従来の広角レンズは標準レンズよりも多くのシーンを捉えることができますが、ビジョンシステムが限られた設置位置から広いエリアをカバーする必要がある場合、その視野は依然として不十分である可能性があります。これは、死角が検出やカバー範囲に影響を与える可能性があるマシン ビジョン、セキュリティ モニタリング、パノラマ イメージング、および検査システムにおいて実際的な制限となります。

魚眼レンズは、通常約 180° 以上の非常に広い視野を通じてこの要件に対応します。焦点距離が短く、非線形歪みが強く、被写界深度が深いため、1 台のカメラでかなり大きなシーンをキャプチャできます。ただし、魚眼レンズの選択は、単に可能な限り大きな FOV を選択するだけの問題ではありません。センサー サイズ、イメージ サークル、焦点距離、歪み特性、エッジ解像度、フィルターの互換性、および必要な画像処理ワークフローはすべて、最終結果に影響します。

産業および科学ユーザーにとって、魚眼レンズを選択するとき、またはカスタマイズされたパノラマ ビジョン システムを設計するときに、これらの関係を理解することが不可欠です。

魚眼レンズの光学特性を理解する

魚眼レンズの最大の特徴は、その非常に広い視野です。光学設計に応じて、魚眼レンズは約 180° またはさらに広い範囲をカバーでき、一部の設計では約 220° に達します。これにより、比較的コンパクトな設置位置で広いエリアをカメラで観察できるようになります。

焦点距離はこの範囲と密接に関係しています。魚眼レンズは通常、約 8 ～ 15 mm の範囲の短い焦点距離を使用しますが、適切な値はイメージ センサーの形式と必要な視野に大きく依存します。同じ焦点距離でも、すべてのセンサーで同じ画像範囲が得られるわけではありません。一般に、より大きなセンサーはイメージ サークルのより大きな部分をキャプチャしますが、レンズはそのセンサーと互換性のあるイメージ サークルを提供する必要があります。

このため、FOV はセンサー サイズやイメージ サークルとは独立して評価すべきではありません。特定のセンサー形式用に設計されたレンズを互換性のないセンサーと組み合わせると、口径食や不完全な画像範囲が発生する場合があります。

魚眼レンズでも、意図的に強い非線形歪みが導入されます。画像の端付近の直線は湾曲して見えますが、光学中心の周囲のオブジェクトは一般に明らかな歪みが少なくなります。この投影動作は、従来の直線広角レンズとは根本的に異なります。

歪みは自動的に不利になるわけではありません。パノラマ監視など、直線ジオメトリの維持よりもシーンの最大カバー範囲が重要なアプリケーションでは、魚眼投影を使用すると、複数のカメラが必要となる有用な情報を提供できます。

この課題は、キャプチャした画像を測定、物体の位置特定、自動検査、または詳細な分析に使用する必要がある場合に発生します。このような場合、歪みにより、画像上のオブジェクトの見かけの位置と形状が変化します。したがって、元の魚眼画像をより幾何学的に有用な表現に変換するには、ソフトウェアベースの歪み補正または光学歪み補正が必要になる場合があります。

被写界深度が深いことも重要な特徴です。魚眼レンズは通常、短い焦点距離を使用するため、シーンの比較的大部分が許容範囲内に収まります。これは、特に監視環境、大規模な検査エリア、複雑な産業施設など、ターゲットが異なる距離にある場合に役立ちます。

魚眼レンズのフィルターとセンサーが画像パフォーマンスに与える影響

魚眼レンズ フィルターは、独立したアクセサリではなく、光学システムの一部として考慮される必要があります。フィルタの選択は、特に入射光の角度がフィールドの端に向かって大きく変化するコンパクトな魚眼設計の場合、光透過、スペクトル応答、ケラレ、およびエッジの画質に影響を与える可能性があります。

可視光アプリケーションの場合、必要な波長範囲、周囲光条件、またはイメージング目的に応じて光学フィルターを選択できます。赤外線に敏感なシステムでは、不要な赤外線透過を制御し、より一貫した色または焦点特性を維持するために、IR カット フィルターまたは赤外線補正ソリューションが必要になる場合があります。

フィルターやレンズと同時にセンサーも考慮する必要があります。センサー サイズによってレンズのイメージ サークルがどの程度使用されるかが決まりますが、ピクセル サイズとセンサー解像度は光学システムが解決する必要がある詳細レベルに影響します。高解像度センサーと組み合わせた魚眼レンズは、光学設計が必要な画像領域全体に十分な解像度を提供できる場合にのみ役立ちます。

したがって、購入者はいくつかのパラメータを一緒に評価する必要があります。

• センサー サイズ: 使用可能な画像領域を決定し、結果の FOV に影響します。

• 焦点距離: シーンの範囲と作動距離に影響します。

• イメージサークル: 許容できないケラレが生じることなく、選択したセンサーを適切にカバーする必要があります。

• 絞り: 集光、被写界深度、露出パフォーマンスに影響します。

• フィルターのタイプとスペクトル範囲: 特定の波長をどのように透過または抑制するかを決定します。

• 取り付けインターフェイス: カメラと機械の取り付け要件に一致する必要があります。

• 歪み特性: 幾何学的補正がどの程度必要になるかを決定します。

• エッジ解像度: 画像の周囲に近いオブジェクトが検査または監視ターゲットの一部である場合に特に重要です。

フィルターの取り付けにも注意が必要です。光学アーキテクチャに応じて、フィルタはレンズの前面、光学アセンブリ内、またはカスタマイズされた機械的インターフェースを介して配置される場合があります。フィルターのサイズが正しくないと、機械的干渉、ケラレ、または有効光路に望ましくない変化が生じる可能性があります。

科学および産業用途の場合、フィルタを選択する前に波長要件を定義する必要があります。可視イメージング、近赤外イメージング、または特定のスペクトル帯域用に設計されたシステムは、非常に異なるフィルター特性を必要とする場合があります。レンズの透過範囲やセンサーのスペクトル応答を考慮せずに汎用フィルターを追加するだけでは、使用可能な信号が減少する可能性があります。

魚眼レンズは何に適していますか?

では、魚眼レンズは何に適しているのでしょうか?その主な利点は単に「広角」ということだけではありません。これらは、システムが限られたカメラ位置から非常に広い視野をキャプチャする必要があり、関連する非線形投影に対応できる場合に役立ちます。

マシン ビジョンでは、利用可能なカメラの設置スペースに比べて検査エリアが大きい場合に、魚眼レンズを使用できます。たとえば、生産ライン、大規模な機械アセンブリ、倉庫エリア、または自動検査ゾーンでは、従来のレンズで提供できるよりも広い視野が必要な場合があります。被写界深度が深いことは、オブジェクトがカメラから異なる距離にある場合にも役立ちます。

ただし、マシン ビジョン ユーザーは、カバレッジと測定精度を区別する必要があります。画像全体にわたって正確な寸法測定または幾何学的検査が必要な場合、歪み補正とキャリブレーションされたイメージングが重要になります。魚眼レンズは必要な範囲を提供しますが、システムは画像処理中に投影歪みを考慮する必要があります。

セキュリティ監視では、180° 以上の視野により、カメラ設置周囲の死角領域を減らすことができます。従来であれば複数のカメラが必要となる屋内または屋外の広い領域を、1 台のカメラで監視できます。適切な選択は、取り付け高さ、ターゲット距離、必要なカバレッジ、照明条件、センサー形式、および最終画像が未補正の魚眼ビューとして表示されるか、補正されたパノラマ画像に変換されるかによって異なります。

パノラマ イメージングの場合、魚眼レンズの投影により 1 つのフレームで広い角度範囲をキャプチャできるため、魚眼レンズが特に役立ちます。その後、画像補正およびステッチング ソフトウェアを使用して、アプリケーションの要件に従ってソース画像をパノラマ表現に変換できます。

複雑な環境のモニタリングでは、被写界深度が深いため、異なる距離にあるターゲット全体で使用可能な焦点を維持することができます。これは、産業施設、大規模な機器スペース、輸送環境、およびカメラをすべてのターゲットの近くに配置できないその他の設置に関連します。

科学研究の場合、レンズの選択はより用途に応じたものになります。研究者は、波長範囲、センサー感度、光学歪み、スペクトルフィルター、イメージサークル、およびキャリブレーション要件を同時に考慮する必要がある場合があります。魚眼光学系は、コンパクトな光学構成を維持しながら広い角度領域を観察する必要がある場合に役立ちます。

FOVと歪みのバランスを取る方法

一般に、FOV が大きくなると投影歪みも大きくなるため、魚眼レンズの選択は基本的にシーンのカバー範囲と幾何学的忠実度のバランスが重要になります。

主な要件が最大限のカバー範囲である場合、180° 以上の広角の魚眼設計が大きな利点をもたらします。ただし、アプリケーションが画像エッジ近くのオブジェクトの正確な位置決めを必要とする場合、歪み補正がシステム設計の主要な部分になります。

これはマシンビジョンにとって特に重要です。中心付近にあるオブジェクトと、エッジ付近にある同じオブジェクトは、投影の特性により、見かけの形状やスケールが異なる場合があります。キャリブレーションと歪み補正でこれらの影響を補償できますが、最終結果の品質は元の光学設計と補正アルゴリズムに依存します。

したがって、プロの魚眼レンズ開発では、大きな FOV を達成するだけでなく、画像全体に歪みがどのように分布するかを制御することにも重点を置いています。光学設計を最適化すると、デジタル補正が適用される前に、周辺領域により有用な画像情報を維持できます。

セキュリティ カメラまたはパノラマ カメラの場合、選択プロセスは、レンズの仕様だけではなく、必要なカバー エリアから始める必要があります。最初にセンサーの形式、設置距離、ターゲット領域、必要な FOV、許容可能な歪み、照明条件、出力画像形式を定義します。その後、これらの要件に基づいて適切な魚眼設計を選択できます。

ECOPTIK 魚眼レンズと光学カスタマイズ

ECOPTIK は15 年間光学部品製造技術を研究しており、産業および科学用途向けにカスタマイズされた光学ソリューションを提供しています。同社の光学製造能力には、ドーム光学系、球面レンズ、マイクロ光学部品、円筒ミラー、フィルター、プリズム、光学窓が含まれます。

魚眼およびパノラマ ビジョン アプリケーション向けに、ECOPTIK はマシン ビジョン、セキュリティ モニタリング、および高度な科学アプリケーション向けの工業グレードの魚眼レンズとパノラマ ビジョン ソリューションを提供します。そのアプローチは、レンズ設計、歪み補正、センサーマッチング、および意図されたイメージング環境に応じたカスタマイズを組み合わせたものです。

材料オプションには、Schott、CDGM、Corning の光学ガラスのほか、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、シリコン、ZnSe、ZnS が含まれます。統合された光学ソリューションを必要とするプロジェクトには、レンズ組立サービスも利用できます。

品質検証と光学的特性評価のために、ECOPTIK は ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、Agilent Cary 7000 UMS などの機器を使用しています。これらの機器は、寸法、干渉、スペクトルのテストをサポートしており、カスタマイズされた光学コンポーネントの製品レポートを提供するために使用できます。

したがって、B2B バイヤーにとって重要な問題は、単に魚眼レンズが 180° 以上の視野を提供するかどうかではありません。より重要な問題は、焦点距離、センサーの互換性、イメージサークル、歪みプロファイル、被写界深度、フィルター構成、およびエッジ解像度が実際のイメージング要件と一致しているかどうかです。

適切に適合した魚眼光学システムは、自動検査、セキュリティ監視、パノラマ イメージング、および特殊な研究アプリケーションに使用可能な画像情報を保持しながら、幅広いシーンをカバーできます。