現代のマシンビジョンアプリケーションにおけるF値の説明

F値マシンビジョンシステムは、F値を用いて画像の明るさと鮮明度を制御します。F値は焦点距離を絞り径で割ることで算出され、レンズに入る光の量を決定します。どのF値マシンビジョンシステムにおいても、F値は被写界深度と画質の両方に影響します。F値を正しく理解することで、エンジニアはマシンビジョンシステムの鮮明度と精度を最適化することができます。

主要なポイント（要点）

• F値はレンズに入る光の量を制御し、画像の明るさと鮮明さに影響を与えます。 マシンビジョンシステム.
• F 値が低いほど、取り込める光が多くなり、撮影速度が速くなりますが、被写界深度が浅くなり、焦点に収まる被写体が少なくなります。
• F 値を大きくすると被写界深度が深くなり、光学エラーが減少しますが、より多くの光やより長い露出時間が必要になります。
• 適切な f 値を選択すると、明るさ、焦点範囲、画像の鮮明さのバランスが取れ、アプリケーションの特定のニーズに適合します。
• レンズとセンサーの F 値を一致させることで、鮮明でシャープな画像と信頼性の高いマシン ビジョン システムのパフォーマンスが保証されます。

F値の基礎

F値とは何ですか?

F値（絞りとも呼ばれる）は、 レンズの焦点距離 そして、その絞りの直径です。簡単に言えば、F値はレンズがどれだけ広く開いて光を通すかを示します。F値が低いほど開口部が広くなり、より多くの光がセンサーに到達します。F値が高いほど開口部が狭くなり、取り込む光が少なくなります。この概念は、F値マシンビジョンシステムにおいて不可欠です。なぜなら、F値は画像の明るさと鮮明度に直接影響するからです。

F値の順序は幾何学的なパターンに従います。各ステップで光の量は1倍に変化します。標準的なF値の順序には、1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22、XNUMXといった値が含まれます。例えば、

1. f/1 は、絞り径が焦点距離に等しいことを意味します。
2. f/2 は、絞り径が焦点距離の半分であることを意味します。
3. F ストップが 1 つ増加すると、レンズに入る光は半分になります。

このシーケンスは、エンジニアが露出と画像品質を制御できるようにします。 マシンビジョンシステム.

F値の計算式

F値の計算式はシンプルですが、非常に強力です。次のように表されます。

f-number (N) = focal length (f) / aperture diameter (D)

この式は、F値が焦点距離とレンズの開口部の大きさの両方に依存することを示しています。焦点距離が固定されている場合、絞り径を大きくするとF値は下がり、光透過率は増加します。一方、絞り径を小さくするとF値は上がり、レンズに入る光量は減少します。

マシンビジョン光学系では、エンジニアは多くの場合、いくつかの式を使用して f 値と関連パラメータを計算します。

例えば、焦点距離50mm、絞り径25mmのレンズのF値は2（f/2）です。絞り径が12.5mmに小さくなると、F値は4（f/4）になります。この変化により、レンズに入る光量はXNUMX分のXNUMXに減少します。

以下の表は、F 値と開口数の関係を示しています。

以下のグラフは、レンズ技術とカメラ技術において重要な、F 値と開口数の逆相関関係を示しています。

マシンビジョンシステムにおけるF値

F値は、あらゆるマシンビジョンシステムにおいて中心的な役割を果たします。F値はセンサーに到達する光量を決定し、画像の明るさ、露光時間、そして細部を捉える能力に影響を与えます。産業分野では、エンジニアは適切な被写界深度とシャープネスを実現するために、F値とレンズの焦点距離のバランスをとる必要があります。

F値が低い（絞りが広い）ほど、より多くの光を取り込めるため、暗い環境や高速露光が必要な場合に便利です。しかし、F値が低いと被写界深度が浅くなり、被写体全体にピントを合わせるのが難しくなります。F値が高い（絞りが狭い）ほど被写界深度が深くなり、球面収差などの光学誤差が減少しますが、より多くの光やより長い露光時間が必要になります。

ヒント: マシン ビジョン アプリケーションで画質とシステム パフォーマンスを最適化するには、適切な F 値とレンズの組み合わせを選択することが重要です。

画質への影響

光スループット

F値は、レンズを通過してセンサーに到達する光の量を決定する上で重要な役割を果たします。F値が低い、つまり絞りが開いているほど、より多くの光を取り込むことができます。その結果、ISO感度とシャッタースピードが一定の場合、より明るい画像が得られます。F値が高い、つまり絞りが小さいほど、光量が制限され、画像は暗くなります。この関係は、AF値マシンビジョンシステムにおける露出制御の基礎となります。

エンジニアがF値を調整すると、イメージセンサー出力の明るさに直接影響を与えます。例えば、F値2からF値4に調整すると光量が半減するため、他の設定を変えなければ、画像がかなり暗く見えることがあります。この原理は、F値、シャッタースピード、ISO感度を含む露出の三角形の一部です。望ましい画質を実現するには、各要素のバランスをとる必要があります。

注: f 値を下げると光スループットが向上します。これは、暗い環境や高速イメージングが必要な場合に特に役立ちます。

被写界深度

被写界深度とは、視野内で鮮明にピントが合っているように見える範囲を表します。F値はこの範囲に直接影響します。F値を大きくする（絞りを小さくする）と被写界深度が広がり、被写体の前方から後方まで、より多くの部分に焦点が合うようになります。F値を小さくする（絞りを大きくする）と被写界深度が狭くなり、被写体のごく一部だけが鮮明に見えるようになります。

F値と被写界深度の関係は次の式で表すことができます。

DOF ≈ (2 * u² * N * c) / f²

ここで、DOF は被写界深度、u は被写体までの距離、N は F 値、c は錯乱円、f は焦点距離です。

実用的には、F値が高いほど対象物の焦点が合う範囲が広くなり、高さの異なる部品を検査する際に重要になります。しかし、F値を上げるとセンサーに到達する光量が減少するため、露光時間を長くしたり、照明を強くしたりする必要がある場合があります。このトレードオフは、マシンビジョンアプリケーションにおいて重要な考慮事項です。

• F 値が小さい (絞りが広い) と、被写界深度が浅くなり、露出が速くなります。
• F 値が大きい（絞りが狭い）と被写界深度は深くなりますが、光量が少なくなるため、撮影速度が遅くなる可能性があります。

ヒント: エンジニアは、被写界深度の必要性と利用可能な照明および必要な画像化速度とのバランスを取る必要があります。

解像度とコントラスト

F値は、レンズとイメージセンサーが細部を解像し、コントラストを維持する能力にも影響します。F値を下げると開口数（NA）が増加し、システムの小さな特徴を識別する能力が向上します。これは、細い線や小さな欠陥の解像が不可欠な高精度の産業用画像分析において非常に重要です。

しかし、F値を可能な限り低く設定しても、必ずしも最良の結果が得られるとは限りません。絞りを完全に開いた状態では、被写界深度外の画像はぼやけてコントラストが失われることがあります。絞りを部分的に絞る（F値を上げる）と、多くの場合、シャープネスが向上し、被写体の特徴がより鮮明になります。絞りが小さくなりすぎると、回折によって解像度とコントラストの両方が低下し、イメージセンサーが十分な光量を得られなくなる可能性があります。

以下の表は、F 値が主要な画像処理パラメータに与える影響をまとめたものです。

適切に選択されたF値により、レンズとイメージセンサーは、被写界深度と露出の適切なバランスを保ちながら、シャープでコントラストの高い画像を撮影できます。AF値マシンビジョンシステムでは、エンジニアは特定の視野と検査要件に最適なF値を見つけるために、さまざまなF値設定をテストすることがよくあります。

注意：F値を下げるとNAが大きくなり、解像度とコントラストは向上しますが、被写界深度は浅くなります。F値を上げると被写界深度は改善しますが、回折により解像度が低下し、光量も減少する可能性があります。

実用的なトレードオフ

F値が高い場合と低い場合

AF値の高いマシンビジョンシステムと低いF値のどちらを選択するかは、アプリケーションのニーズによって異なります。エンジニアは、被写界深度を最大化する必要がある場合、多くの場合、高いF値（絞り値が低い）を選択します。このアプローチは、高さの異なる物体を撮影する場合や、複数の平面に焦点を合わせ続ける必要がある場合に適しています。また、高いF値は、球面収差やコマ収差などの光学収差を低減し、画質を向上させるのにも役立ちます。ただし、高いF値を使用すると、センサーに到達する光量が少なくなるため、システムにはより強い照明やより長い露光時間が必要になる場合があります。また、非常に高いF値では回折によって解像度が制限される可能性があるため、エンジニアはこれらの要素のバランスを取る必要があります。

• 次のような場合には、高い F 値が適しています。
  • 被写界深度を最大化することが重要です。
  • 光学収差を減らすことは重要です。
  • 十分な照明またはより長い露出時間を利用できます。
  • 動きは最小限です。

F値を低く（絞りを広く）すると、より多くの光がセンサーに到達します。これは、低照度環境や高速撮影が必要な場合に最適です。この設定では被写界深度が浅くなり、光学収差が多くなる可能性がありますが、露出時間を短くすることができます。

露出時間と動き

F値は、露出時間とモーションブラーのリスクに直接影響します。F値が低い、つまり絞りが広いほど、より多くの光を取り込むことができ、システムはより短い露出時間で撮影できます。これにより、モーションブラーの発生リスクが低減されます。これは、高速マシンビジョンアプリケーションにおいて不可欠です。F値が高いと光が制限されるため、より長い露出時間が必要になり、被写体が高速に移動する場合にはブラーのリスクが高まります。研究によると、露出時間を短くすることで、様々な照明条件下でもモーションブラーが大幅に低減することが示されています。照明強度を高めることで、シャッタースピードを高速化できるため、画像の鮮明さを維持することができます。動きの速い産業プロセスでは、たとえ被写界深度が浅くなっても、モーションブラーを最小限に抑えるためにF値の低いレンズを使用することをエンジニアは推奨しています。

ヒント: 高速撮影では、ぼやけを最小限に抑えた鮮明な画像を実現するために、低い F 値と強い照明を優先します。

マシンビジョンレンズの互換性

マシンビジョンレンズは、様々な用途に対応するために、幅広いF値に対応する必要があります。絞りを調整するとF値が変化し、被写界深度とセンサーに到達する光量の両方に影響を与えます。CマウントやFマウントなどのレンズマウントは、それぞれ最大絞りサイズが異なります。マウントが大きいほど最小F値が低くなるため、より大きなセンサーでもより多くの光を取り込むことができます。レンズがセンサーサイズと一致していない場合、互換性の問題が発生する可能性があります。例えば、より小さなセンサー用に設計されたレンズを使用すると、画像の端が暗くなるケラレが発生する可能性があります。エンジニアは、完全なカバレッジと最適なパフォーマンスを確保するために、常にセンサーサイズと同等かそれ以上のレンズを選択する必要があります。

F 値、レンズ、センサーの適切な組み合わせを選択すると、F 値マシン ビジョン システムが正確で信頼性の高い結果を提供できるようになります。

適切なF値の選択

アプリケーションガイドライン

マシンビジョンシステムに適したF値を選択するには、いくつかの重要なステップがあります。エンジニアはまず、照明、対象物のサイズ、検査速度など、アプリケーションの要件を評価する必要があります。これらの要因は、鮮明な画像を得るために必要な光量と被写界深度に影響を与えます。

• 高速検査では、動きを止めてブレを防ぐために、強力でタイミングの良い照明が必要です。照明が限られている場合や同期が取れていない場合は、F値を低く（絞りを広く）することで、より多くの光をセンサーに届けることができます。
• 必要な被写界深度は、被写体のサイズと必要な解像度によって決まります。大きな被写体の場合は、焦点距離を広げるためにF値を大きくし、小さな被写体の場合は、解像度と光量を最大化するためにF値を小さくします。
• ケラレを回避し、完全なカバーを確保するには、視野がセンサーとレンズの組み合わせと一致している必要があります。

エンジニアは、コンポーネントを過剰に指定することなく、アプリケーションの品質要件を満たすためにこれらの要素のバランスを取る必要があります。

ユースケースの例

低いF値設定（f/1～f/2など）は、最大の光スループットが求められるアプリケーションでよく使用されます。これには、非冷却型赤外線イメージング、半導体検査、低照度環境で動作する組み込みカメラなどが含まれます。広口径レンズは光子検出効率を向上させ、微弱な信号や高速イベントの捕捉に不可欠です。

• 短波赤外線 (SWIR) 画像では、低い f 値を使用して、視界の悪い状況でも高解像度を実現します。
• 高速で移動する部品を扱う品質管理タスクでは、低い F 値を使用してモーション ブラーを減らすことが有効です。

被写界深度とシャープネスが光量よりも重要になる場合は、高いF値設定（f/5.6以上など）が推奨されます。例えば、高さの異なる大きな対象物を検査する場合、対象物全体に焦点を合わせるために、より高いF値が必要です。厳しい環境では、F値を上げることでぼやけが軽減され、画質が向上しますが、露光時間を長くしたり、より明るい照明が必要になる場合があります。

マシンビジョンレンズのヒント

選択するとき マシンビジョンレンズエンジニアはいくつかの実用的なヒントを考慮する必要があります。

• 回折限界を理解しましょう。回折限界はF値と光の波長に依存します。エアリーディスク径を計算し、レンズのスポットサイズがセンサーのピクセルサイズと一致するようにします。
• 有限 F 値の公式を使用して、実際の作動距離に合わせて有効 F 値を調整します。
• 特にピクセル サイズが小さくなると、センサー制限の解像度を達成するには、F 値の低いレンズを使用します。
• 特定の作動距離と倍率におけるパフォーマンスについては、レンズ製造元にお問い合わせください。
• 製造公差と調整を向上するには、再利用された写真レンズよりもマシン ビジョン レンズを優先します。
• 特に高ピクセル密度センサーの場合、焦点がぼけるリスクを軽減するために、センサーとレンズの位置合わせを検証します。
• f 値が小さくなるとレンズの設計が難しくなり、実際的な制限が存在することを認識してください。

ヒント: f 値をセンサーとアプリケーションのニーズに合わせて調整すると、最適な画質と信頼性の高いシステム パフォーマンスが保証されます。

• F 値はレンズに入る光の量を制御し、露出、被写界深度、画像の鮮明さに影響します。
• F値が小さいほど光量が増え、コントラストは向上しますが、被写界深度は浅くなります。F値が大きいほど被写界深度は深くなりますが、回折の影響で解像度が低下する可能性があります。
• 最良の結果を得るには、作業に十分な被写界深度を確保しながら最大の絞りを選択します。

業界の専門家はバランスを取ることを提案 解像度と被写界深度 光を最大限に利用するのではなく、カメラとレンズを一緒にテストすることで、選択したF値がアプリケーションに適合しているかどうかを確認できます。近距離での実効F値を無視したり、レンズとセンサーの性能を不一致にしたりするといったよくあるミスを避けましょう。これらのトレードオフを比較検討することで、エンジニアはあらゆるマシンビジョンシステムで信頼性の高い鮮明な画像を実現できます。

よくあるご質問

マシンビジョンレンズでは、F値は何を制御しますか?

F値コントロール レンズに入る光の量被写界深度と画像の鮮明度にも影響します。エンジニアは明るさとフォーカスのバランスをとるためにこれを使用します。

F値が低いと画質にどのような影響がありますか?

F値が小さいほど、より多くの光を取り込むことができ、より明るい画像が得られます。また、被写界深度も浅くなります。これは、低照度下や高速撮影時に有効ですが、画像の一部がぼやける可能性があります。

マシンビジョンにおいて被写界深度が重要なのはなぜですか?

被写界深度 より多くの対象物に焦点を合わせることができます。マシンビジョンでは、被写界深度が深いほど、高さの異なる対象物を検査しやすくなります。被写界深度が浅いと、重要な詳細を見逃してしまう可能性があります。

F値を変更するとモーションブラーを軽減できますか?

はい。F値を下げると光量が増え、システムはより速いシャッタースピードを使用できるようになります。これにより、可動部品の検査時におけるモーションブラーを軽減できます。

エンジニアは適切な F 値をどのように選択すればよいでしょうか?

エンジニアは、照明、被写体のサイズ、そして必要なシャープネスを考慮する必要があります。そして、様々なF値をテストし、アプリケーションに最適な明るさ、被写界深度、解像度のバランスを見つけます。

ヒント: 最良の結果を得るには、常に f 値をレンズとセンサーに合わせてください。

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