マシンビジョンシステム設計において焦点距離が重要な理由

29年2025月XNUMX日

焦点距離は、あらゆるマシンビジョンシステムにおいて画質を決定づける上で重要な役割を果たします。工場でカメラを使って製品を検査する場合、焦点距離が適切でないと、画像がぼやけたり、視野が狭まったり、小さな欠陥を見逃したりする可能性があります。カメラの配置、照明、レンズの選択はすべて、システムが細部を捉える方法に影響を与えます。照明の反射が悪かったり、カメラの位置が遠すぎたりすると、システムは欠陥を検出できない可能性があります。適切な焦点距離のマシンビジョンシステムを設計することで、カメラは照明やシステムと連携し、鮮明な画像を得ることができます。

主要なポイント（要点）

焦点距離は画像の鮮明さ、視野、倍率を制御するため、鮮明なマシンビジョン検査には不可欠です。
焦点距離はズームと表示サイズに影響するレンズの特性であり、作動距離はカメラと物体間の実際の距離です。
適切なレンズを選ぶということは、視野、倍率、被写界深度、そして照明検査タスクに適合します。
常に一致するレンズとカメラのセンサーサイズぼやけた画像や細部の見逃しを避けるために、作業距離を慎重に計画してください。
信頼性が高く鮮明な画像キャプチャと欠陥検出を確実に行うために、最終決定する前に実際のオブジェクトと照明を使用してシステム全体をテストします。

焦点距離の基礎

焦点距離とは何ですか?

焦点距離は、レンズが光をどのように集めて鮮明な画像を形成するかを表します。画像センサマシンビジョンシステムでは、この測定値によってカメラがシーンの詳細をどのように捉えるかが決まります。エンジニアは、ミリメートル単位で測定される焦点距離を用いて、それぞれの用途に適したレンズを選択します。焦点距離は視野と倍率に影響します。焦点距離が短いほど視野は広くなり、焦点距離が長いほど倍率は高くなりますが、視野は狭くなります。

焦点距離の技術的な定義は、光学系における焦点距離の役割を明確にするのに役立ちます。以下の表は主要な用語をまとめたものです。

契約期間
実効焦点距離	平行光がシステムに入るときの光学中心から焦点までの距離。
フロント焦点距離	前面主面から前面焦点までの距離。
後焦点距離	後方主面から後方焦点までの距離。
前焦点距離	前方焦点から最初の光学面までの距離。
後焦点距離	最後の光学面から後方焦点までの距離。

マシンビジョンシステム設計者は、カメラとイメージセンサーに適したレンズを選択するために、これらの用語を理解する必要があります。適切な焦点距離でマシンビジョンシステムを設定することで、厳しい照明条件でもカメラは鮮明な画像を撮影できます。

焦点距離と作動距離

焦点距離と作動距離は同じではありません。焦点距離はレンズ固有の特性であり、レンズが光をどのように曲げて像を形成するかを定義します。一方、作動距離は、レンズの前面から検査対象物までの実際の距離です。マシンビジョンでは、どちらの測定単位もミリメートルを使用します。

単レンズの場合、作動距離は焦点距離と一致することがあります。産業用カメラのような複雑なレンズでは、作動距離が焦点距離よりも短くなることがよくあります。この差はマシンビジョンにおいて重要です。なぜなら、作動距離は、鮮明な画像を得るためにカメラを対象物にどれだけ近づける必要があるかを示すからです。しかし、焦点距離は視野と倍率を制御します。

照明も重要な役割を果たします。カメラ、照明、レンズは連携して動作する必要があります。作動距離が短すぎると、照明が対象物に均一に届かない可能性があります。焦点距離が長すぎると、カメラは視野外の重要な詳細を捉え損なう可能性があります。あらゆるマシンビジョンシステムにおいて、焦点距離、作動距離、照明のバランスをとることで、カメラと画像センサーは検査に有用な鮮明な画像を提供します。

マシンビジョンにおける主要なパラメータ

視野

視野焦点距離は、カメラが一度にどれだけのシーンを捉えられるかを表します。マシンビジョンシステムでは、焦点距離が画角を直接制御します。8mmなどの短い焦点距離では、レンズはより広い領域を捉えることができます。この広い視野は、大きな物体の検査や幅の広いコンベアベルトのスキャンに役立ちます。50mmなどの長い焦点距離では、視野が狭くなり、より狭い領域に焦点を合わせます。この設定は、カメラが小さな欠陥を見つけなければならない詳細な検査に最適です。焦点距離とイメージセンサーのサイズの組み合わせによって、全体の視野が決まります。エンジニアは、重要な詳細を見逃したり、端に歪みが生じたりしないように、アプリケーションに合わせてレンズを選択する必要があります。

倍率

倍率は、カメラがイメージセンサー上で被写体をどれだけ大きくまたは小さく映すかを表します。焦点距離を変えたり、作動距離を調整したりすると、倍率は変化します。例えば、35mmレンズにスペーサーを追加すると、像距離は長くなり、作動距離は短くなるため、倍率は1倍以上になります。薄型レンズの公式1/f = 1/o + XNUMX/iと倍率の公式M = -i/oは、これらの変数がどのように相互作用するかを示しています。産業用カメラのセットアップでは、倍率を高くすると細部を捉えやすくなりますが、カメラを被写体に近づける必要がある場合があります。適切な焦点距離を選択することで、カメラは正確な画像処理に必要な倍率を提供できます。

焦点距離	視野	倍率	典型的な使用例
２０ mm	広い	ロー	大型物体検査
２０ mm	穏健派	M	汎用マシンビジョン
２０ mm	狭い	ハイ	小型部品検査
２０ mm	非常に狭い	すごく高い	微小欠陥検出

解像度と被写界深度

解像度焦点距離は、カメラが小さな特徴をどれだけ鮮明に捉えられるかを定義します。被写界深度は、シーンのどれだけの部分が一度に焦点が合っているかを表します。焦点距離マシンビジョンシステムの設計では、これら 2 つの要素のバランスを取る必要があります。絞りが小さいほど被写界深度が深くなり、より多くの物体を鮮明に保てますが、回折により解像度が低下する可能性があります。多くの場合、焦点距離を長くすることで達成される高い倍率は、これらの効果を強くします。カメラ、照明、レンズは、適切なバランスを実現するように連携して動作する必要があります。たとえば、過焦点距離に焦点を合わせると被写界深度が最大になり、さまざまな高さにある物体を検査するのに役立ちます。ただし、画質を維持するために、照明や画像センサーの設定を調整する必要がある場合があります。エンジニアは被写界深度計算機を使用して各アプリケーションに最適な設定を見つけ、カメラが信頼性の高い画像キャプチャと処理のために鮮明な画像をキャプチャできるようにします。

焦点距離マシンビジョンシステムの選択

レンズ選択ガイド

焦点距離マシンビジョンシステムに適したレンズを選択するには、体系的なアプローチが必要です。エンジニアは、カメラが鮮明で正確な画像を撮影し、信頼性の高い画像処理を実現するために、いくつかの要素を考慮する必要があります。以下の手順は、実証済みの手法の概要です。

作動距離と視野を定義する
作動距離とは、レンズと被写体の間の距離です。視野カメラが捉えるべき領域を表します。エンジニアは物体のサイズを測定し、画像にどれだけ写るかを決定します。
センサーサイズと解像度を指定する
センサーサイズは視野角とレンズとの互換性に影響します。レンズをセンサーに適合させることで、ケラレや歪みを防ぐことができます。必要な解像度は、カメラが検出しなければならない最小の特徴によって異なります。
必要な焦点距離を計算する
被写体の大きさ、作動距離、センサーサイズに基づいて焦点距離を決定します。この計算により、カメラが被写体を正しくフレーミングできるようになります。
被写界深度の推定
被写界深度とは、被写体が鮮明に見える範囲のことです。エンジニアは、シャープネスと明るさのバランスをとるために、絞りと焦点距離を調整します。絞りを小さくすると被写界深度は深くなりますが、より多くの照明が必要になる場合があります。
レンズタイプを選択
固定焦点レンズは安定した性能と高画質を提供します。ズームレンズは柔軟性に優れていますが、解像度が低下する可能性があります。テレセントリックレンズは、精密な測定が必要な場合に役立ちます。
機械的および環境的制約を確認する
カメラとレンズは利用可能なスペースに収まる必要があります。エンジニアは、信頼性の高い動作を確保するために、照明、振動、温度を考慮します。

ヒント： レンズは必ずセンサーサイズと用途に合わせてお選びください。イメージサークルがセンサーより小さいレンズはケラレの原因となるため、使用を避けてください。

実用的な公式

エンジニアは、焦点距離マシンビジョンシステムに最適な焦点距離と作動距離を計算するために、いくつかの公式を使用します。これらの公式は、視野、倍率、画質のバランスをとるのに役立ちます。

焦点距離の計算:
```
Focal Length (mm) = (Sensor Size × Working Distance) / Field of View
```
この式は、カメラの視野内の物体に適合するレンズを選択するのに役立ちます。
視野角（AFOV）:
```
AFOV = 2 × arctan (Sensor Dimension / (2 × Focal Length))
```
これを使用して、カメラがシーンのどの程度を撮影できるかを決定します。
倍率：
```
Magnification = Focal Length / Working Distance
```
これは、オブジェクトがセンサー上に表示される大きさを示します。
薄レンズ方程式:
```
1/s1 + 1/s2 = 1/f
```
ここで、s1 は物体距離 (作動距離)、s2 は像距離、f は焦点距離です。

	式の例	詳細説明
焦点距離	(センサーサイズ × WD) / FOV	レンズの焦点距離を計算します
AFOV	2 × アークタンジェント (センサーの暗さ / (2 × 焦点距離))	視野角を見つける
倍率	焦点距離/作動距離	センサー上の物体のサイズを決定する
薄レンズ方程式	1/s1 + 1/s2 = 1/f	物体、像、焦点距離を関連付ける

注意： すべての測定に常に一貫した単位 (ミリメートル) を使用してください。

用途例

エンジニアは、これらの公式とガイドラインを実際の焦点距離マシンビジョンシステムの設計に適用します。以下の例は、様々なタスクにおいて視野、作動距離、照明のバランスをとる方法を示しています。

コンベア上の大型物体検査
産業用カメラは、コンベア上を移動する箱を検査する必要があります。エンジニアは箱のサイズを測定し、利用可能なスペースに基づいて作動距離を設定します。センサーサイズと必要な視野角に基づいて、エンジニアは焦点距離を計算します。焦点距離の短いレンズは広い視野角を提供し、カメラは箱全体を撮影できます。明るく均一な照明により、カメラは表面の欠陥を確実に検出できます。
電子機器における微小欠陥検出
微細なはんだ接合部を検査する場合、エンジニアは倍率を高めるために焦点距離の長いレンズを選択します。作動距離が短くなるため、カメラを対象物に近づける必要があります。エンジニアは被写界深度を深くするために絞りを小さくしますが、画像の明るさを維持するために照明を追加します。この設定により、カメラは製品の不具合につながる可能性のある小さな欠陥を発見することができます。
高速仕分けにおけるバーコード読み取り
カメラは高速で移動する荷物のバーコードを読み取ります。エンジニアは、センサーサイズと作動距離に適した焦点距離のレンズを選択し、バーコードが視野の大部分を占めるようにします。強力で焦点を絞った照明により、カメラは高速で鮮明な画像を撮影でき、画像処理の精度が向上します。

ヒント： レンズの選択を確定する前に、必ず実際の被写体と照明でシステムをテストしてください。カメラが細部を捉え損ねたり、画像がぼやけたりする場合は、焦点距離または作動距離を調整してください。

エンジニアは、焦点距離を考慮したマシンビジョンシステムの設計において、いくつかのトレードオフのバランスを取る必要があります。焦点距離が短いほど視野は広がりますが、歪みが生じ、倍率が低下する可能性があります。焦点距離が長いほど細部の描写は向上しますが、視野は狭くなり、より多くの照明が必要になる場合があります。適切な選択は、アプリケーション、利用可能なスペース、そして検査要件によって異なります。綿密な計画とテストを行うことで、システムは信頼性の高い結果を得ることができます。

共通落とし穴

要件を見落とす

多くのエンジニアは、検査タスクのニーズを十分に理解していないためにミスを犯します。対象物のサイズ、検出すべき最小の特徴、カメラとレンズのためのスペースを考慮することを忘れてしまうことがあります。レンズが適合しているかどうかの確認を省略するエンジニアもいます。センササイズあるいは、システムが必要な解像度に対応できるかどうかも重要です。被写界深度の重要性を無視したり、適切な作動距離を計画しなかったりする人もいます。こうした見落としは、画像がぼやけたり、欠陥を見逃したり、場合によってはシステムの再設計が必要になることもあります。

ヒント：レンズを選ぶ前に、必ずすべての要件をリストアップしてください。被写体のサイズ、作動距離、センサーサイズ、必要な照明条件などを含めてください。そうすることで、高額な費用がかかるミスを防ぐことができます。

よくある間違いは次のとおりです:

カメラとレンズのための十分なスペースが確保されていないため、取り付けに問題が発生します。
作動距離と視野のバランスが取れず、鮮明な画像を得るのが難しくなる場合があります。
効果を見落としている照明画質について。
正確な測定が必要な場合、テレセントリックレンズなどの特殊なレンズの必要性を無視します。

レンズの仕様を読み間違える

エンジニアはレンズの仕様を誤解することがよくあります。これは、作動距離や視野といった用語を混同したり、センサーサイズがレンズの選択にどのように影響するかを理解していない場合に起こります。以下の表は、よくある問題とその結果をまとめたものです。

	誤解の問題	結果
作動距離	視野に混乱	解像度が低い、設置に課題がある
センササイズ	設計後期に変更	再設計、コスト増加
視野	広角と作動距離のバランスが取れていない	歪み、細部の損失
解像度	歪みとのトレードオフが理解されていない	最適ではない画像品質

設計者の中には、テレセントリックレンズは常により深い被写界深度を実現すると考えている人がいます。しかし実際には、被写界深度はレンズの種類ではなく、絞りと解像度によって決まります。これらの仕様を誤って解釈すると、システムが性能目標を満たさない可能性があります。

統合を無視する

システムを成功させるには、すべての部品を慎重に統合する必要があります。カメラ、レンズ、センサー、照明は互いに連携して動作しなければなりません。部品の一つでも適合しないと、システム全体が機能しなくなる可能性があります。エンジニアの中には、レンズとカメラのインターフェースの互換性を確認しない人もいます。また、照明が画像にどのような影響を与えるか、あるいはレンズが設定された距離で必要な視野角に対応できるかどうかを考慮しない人もいます。

注：設計を最終決定する前に、必ず実際の物体と照明を使ってシステム全体をテストしてください。画像が鮮明でない場合は、カメラや照明を調整してください。

ベストプラクティスは次のとおりです。

レンズをセンサーのサイズと解像度に合わせて調整します。
レンズの正しい作動距離を維持します。
作動距離付近の被写界深度を考慮します。
検査作業に合わせた照明を計画します。

これらの手順を無視すると、画質の低下、欠陥の見逃し、あるいはコストのかかる再設計につながる可能性があります。綿密な計画とテストを行うことで、システムが意図したとおりに動作することを保証できます。

焦点距離は、カメラが細部を捉える方法、視野のバランス、そして信頼性の高いシステムをサポートする方法を決定します。適切な焦点距離を選択することで、照明の変化や被写体のサイズの変化があっても、カメラは鮮明な画像を提供します。

正しい焦点距離により、倍率と視野のバランスが保たれ、検出と再現性が向上します。
エンジニアは次のことを行う必要があります。
1. 視野、解像度、作動距離、被写界深度を特定します。
2. アプリケーションのニーズに合わせてレンズと照明を調整します。
3. レンズの選択にはオンライン計算機とテクニカルサポートをご利用ください。
  レンズ技術と照明の進歩により、システムを迅速に適応させ、将来の検査ニーズに対応できるようになりました。