精密マシンビジョンでは、カメラセンサーと画像処理ソフトウェアが小さな寸法の違いを解決できる場合でも、レンズが制限要因になる可能性があります。従来のレンズは、物体がレンズに近づいたり遠ざかったりすると、見かけの倍率が変化します。この遠近効果は、物理的な寸法が変化していない場合でも、測定された穴の直径、エッジの位置、または機械コンポーネントの幅が画像内で変化する可能性があることを意味します。

この問題は、部品が正確に同じ高さに配置されていない場合、または生産ラインでオブジェクトの距離に避けられない変動がある場合に、より重大になります。画像の歪みは、特に視野の端に向かって、別の測定誤差の原因となる可能性があります。

テレセントリックレンズは、光学幾何学的形状を通じてこれらの制限に対処します。特に物体側で主光線の経路を制御することにより、定義された作動距離範囲にわたってより一貫した倍率を維持できます。寸法検査の場合、これにより光学システムが物体の位置の小さな変化に敏感になりにくくなり、再現可能な測定のためのより信頼性の高い基盤が提供されます。

テレセントリック光学が寸法測定をどのように改善するか

テレセントリック レンズを使用する主な理由は、単により鮮明な画像を生成するためではありません。その主な利点は、オブジェクトの位置が画像に与える影響を制御できることです。

従来のマシンビジョンレンズでは、レンズから異なる距離に配置された 2 つの同一のコンポーネントが異なるサイズに見えることがあります。これは通常の透視投影です。計数や一般的な存在検査などのアプリケーションの場合、その変更は許容される可能性があります。ただし、寸法測定の場合、結果に直接影響する可能性があります。

物体空間テレセントリック レンズは、物体側の主光線が光軸とほぼ平行になる光学配置を使用します。その結果、横方向の画像サイズは、指定された動作範囲内での物体距離の小さな変化にほとんど依存しなくなります。これは、穴の直径、外径、部品の幅、エッジの位置、または成形部品や機械加工部品の寸法を測定する場合に特に役立ちます。

したがって、テレセントリック性は倍率とともに考慮する必要があります。 0.5X や 1X などの指定された倍率によってオブジェクト サイズと画像サイズの関係が決まりますが、テレセントリック性によってオブジェクトの位置が変化したときにその関係がどの程度一貫して維持されるかが決まります。

歪みも重要なパラメータです。公称倍率が適切な場合でも、幾何学的歪みにより、視野内の位置に応じて、同じ特徴が異なる見かけのスケールで表示される可能性があります。したがって、低歪みのテレセントリック光学系は、光学中心だけでなく広い画像領域にわたって測定を行うアプリケーションにとって価値があります。

被写界深度も重要です。高さにばらつきがあるコンポーネントは、公称作業面に対して完全に位置決めされたままにならない場合があります。使用可能な被写界深度を大きくすると、この変動全体にわたって許容可能な画質を維持するのに役立ちますが、被写界深度を深くすると、多くの場合、より小さい絞りが必要になり、利用可能な光と露出の設定に影響を与える可能性があります。したがって、F 値、照明強度、センサー感度、必要な検査速度を合わせて考慮する必要があります。

オブジェクト空間テレセントリック、画像空間テレセントリック、およびバイテレセントリック設計は、異なる目的に役立ちます。物体空間テレセントリック性は、物体側の遠近法に関連した倍率変化を低減するため、特に寸法検査に関連します。画像空間テレセントリック性は、センサーに向かう主光線の幾何学形状を制御し、センサー側のイメージング要件に役立ちます。バイテレセントリック レンズは、両側でテレセントリック動作を組み合わせたもので、非常に安定した結像ジオメトリが必要な場合によく検討されます。適切なアーキテクチャは、測定公差、センサー構成、光路、検査システムの機械的配置によって異なります。

マシンビジョンおよび精密検査におけるテレセントリックレンズの使用

実際的な問題は、単にテレセントリック レンズで何ができるかということではなく、マシン ビジョン システムが実際にテレセントリック レンズをいつ必要とするかということです。

テレセントリックレンズは、測定公差が十分に厳しく、遠近法に関連したサイズの変動が許容誤差に比べて大きくなる場合に検討する価値があります。また、パーツを正確に同じ高さに配置できない場合、複数のフィーチャを比較的広い視野にわたって測定する必要がある場合、またはエッジ ジオメトリを一貫して評価する必要がある場合にも役立ちます。

たとえば、電子部品の場合、検査にはパッケージの寸法、リードの間隔、コネクタの形状、または小さな機能の位置の測定が含まれる場合があります。従来のレンズでは、コンポーネントの高さが変化すると、見かけ上の寸法変化が生じる可能性があります。テレセントリック イメージングは​​、この位置変動の影響を軽減し、画像処理ソフトウェアがより一貫した幾何学的表現で動作できるようにします。

コネクタの検査も一般的な用途です。ピンの位置、ハウジングの寸法、開口部のサイズ、エッジの位置はすべて単一の画像から評価できます。必要な視野は、測定対象の最小の特徴に対して十分なオブジェクト空間解像度を維持しながら、コンポーネント全体を捉えるのに十分な大きさでなければなりません。したがって、センサーのサイズを考慮せずに倍率を選択すると、システムが不適切になる可能性があります。

精密機械部品にも同様の要件があります。光学システムが遠近効果を最小限に抑えると、穴の直径、外径、スロット幅、面取り位置、および部品の寸法をより一貫して測定できます。これは、何千もの部品を同じ測定基準を使用して評価する必要がある自動検査に特に関係します。

テレセントリックレンズは、半導体検査、PCB検査、ガラス測定、成形品検査、自動寸法選別にも使用されています。このようなアプリケーションでは、レンズの選択はカメラ単体ではなく、測定タスクから始める必要があります。

主要なパラメータは相互に接続されています。

• 倍率によって、センサー上にオブジェクトがどのくらいの大きさで表示されるかが決まります。

• 視野 (FOV) は、カメラによって捕捉される物理的な検査領域を決定します。

• 作動距離 (WD) は、レンズと物体の間に必要な機械的空間を定義します。

• センサーのサイズによって、レンズが過度のケラレや使用可能な画像領域の損失なしにカメラをカバーできるかどうかが決まります。

• 被写界深度 (DOF) は、許容可能なイメージング範囲内にどの程度の物体の高さの変動を許容できるかを決定します。

• 歪みはフィールド全体の幾何学的測定に影響を与えます。

• F ナンバーは、被写界深度、光透過率、露出要件に影響します。

• 分解能は、最小の形状と測定公差に対して十分である必要があります。

たとえば、大きなコンポーネントには自動的に低倍率レンズが必要になるわけではありません。正しい選択は、センサーの寸法と必要な FOV によって異なります。同様に、十分な解像度を持つレンズを選択しても、作動距離やセンサーのカバー範囲が不十分だと、光学システム全体が不適切になる可能性があります。

したがって、実際の選択プロセスは、対象物の寸法、測定可能な最小の特徴、許容される測定誤差、高さのばらつき、必要な作動距離、カメラのセンサーのサイズ、および検査速度から始める必要があります。

テレセントリックレンズの価格は何によって決まるのでしょうか?

テレセントリック レンズ 光学システムは従来のマシン ビジョン レンズよりも要求が厳しいため、価格は大幅に異なります。したがって、倍率や外観のみに基づいて価格を比較すると、誤解を招く可能性があります。

主要な要素の 1 つは倍率と FOV です。比較的小さい FOV 用に設計されたレンズには、大きな検査領域をカバーするように設計されたレンズとは異なる光学構成が必要になる場合があります。大FOVテレセントリックシステムは、より大型の光学素子とより複雑な機械構造を必要とする可能性があり、製造の困難さと材料コストの両方が増加します。

作動距離も設計に影響します。システムがレンズと検査部品の間に同軸照明、リング照明、機械器具、またはその他のコンポーネントを含む場合、長い作動距離が必要になる場合があります。より長い WD を提供しながらテレセントリック性能を維持するには、追加の光学素子とより大きなレンズ構造が必要になる場合があります。

センサーの互換性もコスト要因です。より大きなセンサー用に設計されたレンズは、必要な光学性能を維持しながら、そのセンサーをカバーするのに十分な大きさのイメージサークルを提供する必要があります。したがって、カメラの選択とレンズの選択は、2 つの独立した購入ではなく、1 つのシステム設計の決定として扱う必要があります。

テレセントリック性、歪み制御、光学解像度の必要レベルもコストに影響します。測定公差が厳しい寸法検査システムでは、存在または方向の検出のみに使用される検査システムよりも大幅に優れた幾何学的制御が必要になる場合があります。

カスタマイズは価格にさらに影響を与える可能性があります。特殊な倍率、標準外の作動距離、より広い画像範囲、カスタマイズされた機械的インターフェイス、特定のスペクトル要件、または専用照明との統合には、光学的な再設計と追加の検証が必要になる場合があります。

このため、最も低価格のテレセントリック レンズが必ずしも最も低コストのソリューションであるとは限りません。センサー範囲または作動距離が不適切なレンズでは、別のカメラ、追加の光学系、機械的な変更、または照明システムの修正が必要になる場合があります。校正とシステム統合にはさらにコストがかかる可能性があります。

より有用な調達アプローチは、最初に必要な測定公差を定義し、次に必要な倍率、FOV、センサー サイズ、作動距離、DOF、歪みレベル、F ナンバー、およびテレセントリック性を決定することです。これにより、購入者は、測定の信頼性を損なう過小仕様を回避しながら、検査タスクに寄与しない仕様に対する支払いを回避できます。

レンズを視覚システム全体に適合させる

テレセントリック光学系は、完全な測定システムの一部として選択する必要があります。カメラの解像度、センサーの形式、照明、取り付け形状、校正方法、画像処理アルゴリズムはすべて、最終的な測定結果に影響します。

たとえば、レンズに過剰な歪みが生じたり、光学倍率が必要な FOV に十分に適合していない場合、カメラの解像度を上げても寸法精度は自動的に向上しません。同様に、検査対象のエッジに信頼性の高いエッジ検出を行うのに十分なコントラストがない場合、高度にテレセントリックなレンズは不適切な照明を補正できません。

ここで、非標準要件を持つ産業用アプリケーションでは光学カスタマイズが重要になります。

ECOPTIK は15 年間光学部品製造技術を研究し、球面レンズ、ドーム光学部品、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。材料オプションには、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。 ECOPTIK ではレンズ組立サービスも提供しています。

ECOPTIK は検証と製品レポートのために、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。これらの機能は光学テストをサポートし、カスタマイズされた光学製品の測定レポートを提供します。

テレセントリック レンズ アプリケーション向けに、ECOPTIK は高性能テレセントリック レンズと産業用ビジョンおよび精密測定向けのカスタマイズされたソリューションを提供します。その光学設計アプローチは、制御されたテレセントリック幾何学、安定したイメージング、およびアプリケーション固有のカスタマイズを通じて、視野角の変化や画像の歪みに関連する測定の不正確さを軽減することに重点を置いています。

マシンビジョン企業、精密測定機器メーカー、オートメーションインテグレーター、産業研究開発組織にとって、目的は単にテレセントリックレンズを購入することではありません。目的は、テレセントリック性、倍率、FOV、作動距離、DOF、歪み、センサー サイズ、F/#、および測定公差が連携して機能する光学構成を確立することです。

この関係によって、テレセントリック レンズがアプリケーションに適しているかどうか、またその価格が完全な測定システムへの効果的な投資に相当するかどうかが最終的に決まります。