レンズはマシンビジョンシステムの性能にどのように影響するのか

29年2025月XNUMX日

レンズはあらゆるマシンビジョンシステムの根幹を成す要素です。適切なレンズの選択は、画質と測定精度を左右します。産業用途では、レンズのわずかな歪みでさえも信頼性と性能を低下させる可能性があります。下の表は、マシンビジョンシステムにおける歪みの精度への影響を示しています。

レンズ歪みの影響	マシンビジョンの性能への影響
最大1.4ピクセル	測定精度が低下する
小さな歪み	衝撃システムの信頼性

エンジニアがレンズをセンサーと特定のアプリケーションに適合させることで、マシンビジョンシステムは鮮明で高精度な画像を取得できます。マシンビジョンシステムにおいて適切なレンズを選択すれば、コストのかかるエラーを回避できますが、不適切なレンズを選択すると、画像がぼやけたり、誤った結果になったりする可能性があります。

主要なポイント（要点）

適切なレンズを選択することは、鮮明な画像と正確な測定のために重要です。マシンビジョンシステム.
さまざまなレンズタイプが特定の産業タスクに使用されますが、固定レンズとテレセントリックレンズは最高の精度を提供します。
レンズをセンサーのサイズと用途に合わせて調整することで、画像の歪みを防ぎ、システムの信頼性を向上させます。
環境要因温度や振動などはレンズの性能に影響を与えるため、頑丈なレンズは精度を維持するのに役立ちます。
レンズの選択を誤ると、画像がぼやけたり、測定エラーが発生したり、ダウンタイムが高額になったりするため、慎重な選択が不可欠です。

マシンビジョンシステムにおけるレンズの役割

画質への影響

レンズはあらゆる場面で中心的な役割を果たしますレンズマシンビジョンシステムレンズは光をセンサーに集光することで、カメラが鮮明で精細な画像を撮影できるようにします。このプロセスは、高画質と高精度の画像処理の基盤となります。レンズの光学設計は、光をどれだけうまく捉え、透過させるかを決定し、画質、鮮明度、そして細部まで見通せる能力に直接影響を及ぼします。

マシンビジョン光学系のレンズは重要な要素を制御します。
- 視野: カメラがシーンをどの程度見ることができるか。
- 倍率: 画像内でオブジェクトがどの程度の大きさで表示されるか。
- 画像の鮮明度と鮮明さ: システムが小さな特徴をどれだけ正確に区別できるか。
- 明るさ: 鮮明な画像をキャプチャするためにセンサーに届く光の量。

高品質なレンズは、カメラが歪み、周辺減光、ぼやけを最小限に抑えた画像を撮影することを保証します。焦点距離、絞り、センサーの互換性を考慮した適切なレンズの選択は、画質を向上させるために不可欠です。暗いエッジやぼやけた領域などの問題を防ぐには、レンズとセンサーの相互作用が一致している必要があります。高品質な画像は、この一致にかかっています。

ヒント: マシンビジョン光学系用に設計されたレンズを使用すると、焦点精度と画像の鮮明度が向上します。これは、次のようなタスクに不可欠です。欠陥検出、物体測定、色認識などを行います。

レンズの光学品質は、レンズがディテールとコントラストをどれだけ正確に再現できるかを示す指標である変調伝達関数（MTF）にも影響を与えます。高いMTFを持つレンズは、高精度なイメージングと信頼性の高い画像撮影をサポートし、これは産業用途において非常に重要です。

測定精度への影響

レンズマシンビジョンシステムにおける測定精度は、レンズの光学精度に依存します。レンズに歪みや欠陥があると、物体測定や空間解析に誤差が生じる可能性があります。以下の表は、レンズの歪みの種類が測定精度にどのような影響を与えるかを示しています。

レンズ歪みの種類	詳細説明	測定精度への影響
樽形歪曲	直線が外側にカーブします。広角レンズではよく見られます。	オブジェクトが膨張して表示され、正確な測定が妨げられます。
ピンクッション歪み	直線は、望遠レンズでよく内側に曲がります。	幾何学的パラメータを過大評価し、測定精度が低下します。
遠近法の歪み	オブジェクトはカメラから離れるにつれて縮小します。	精度が低下し、物体検出に影響します。

最大絶対歪みが1.2～1.4ピクセルといった小さな歪みであっても、補正しなければ測定精度が大幅に低下する可能性があります。実際のマシンビジョン光学系では、これらの歪みを無視することはできません。チェッカーボードパターンやソフトウェア補正アルゴリズムなどのキャリブレーション手法は、画像の形状を復元し、測定の信頼性を向上させるのに役立ちます。

マシンビジョン光学系のレンズは、特に産業環境における精度と耐久性を重視して設計されています。メーカーは、クリーンルーム製造に関するISO 14644や、光学品質と堅牢性に関するEN ISO 12312-1といった厳格な規格に準拠しています。これらの規格により、レンズは光学性能を維持し、温度変化や振動などの過酷な条件にも耐えることができます。

レンズの性能に影響を与える環境要因:
- 温度変化によりレンズ部品が膨張または収縮し、焦点がずれて画質が低下する可能性があります。
- 振動によりレンズ内部の部品が動き、ピクセルのずれや解像度の低下を引き起こす可能性があります。
- 耐久性の高いレンズは、固定された絞りと接着された要素を使用して、産業環境における安定性と光学精度を維持します。

レンズマシンビジョンシステムにおいて、適切に選択されたレンズは、正確な画像キャプチャ、高品質の画像処理、そして信頼性の高いパフォーマンスを実現します。不適切なレンズ選択は、測定誤差、画像の歪み、そしてシステムのダウンタイムにつながる可能性があります。光学精度に重点を置き、レンズをセンサーとアプリケーションに適合させることで、エンジニアはマシンビジョン光学系において最高の結果を得ることができます。

主なマシンビジョンレンズの種類

マシンビジョンカメラにとって、適切なレンズタイプを選択することは不可欠です。それぞれのレンズ設計は、産業用途において独自の目的を果たします。以下の表は、一般的なレンズタイプ、それぞれの特徴、そして典型的な用途を示しています。

レンズの種類	他社とのちがい	代表的な産業用途
固定焦点距離	単焦点、高解像度、最小限の歪み	欠陥検出、組立ライン検査、バーコード読み取り
可変焦点	焦点距離を調整可能。柔軟性は高いが精度は低い	監視、予備検査
テレセントリック	一定の倍率で遠近法の歪みを排除	精密測定、ゲージング、計測、部品アライメント
オートフォーカスの	自動フォーカス調整、リアルタイム適応性	ロボット検査、物体距離の変動アプリケーション
ラインスキャン	ラインスキャンカメラの場合、高解像度の動画	シート、繊維、金属の表面検査

可変倍率レンズ

可変倍率レンズ（ズームレンズとも呼ばれる）は、焦点距離と視野を自由に変更できます。この柔軟性は、対象物のサイズや位置が頻繁に変化する場合に便利です。これらのレンズは、予備検査や監視など、動的な環境に適しています。ただし、ズームレンズは、特に極端な設定では、画像の鮮明度が低下し、歪みが生じる可能性があります。また、倍率を調整すると、画質や明るさも変化する可能性があります。高精度な作業では、エンジニアは他の種類のレンズを好む傾向があります。

可変倍率レンズは以下を提供します:
- タスク変更に対する高い柔軟性
- さまざまなオブジェクトサイズへの迅速な適応
- 画質が低く、歪みが増す固定レンズと比較して

固定倍率レンズ

固定倍率レンズ（固定焦点レンズとテレセントリックレンズを含む）は、安定した性能と鮮明な画像を提供します。これらのレンズは焦点距離が単一であるため、ズームは行いません。固定レンズは高解像度と最小限の歪みを実現し、欠陥検出やバーコード読み取りに最適です。特殊なタイプのテレセントリックレンズは、対象物がカメラに近づいたり遠ざかったりしても倍率を一定に保ちます。この機能により、遠近感の誤差が排除され、正確な測定が可能になります。

固定倍率レンズの特徴:
- 優れた画質と鮮明さ
- 産業用マシンビジョンレンズの一貫したパフォーマンス
- ほとんどのマシンビジョンレンズアプリケーションに最適な選択肢

バイテレセントリックレンズ

バイテレセントリックレンズは、精度を新たなレベルへと引き上げます。これらのレンズは、物体側と像側の両方で光線を平行に保ちます。この設計により、物体が移動したり傾いたりしても、一定の倍率が確保されます。バイテレセントリックレンズは、ボトルや容器など、厚みのある物体や複雑な物体の測定に最適です。歪みが非常に少なく、画像全体にわたって均一な明るさを実現します。これらのレンズは1ミクロンという微細な公差で測定できるため、高精度な作業に最適です。

注: バイテレセントリックレンズは、対象物が完全に揃っていない場合やカメラが振動している場合でも測定精度を維持するのに役立ちます。

Cマウントレンズの互換性

Cマウントレンズは、多くのマシンビジョンカメラシステムで標準的な選択肢となっています。これらのレンズは、最大1/2インチサイズのセンサーを含む、ほとんどの一般的な産業用センサーフォーマットに適合します。また、Cマウントレンズは、シンプルなアダプターリングを使用することでCSマウントカメラにも取り付けることができます。ソニーのIMXシリーズなど、多くの主要なカメラセンサーはCマウントレンズと互換性があります。この互換性により、Cマウントレンズは産業用マシンビジョンにおいて人気があり、実用的な選択肢となっています。

レンズ特性とセンサーマッチング

焦点距離と視野

焦点距離は重要な要素ですマシンビジョン光学系焦点距離は、レンズがどの程度の範囲を捉えられるか、そして画像センサー上にどの程度の大きさの物体が写るかを決定します。焦点距離が短いほど視野が広くなり、自律航行や監視などの用途に役立ちます。これらのレンズを使用することで、システムは1枚の画像でより多くの環境を捉えることができます。焦点距離が長いほど視野は狭くなり、倍率は高くなります。この構成は、バーコード読み取りや品質管理など、小さな特徴を高精度で捉えることが重要な詳細な検査作業に最適です。

視野は焦点距離だけでなく、センサーサイズと作動距離にも依存します。例えば、大型センサーと短焦点レンズを組み合わせると、非常に広い範囲を撮影できます。視野角は、AFOV = 2 × arctan(H / 2f) という式で計算できます。ここで、H はセンサーサイズ、f は焦点距離です。作動距離を調整することでも、固定焦点レンズの視野は変化します。動的な環境下では、エンジニアは完全な視界と信頼性の高い撮影を確保するために、対象物よりもわずかに広い視野を選択することがよくあります。

ヒント: 適切な焦点距離を選択すると、システムがオブジェクト全体または関心領域をキャプチャできるようになり、画像の品質と測定精度が向上します。

絞りと光感度

絞りは、レンズに入り、イメージセンサーに到達する光の量を制御します。マシンビジョン光学系では、絞りの大きさが画像の明るさと鮮明度の両方に影響します。絞りが大きい（F値が小さい）ほど、より多くの光が通過するため、光感度が向上し、より高速な画像撮影が可能になります。これは、低照度の産業環境では重要であり、鮮明な画像を迅速に撮影することでシステム性能を向上させることができます。絞りが小さい（F値が大きい）ほど、光量が減少するため、露光時間が長くなり、画質に影響を与える可能性があります。

以下の表は、さまざまな絞りの形状とサイズが、産業用画像処理における光感度と必要なゲイン調整にどのように影響するかを示しています。

絞り形状	開口面積（mm²）	相対面積係数	計算されたF値（f/#）	ゲイン係数（dB）
円形（参照）	63.6	1.00	1.8	0.0
Plus	35.6	0.56	2.4	5.1
垂直スリット	17.6	0.28	3.4	11.2
水平スリット	17.6	0.28	3.4	11.2

絞りを広くすると光感度が向上し、照明条件が悪い場合でも鮮明な画像を撮影できます。しかし、被写界深度が浅くなるため、被写体のごく一部しか焦点が合いません。絞りを狭くすると被写界深度が深くなり、より多くの部分が鮮明になりますが、光感度は低下します。エンジニアは、それぞれのアプリケーションで最高の画質と測定精度を実現するために、これらの要素のバランスを取る必要があります。

解像度とセンサーカバレッジ

決議ではレンズとイメージセンサーがどれだけの詳細を捉えられるか。マシンビジョン光学系において、レンズの解像度とセンサーサイズを一致させることは、最適な画質とシステム性能を得るために不可欠です。レンズの光学解像度がセンサーのサンプリング解像度と一致すると、システムはエイリアシングやピクセル化のない、鮮明で詳細な画像を撮影できます。

レンズ解像度をセンサーサイズに合わせると、次のことが保証されます。
1. レンズとセンサーが連携して細部まで捉え、画質と測定精度を向上させます。
2. コントラストと解像度を測定するシステムの変調伝達関数 (MTF) は、レンズとセンサーの両方がバランスが取れているときに最高値に達します。
3. レンズの解像度がセンサーの解像度より低い場合、画像はぼやけて見え、センサーは余分な詳細をキャプチャできません。
4. センサーの解像度がレンズの解像度より低い場合、システムは光学精度を無駄にし、アーティファクトを導入する可能性があります。
5. 適切なマッチングにより、ケラレ、色シェーディングエラー、シャープネスの低下などの問題を回避できます。

センサーサイズは、マシンビジョン光学系に必要な主倍率にも影響します。大型センサーでは、必要な視野を実現するために、異なる倍率のレンズが必要になります。システムは、アプリケーションに必要な画像の詳細と解像度を捉える必要があります。エンジニアは、捉えるべき最小の特徴サイズを定義し、それを必要な空間周波数に変換し、それに応じてレンズとセンサーを選択します。

注: レンズとセンサーを一致させることで、視野の誤り、詳細の欠落、ダイナミックレンジの低下などの問題を回避できます。

作動距離、つまり被写体とレンズの間の距離も重要な役割を果たします。これは、画像がどこに焦点を合わせるかを決定します。適切な作動距離を保つことで、システムは高精度で鮮明な画像を取得できます。選択された作動距離において、レンズがセンサーのピクセルサイズと同じくらい小さなディテールを解像できない場合、画像はぼやけ、測定精度が低下します。振動や温度変化などの環境要因も信頼性にさらに影響を与える可能性があるため、安定したシステム設計が不可欠です。

アプリケーションの適合性とよくある落とし穴

産業および自動化のニーズ

産業用途では、信頼性の高い画像処理と正確な結果を得るために、レンズの慎重な選定が求められます。エンジニアは、自動目視検査タスクにおいて、固定焦点距離の単焦点レンズを選択することがよくあります。これらのレンズは、優れた画質と低歪みを提供し、欠陥検出や非接触検査に重要です。マクロレンズは近接撮影に適しており、電子機器や医療機器の製造における正確な物体測定を可能にします。テレセントリックレンズは遠近法による誤差を排除するため、計測や高精度な産業用途に最適です。耐振性レンズは、自動車組立ラインなどの過酷な環境での画像処理をサポートします。

レンズを合わせるセンサーサイズとピクセルサイズシェーディングやケラレを回避します。高い光学解像度により、システムは欠陥検出時に微細なディテールを解像できます。ロボット工学においては、液体レンズが迅速な焦点変更を可能にし、対象物の移動やサイズの変化に応じて柔軟な非接触検査をサポートします。各レンズタイプは、視野、作動距離、照明条件などの特定のニーズに対応し、産業用タスクにおける画像処理を最適化します。

ヒント: 各産業用途に適したレンズタイプを選択すると、画質が向上し、エラーが減り、システムの信頼性が向上します。

レンズの選択ミスによる結果

レンズの不適切な選定は、産業用マシンビジョンシステムにおいて多くの問題を引き起こす可能性があります。レンズがセンサーやアプリケーションに適合していないと、細部がぼやけたり、画像が歪んだりすることがよくあります。また、センサーとレンズのサイズが合わないと、周辺光量の低下、つまり四隅が暗くなる現象も発生します。レンズマウントや焦点距離が適切でないと、フォーカスの問題が発生する場合があります。これらの問題は、画像処理の信頼性を低下させ、欠陥検出時に欠陥を見逃す原因となります。

一般的な問題には次のようなものがあります。

明るい点や焦点の変動などの局所的な画像欠陥
センサー解像度が十分に活用されず、画像の詳細が減少する
欠陥検出と物体測定の精度の低下
継続的な調整とメンテナンスの必要性の増加

画像の歪みは直線を曲げ、細部を損なわせ、測定精度を低下させます。これらの誤差は製造工程でミスを引き起こし、手戻りやシステムのダウンタイムにつながる可能性があります。定期的なキャリブレーションと適切なレンズの選択は、測定精度と信頼性の高い画像処理を維持するために不可欠です。エンジニアがこれらの手順を省略すると、システムは一貫した結果を提供できなくなり、産業用アプリケーションにおける全体的な生産効率に影響を与える可能性があります。

レンズはマシンビジョンシステムのあらゆる側面の性能を左右します。エンジニアは、センサーサイズ、アプリケーションのニーズ、そして環境条件に適したレンズの種類と機能を選択する必要があります。