産業用マシンビジョンでは、レンズの選択は、カメラが測定、検査、認識に十分安定した画像を生成できるかどうかに直接影響します。民生用レンズまたは不適切なズームレンズでは、焦点設定が変更されると、視野、焦点、倍率、または歪みが生じる可能性があります。これらの変動により校正が複雑になり、連続動作中の測定の一貫性が低下する可能性があります。

固定焦点距離レンズは、焦点距離を継続的に変化させるのではなく、特定の光学構成に基づいて設計されています。焦点距離、センサー形式、作動距離、および必要な視野が正しく一致している場合、レンズは自動検査、精密測定、ロボットビジョン、および物体認識のための再現可能なイメージングジオメトリを提供できます。

ただし、産業用の購入者にとって、単焦点レンズの選択は価格だけで始めるべきではありません。焦点距離、センサーサイズ、解像度、歪み、絞り、作動距離、光学コーティング、機械的インターフェイス、カスタマイズ要件はすべて、結像性能と最終的な固定焦点レンズの価格の両方に影響します。

産業用ビジョンにおいて固定焦点距離が重要な理由

固定焦点距離レンズは、定義された 1 つの焦点距離に合わせて最適化されています。これにより、特定の範囲の作動距離、センサー形式、イメージサークル、および視野要件に基づいて光学システムを設計することが可能になります。

たとえば、検査カメラは固定設置距離から幅 100 mm のコンポーネントをカバーする必要がある場合があります。画像を調整するためにズーム機構に依存する代わりに、カメラセンサーと必要なFOVに基づいて適切な固定焦点距離を選択できます。設置して校正すると、光学幾何学形状は一貫したままになります。

これは、カメラが同じ位置にあるコンポーネントを繰り返し検査する自動検査ラインで特に役立ちます。

重要な点は、固定焦点距離は、レンズが 1 つの物理的距離でのみ使用できることを意味するわけではないということです。さまざまな作動距離やターゲットサイズに応じて、さまざまな固定焦点距離が利用可能です。一般に、焦点距離が短いほど視野は広くなりますが、カメラの位置とセンサーが同等の場合、焦点距離が長いほど視野は狭くなります。

この関係により、マシンビジョンエンジニアは、焦点距離を個別の仕様として扱うのではなく、実際の検査形状に応じてレンズを選択することができます。

固定焦点レンズの選び方

最も重要なパラメータは、接続された光学システムとして評価する必要があります。

焦点距離、センサーサイズ、視野

焦点距離はレンズのカバー範囲を決定し、センサー サイズは投影された画像のどの程度がカメラによってキャプチャされるかを決定します。

便利な単純化された関係は次のとおりです。

FOV ≈ センサー寸法 × 作動距離 / 焦点距離

これは完全な光学設計方程式ではありませんが、選択ロジックを示しています。センサーと作動距離が同じ場合、焦点距離が長くなると、一般的に視野が狭くなります。一般に焦点距離を短くすると、カバー範囲が広がります。

限られた取り付け位置内の比較的大きなコンポーネントをカメラで検査する必要がある工場オートメーションのアプリケーションを考えてみましょう。完全なターゲットを捉えるには、より短い焦点距離が必要になる場合があります。対象物が小さく、カメラが遠くに設置されている精密測定アプリケーションでは、焦点距離が長いほど、より適切な画像スケールが得られる場合があります。

したがって、正しい質問は単に「どの焦点距離が良いですか?」ということではありません。それは次のとおりです。

選択したセンサーに十分な解像度と許容可能な歪みを提供しながら、利用可能な作動距離で必要な FOV を生み出す焦点距離はどれですか?

作動距離と設置形状

自動化機器では、利用可能な設置スペースがあらかじめ決められていることが多いため、作動距離は特に重要です。

作動距離を考慮せずにレンズを選択すると、カメラの位置変更が必要になったり、必要な視野が変更されたり、照明の統合がより困難になったりする可能性があります。

したがって、ロボットビジョンや自動検査では、カメラの位置、対象物の寸法、照明の配置、機械的な取り付け構造とともにレンズを評価する必要があります。

解像度とカメラのマッチング

高解像度カメラは、高解像度の検査結果を自動的に生成しません。

レンズは、カメラ センサーに対して十分な空間詳細を解決する必要があります。光学解像度が不十分な場合、カメラのピクセル数を増やしても、レンズがイメージング チェーンのボトルネックになるため、実用的な改善は限定的になる可能性があります。

これは、精密測定、電子部品検査、寸法検証、微細表面検査において特に重要です。

したがって、適切な評価では次のことを考慮する必要があります。

• センサー解像度

• ピクセルサイズ

• レンズの光学解像度

• ターゲット機能サイズ

• 必要な測定精度

• 作動距離

• 照明条件

その目的は、高メガピクセルのカメラを選択し、完全なシステムが自動的により高い詳細を提供すると仮定するのではなく、レンズの光学解像度をカメラの実際の能力と一致させることです。

歪みと測定精度

レンズを寸法検査に使用する場合、歪みはより重要になります。

樽型または糸巻き型の歪みにより、画像全体の特徴の見かけの位置が変化する可能性があります。物体認識の場合、アプリケーションによっては、ある程度の歪みが許容される場合があります。ただし、高精度の測定では、画像の幾何学形状が測定結果とキャリブレーションに直接影響するため、歪みの制御がより重要になります。

このため、精密測定を目的としたレンズは、一般的な物体検出に使用されるレンズとは異なる評価を行う必要があります。

絞りと被写界深度

絞りは光の透過率と被写界深度の両方に影響します。開口部が広いほど、より多くの光がセンサーに到達しますが、一般的に被写界深度は浅くなります。絞りを小さくすると、許容範囲内で焦点を合わせられる対象位置の範囲が広がりますが、センサーに到達する光の量も減ります。

自動検査では、ターゲットの表面が完全に平坦でない場合、または製造中にコンポーネントの高さが変化する場合、被写界深度が重要になります。

たとえば、高さの異なる部品を検査する表面検査システムでは、関連する特徴を許容範囲内に収めるために十分な被写界深度が必要になる場合があります。対照的に、対象物の位置が制御された精密測定システムでは、広い被写界深度範囲よりも解像度と歪みを重視する場合があります。

したがって、正しい絞りは、照明、露出、必要な被写界深度、センサーの性能、光学解像度の間の相互作用によって決まります。

マシンビジョンにおける固定焦点レンズの応用

産業用途が異なれば、光学パラメータの優先順位も異なります。

工場オートメーションでは、多くの場合、再現可能なイメージング形状と固定カメラ取り付け位置との互換性が必要です。固定焦点レンズを正しく選択すると、校正が簡素化され、繰り返しの検査サイクル全体にわたって一貫した倍率を維持できます。

自動検査では通常、解像度、FOV、歪み、被写界深度の間のバランスが必要です。レンズは、欠陥検出に十分な詳細を維持しながら、必要な検査領域を捕捉する必要があります。

精密測定では、歪み、解像度、幾何学的一貫性、カメラのマッチングがより重視されます。 FOV の広いレンズは、寸法評価に必要な画像スケールや歪みの性能を犠牲にする場合には、適切ではない可能性があります。

カメラとレンズは移動するロボット システムに取り付けられる可能性があるため、ロボット ビジョンには作動距離、FOV、被写界深度、機械的互換性の組み合わせが必要な場合があります。

物体認識では、認識アルゴリズムとターゲットの特性に応じて、極端に低い歪みよりも十分な画像範囲と安定したコントラストを重視することがあります。

これらの違いは、普遍的な「最良の」単焦点レンズが存在しない理由を示しています。適切な仕様は、マシン ビジョン システムの光学的および機械的条件によって異なります。

固定焦点レンズの価格は何によって決まりますか?

固定焦点レンズの価格は、外観が似ている製品間でも大きく異なる場合があります。その主な理由は、工業用レンズの価格が焦点距離だけで決まるわけではないことです。

センサーフォーマット

より大きなセンサーをカバーするように設計されたレンズには、十分に大きなイメージサークルと、そのイメージエリア全体でパフォーマンスを維持できる光学設計が必要です。したがって、より大きなセンサー形式をサポートすると、光学的な複雑さと製造要件が増加する可能性があります。

解像度と歪みのコントロール

より高い光学解像度とより厳しい歪み要件には、通常、より正確な光学設計、コンポーネントの製造、組み立て、および検査が必要です。

高解像度検査システムの場合、単に低コストのレンズを選択するよりも、適切な光学性能を備えたレンズにお金を払う方が意味がある場合があります。レンズがカメラ センサーを完全に活用できない場合、カメラの解像度機能の一部が未使用のままになる可能性があります。

絞りと作動距離

より広い絞り、特殊な作動距離、または異常な FOV 要件の場合は、追加の光学最適化が必要になる場合があります。これらの仕様は、レンズの設計と製造コストの両方に影響を与える可能性があります。

マウントと機械的要件

共通のインターフェースにより統合が簡素化される可能性がありますが、機械的寸法、取り付け構造、ねじ構成、または環境要件のカスタマイズにより、開発および製造コストが増加する可能性があります。

光学材料、コーティング、およびカスタマイズ

光学ガラスの選択、コーティング要件、スペクトル範囲、カスタマイズされた光学構成も価格に影響を与える可能性があります。標準的な量産レンズと、特定のカメラ、FOV、作動距離、または検査対象を中心に設計されたレンズが、同じコスト構造を持つことを期待すべきではありません。

したがって、調達チームにとって、より有益な比較は単純なものではありません。

レンズ A のコストはレンズ B よりも安くなります。

代わりに、以下を評価します。

レンズ + カメラの互換性 + 照明 + 取り付け + キャリブレーション + 必要な光学性能

これにより、マシン ビジョン システムの総コストをより現実的に把握できます。

ECOPTIK: 産業用ビジョン向けにカスタマイズされた光学ソリューション

ECOPTIK は、イメージングの形状、解像度、歪み、カメラの互換性を同時に考慮する必要があるマシン ビジョン アプリケーション向けに、工業用固定焦点レンズとカスタマイズされた光学ソリューションを提供します。

光学部品製造技術における 15 年の経験を持つ ECOPTIK は、ドームレンズ、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、ウィンドウなどの精密光学部品を製造しています。利用可能な材料には、Schott、CDGM、Corning のガラスのほか、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、Si、ZnSe、ZnS が含まれます。同社はレンズの組み立てサービスも提供する。

光学的検証と製品レポートのために、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。

マシンビジョンの顧客にとって、この製造およびテスト機能は、固定焦点レンズ開発に対するよりカスタマイズされたアプローチをサポートします。焦点距離やカタログ価格だけでレンズを選択するのではなく、センサーサイズ、FOV、作動距離、解像度、歪み、絞り、機械的統合など、対象となるアプリケーションに合わせた光学構成を考慮することができます。

固定焦点レンズを適切に決定する

固定焦点距離レンズの選択は、最終的には光学パラメータを実際のマシン ビジョン タスクに適合させる練習となります。

ターゲット サイズと必要な FOV から始めて、利用可能な作動距離とセンサー サイズを決定します。そこから、適切な焦点距離を選択し、レンズの解像度がカメラのセンサーと一致するかどうかを確認します。次に、検査目的に応じて、歪み、絞り、被写界深度、機構マウント、照明条件を評価します。

調達については、固定焦点レンズの価格にも同じ原則が適用されます。レンズによって解像度の制限、キャリブレーションの困難、過度の歪み、またはカメラの互換性の問題が発生する場合、レンズの初期価格が低いからといって、システム コストが低いとは言えない可能性があります。

自動検査、精密測定、ロボットビジョン、ファクトリーオートメーションの場合、最も実用的な単焦点レンズは、単に購入価格が最も低いレンズではなく、光学設計がイメージングシステム全体に適合するレンズです。