一性など、マシンビジョンシステムの性能に直接影響する多くの重要な特性があります。

マシンビジョンシステムで使用されるカメラ、レンズ、および照明はすべて、全体的な画質に重要な役割を果たします。過去数年間の CMOS イメージセンサー技術の急速な発展は、レンズメーカーに大きな課題をもたらしました。センサーの解像度がますます高くなるということは、多くのセンサーのピクセルが小さくなり、より解像度の高いレンズが必要になるということです。一方、より高い感度のために大きなピクセルサイズを維持する高解像度センサーは、通常、より大きなフォーマットを使用するため、より大きなフォーマットの高解像度レンズが必要になります。さらに、監視、スポーツ、航空写真、テーマパークのアミューズメント施設での写真撮影など、非常に長い焦点距離のレンズを必要とする多くのアプリケーションは、ますますマシンビジョンのカテゴリに含まれており、対処する必要があります。

（1）レンズ性能-変調伝達関数（MTF）について学ぶ

理想的なレンズは、すべてのディテールと明るさの変化を含め、オブジェクトに完全に一致する画像を生成します。実際には、レンズがローパスフィルターとして機能するため、これが完全に可能なわけではありません。すべての通気を考慮すると、レンズの画質は、その変調伝達関数によって定量的に表すことができます。MTF は、レンズがさまざまな間隔 (ワイヤ間周波数/mm) でライン (グリッド) を再現する能力によって定義されます。区別できるワイヤのペア/mm が多いほど、レンズの解像度が向上します。各空間周波数の MTF グラフは、レンズによるコントラストの損失を示しています (図 1)。粗いスペーサーラインなどの大きな構造は、通常、比較的良好なコントラストで転写されます。間隔の狭い線などの小さな構造は、低いコントラストで送信されます。特定の周波数またはディテールの減衰量は、レンズの透過効率を示す MTF によって分類されます。どのレンズにも、ゼロの変調点があります。この制限は、多くの場合、解像度の制限と呼ばれ、通常、1 mm あたりのラインペアの lp/mm で参照されるか、一部のマクロレンズの最小ラインサイズ (sm) で参照されます。これは、レンズに必要な最小ピクセルサイズに相当します。レンズ。適切な。レンズの中心軸端からの MTF の動きは悪化します。これは、画像全体が対称的な解像度を必要とする場合に重要な考慮事項です。散乱と同様に、MTF もレンズ上の点の線の方向によって変化する可能性があり、測定時の絞り設定の関数でもあるため、レンズの性能を比較する際には注意が必要です。

ヒント: センサーのサイズを維持しながらセンサーの解像度を上げてコストを削減するには、これらの小さなピクセルを区別するために MTF の高いレンズが必要です。低コストでピクセルサイズを小さくすると、高解像度のレンズが必要になるため、システムのコストを常に考慮する必要があります。

（2）レンズ歪み

解像度の変化に加えて、すべてのレンズは特定の空間的歪みの影響も受けます。図 2 は、画像を非線形に伸縮する方法を示しており、センサー全体の正確な測定を非常に困難にしています。この問題を解決できるソフトウェアの方法はいくつかありますが、それらはオブジェクトの物理的な深さを考慮することができないため、ソフトウェアでこれらのエラーを修正しようとするのではなく、高品質の低歪みレンズを選択することをお勧めします。一般的に、焦点距離の短いレンズは焦点距離の長いレンズよりも歪みが大きくなります。これは、光がより大きな角度からセンサーに当たるためです。より複雑なレンズ設計を使用すると、歪みを低く抑えることができます。多くのレンズメーカーは、空間歪みを 0 のオーダーまで低減できるように光学設計に懸命に取り組んできました。

ヒント: 最小限のコストで歪みを最小限に抑えるには、作動距離が長いほど最良の結果が得られます。

レンズ歪み図

3)照度均一性

レンズからのすべての画像にはケラレがあります。つまり、画像の中心から端までの光強度が低下し、レンズの適用性に影響を与える可能性があります。レンズシェーディングとは、ビームが機械的にブロックされる (通常はレンズホルダーによってブロックされる) ことによる画像のエッジのシェーディングです。これは主に、レンズのイメージサークル (またはフォーマット) がセンサーのサイズに対して小さすぎる場合に発生します。すべてのレンズは「Cos4 ケラレ」の影響を受けます。これは、光が画像の端に到達し、浅い角度でセンサーに到達するまでにより長い距離を移動する必要があるためです。角度がセンサーの非感知部分に光を集束させると、各ピクセルにマイクロレンズを備えたレンズがあります。また、レンズを2 fs分絞れば最小化できます。センサー全体の照明の均一性を改善することにより、

4）環境への影響

多くのビジョンシステムは製造環境に導入されます。つまり、それらは、汚れ、湿度、温度から機械的および電磁的影響まで、さまざまな環境の影響にさらされます。ほこりや湿気の侵入を防ぐために、さまざまな保護カバーが用意されています。レンズアセンブリの機械的安定性は、ブレを防ぎ、信頼性と再現性の高い測定を確保するために不可欠です。マシンビジョンアプリケーションで使用されるほとんどのレンズは、レンズの安定性を確保するために、金属製のハウジングとフォーカス機構で製造されています。多くのレンズは耐衝撃性と耐振動性も備えているため、最も過酷な環境に適しています。レンズメーカーは一連のデザインを提案してきましたが、そのうちのいくつかは、振動や衝撃によるレンズガラスの動きによって引き起こされる画像のずれを制限するために特許を取得しています。これらには、フォーカスと絞りの動き、さらには固定絞りの動きを防ぐための固定ネジの使用、およびレンズ本体のすべての要素の接着が含まれます。

5）レンズインターフェース

レンズをカメラに固定するには、さまざまな標準レンズインターフェイスを使用します。マシンビジョンアプリケーションで最も一般的に使用されるのは C マウントで、コンピューター制御のアパーチャとフォーカスを提供する機能など、さまざまなレンズやアクセサリの恩恵を受けることができます。CSマウントは一般的ではなく、基本的にはCマウントマウントと同じですが、フランジバックが5mm短くなります。小型のレンズマウントシステム (S マウントなど) は、通常、ボードレベルカメラや小型カメラに使用されます。これらのレンズは最小限の調整しかできません。より強力な M42 マウント (T マウントと呼ばれることもある) がますます使用されていますが、ラージフォーマットセンサーおよびラインスキャンアプリケーションでは、より大きな F マウントシステムを使用できます。ただし、大判レンズは、絞りとフォーカスを自動的に制御する機能をサポートしていません。望遠レンズはマシンビジョンでも使用され、最長焦点距離は最大 600 mm です。これらの大判レンズは、主にプロの写真家向けに開発されています。また、電動絞りとズームが含まれており、特別な EF レンズマウントが必要です。現在、EF マウント機能と EF レンズを備えたマシンビジョンカメラがますます多く製造されており、その新しい光学機能は、最近の直接販売契約を通じて、より広いマシンビジョン市場に提供されています。

6）レンズの選び方

非常に多くのマシンビジョンレンズオプションがあるため、特定の用途に最適なレンズを選択することは容易ではありません。そのため、システム全体について考えることが重要です。たとえば、最新のメガピクセルカメラの多くは、コストを削減するために小さいセンサーサイズを使用していますが、その結果、ピクセルサイズが小さくなると、より高い品質が必要になるため、より高価な光学系が必要になります。一部のアプリケーションでは、より高価で、より多くのピクセルを持ち、光学要件がより低いカメラを選択することが有益であり、システム全体のコストを削減できます。専門のビジョンテクノロジーベンダーと連携することで、これらの決定におけるリスクを軽減できます。

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