高精度の自動検査には絶対的な精度が求められます。標準的なエントセントリック光学系は本質的に遠近歪みの影響を受けます。エンジニアは一般に、この欠陥を視差エラーと呼んでいます。この光学的制限により、近くの物体が遠くの物体よりも大きく見えます。その結果、重要な寸法測定は検査面全体にわたって非常に信頼性が低くなります。
この根本的な欠陥を解決するために、エンジニアは、レンズから物体までの距離に関係なく、一定の倍率を維持するように設計された光学システムに頼っています。これらの特殊な光学機器により、厳密に自動化された環境での測定エラーが排除されます。これらにより、ソフトウェアは深さによるスケーリングの変動を補正することなく、寸法を正確に分析できます。
これらの光学系が産業環境でどのように機能するかを正確に調査します。いつ評価するかを決定するための具体的な評価フレームワークが得られます。 マシン ビジョン レンズが必ず必要です。 この口径の最後に、投資を正当化し、導入を成功させるために必要な主要な仕様を選択するためのガイダンスを提供します。
視差ゼロ: テレセントリック レンズは遠近法の誤差を排除し、視野 (FOV) 内の深さに関係なくオブジェクトが正確に同じサイズに見えるようにします。
主な使用例: サブミクロンの計測、寸法公差のチェック、複雑な 3D プロファイル (ねじ山や深い円柱など) の検査に不可欠です。
物理的制約: 標準の光学系とは異なり、テレセントリック レンズは検査対象の物体よりも物理的に大きくなければならないため、自動セル内の慎重なスペース計画が必要です。
最適な組み合わせ: エッジのコントラストを最大限に高めるには、テレセントリック レンズはほぼ常にコリメートされたテレセントリック バックライトと組み合わせる必要があります。
正確に測定できないものを管理することはできません。標準レンズは、広い角度からオブジェクトを表示します。これにより、固有の視差が生じます。 2 つの同一のコンポーネントを標準レンズからわずかに異なる距離に配置すると、近くにあるコンポーネントがかなり大きく見えます。厳格な品質管理環境では、この視点の誤りは悲惨な結果をもたらします。ビジョン システムはピクセル数を分析して合否基準を決定します。単にセンサーに近づいたために部品が大きく見える場合、ソフトウェアは誤った故障を登録します。
次に、完全に良好な部分を拒否します。これらの誤った拒否は、生産歩留まりに重大な影響を与えます。手動による再検査が強制され、スループットが低下します。標準的な光学系も、深い空洞を検査する場合には非常に困難です。標準的な視野角度では、円筒形部品の内壁が必然的に捉えられます。これにより、検査する必要がある実際の下部フィーチャが見えにくくなります。エンジニアはこの現象をエッジ ロールオフまたはシャドウイングと呼んでいます。エッジの真のプロファイルが失われます。
投資収益率を評価するには、最初のハードウェア購入以外にも目を向ける必要があります。これらの特殊な光学コンポーネントの初期費用はかなり高くなります。ただし、これと誤った拒否の即時削減を比較検討する必要があります。また、ソフトウェアを多用する大量のキャリブレーション回避策も排除できます。チームは、遠近法の修正をプログラムするのに何週間も費やすことがよくあります。専用の光学ソリューションがハードウェア レベルで問題を解決します。これにより、厳しい公差の製造コンプライアンスが日々保証されます。
特定の産業環境では、光学的な曖昧さの余地がまったくありません。 次のシナリオでは、テレセントリック レンズは オプションのアップグレードから必須要件に移行します。
精密計測と測定: 機械加工部品、ギア、およびファスナーの自動測定は、絶対的なエッジ検出に依存しています。マイクロメートルが重要な場合、視野角によって生じるピクセルのぼやけを許容することはできません。光学系は、金属ネジまたは歯車の歯の正確な外側境界を定義するために、平行光線を捕捉する必要があります。
半導体および電子機器の検査: 最新のマイクロエレクトロニクスはコンポーネントをしっかりと梱包します。 IC ピンの位置合わせ、PCB コンポーネントの配置、および繊細なワイヤ ボンディングを検証する必要があります。遠近法を歪めると、実際のピンの位置が見えなくなります。斜めから見ると、完全に真っ直ぐなピンが曲がって見える場合があります。真の並列光学系により、この重大なエラーが防止されます。
厚いオブジェクトまたは複数レベルのオブジェクトの検査: スパーク プラグまたは段付きシャフトを検討してください。多くの場合、最上部と最下部のフィーチャを同時に測定する必要があります。標準的な光学系では、下部よりも上部の特徴が拡大されます。特殊な平行光学系がさまざまな高さの物体をスキャンしながら、すべての平面を同一の倍率でレンダリングします。
透明な部品とバイアル: ガラス製注射器、医療用バイアル、透明なポリマーの検査には特有の課題があります。標準レンズの光学歪みは、重大な屈折異常を引き起こします。光は、斜めから当たると、湾曲したガラスを通して予期せず曲がります。ガラスを完全に垂直に見ると、これらの紛らわしい反射や歪みが解消されます。
すべてのデザインが同じように作られているわけではありません。メーカーは、光路を修正する場所に基づいて、これらの光学系を 3 つの異なるアーキテクチャ カテゴリに分類しています。これらの違いを理解すると、ハードウェアを特定の検査範囲に適合させるのに役立ちます。
アーキテクチャの種類 |
一次機能 |
最適な用途 |
|---|---|---|
オブジェクト空間 |
レンズの物体側で厳密に視差を除去します。 |
標準的な寸法検査、2D プロファイル測定、および一般的な工業用計測。 |
画像空間 |
光がカメラのセンサーに完全に垂直に当たるようにし、ピクセルのクロストークを防ぎます。 |
正確な放射均一性が必要な高解像度センサーと色が重要な検査。 |
バイテレセントリック |
オブジェクトと画像空間の両方の補正を 1 つの連続システムに結合します。 |
マシンビジョンの究極のスタンダード。被写界深度を最大限に高め、歪みを最小限に抑えます。 |
この設計は、検査対象物からの平行光線のみを受け入れます。工場現場での遠近法のエラーを効果的に排除します。部品がガラスにわずかに近づくと、その知覚されるサイズは完全に静止したままになります。ほとんどの標準的なゲージ アプリケーションは、オブジェクト空間設計にうまく依存しています。
カメラ側で光路を補正する設計です。光はセンサーに斜めに当たるのではなく、すべての個々のピクセルにまっすぐに当たります。これにより、光子が隣接するピクセルに漏れ込む光学的クロストークが防止されます。これは、色が重要な分類や放射分析に頻繁に使用されます。
これは光学工学の頂点を表します。オブジェクト空間と画像空間の両方の補正を組み合わせます。バイテレセントリック設計は、現在入手可能な絶対的に最小の残留歪みを提供します。また、利用可能な被写界深度を最大化し、センサーベッド全体にわたって完全に均一な照明を保証します。
正しい光学ハードウェアを選択するには、厳密な数学的調整が必要です。パラメータを推測することはできません。物理的な検査環境に基づいて計算する必要があります。
絶対的な 1 対 1 の法則を理解する必要があります。平行光線を捉えるには、前面の光学素子が視野のサイズを超える必要があります。幅 150mm のエンジン ブロックを検査する必要がある場合、フロント ガラス エレメントは 150mm より大きくなければなりません。これにより、膨大な物理的フットプリントが必要になります。自動化されたロボット セル内に十分なスペースを計画するようにシステム インテグレーターを指導する必要があります。
標準の可変ズーム システムとは異なり、これらの光学系は倍率が完全に固定されているのが特徴です。バレルをひねってズームインすることはできません。注文を開始する前に、センサーとオブジェクトの正確な比率を計算する必要があります。センサーの幅が 10mm、対象物の幅が 50mm の場合、正確に 0.2 倍の倍率が必要です。ここで間違いがあると、完全に新しいハードウェアを購入する必要があります。
作動距離は、前面ガラスと検査対象部品の間の物理的なギャップを定義します。ロボット アーム、コンベヤ ベルト、および必要な照明パネルを収容できる距離を選択する必要があります。同時に被写界深度を評価します。 DoF は、完全に鮮明な焦点を維持しながら部品がどの程度の垂直方向の変動を許容できるかを決定します。 DoF が深くなると、移動ベルト上でわずかに跳ね返る部品に対する許容範囲が広がります。
センサーが一致していないと光学性能が損なわれます。レンズのイメージサークルを高メガピクセルのセンサーフォーマットに一致させる必要があります。 1/2 インチ センサー用に設計された光学系の後ろで 1 インチ フォーマットのセンサーを使用すると、深刻なケラレが発生します。画像の隅が完全に黒くなります。さらに、取り付け金具を標準化します。小さなフォーマットでは、標準の C マウント スレッドを簡単に利用できます。ただし、最新の巨大センサーでは、機械的ペイロードを安全に処理するために、重い F マウントまたは M42 標準ネジが必要です。
特殊な測定光学系の導入には、機械的および環境的な特有の課題が伴います。これらの機器を標準的な監視カメラのように扱うため、多くのチームは実装中に失敗します。
かなりの体重に備える必要があります。フロント要素が大きいため、典型的な テレセントリック レンズの セットアップの重量は数キログラムになる場合があります。標準的なカメラ取り付けプレートは、この負担がかかると曲がります。スタンピングプレスやコンベアモーターからの機械振動により、アセンブリが揺れる可能性があります。この微小振動はサブミクロンの測定精度を破壊します。カメラ本体と重い光学鏡筒の両方を同時に支える、頑丈で頑丈な取り付けブラケットを使用する必要があります。
光学測定システムの正確さは、照明の精度に依存します。標準の拡散室内光は、平行光学性能を積極的に低下させます。拡散光はランダムな角度で散乱します。正確な測定には、極端なエッジ コントラストが必要です。ここでは、コリメートバックライトが依然として絶対的な業界標準です。平行光は厳密に平行な光線を放射します。平行照明と平行受光光学系を組み合わせると、物体は非常に鋭いシルエットを作成します。これにより、ソフトウェア アルゴリズムが絶対的な確実性でエッジを特定できるようになります。
計測のために工場の周囲照明に依存しないでください。
コリメートバックライトの直径を前面の光学素子の直径と一致させます。
ガラスの色収差をさらに低減するには、単色照明 (赤や青の LED など) を使用します。
業界の通説では、これらのシステムにはゼロ校正が必要であることが示唆されています。これは危険なほど間違っています。遠近法の誤差は排除されますが、すりガラスの製造に固有のわずかな残留歪みが依然として含まれています。この残留歪みは通常 0.1% 未満に収まります。サブピクセル計測は例外的に低いとはいえ、依然として完璧を要求します。高精度のグリッド ターゲットを使用して、ベースライン ソフトウェア キャリブレーションを実行する必要があります。このソフトウェアのステップでは、最終的な 0.1% の差異をマッピングし、精度を絶対的な物理的限界まで押し上げます。
これらの光学系は汎用の撮像素子ではありません。これらは、妥協のない精度を目指して設計された専用の測定機器として機能します。遠近法の誤差を排除し、さまざまな深さにわたって再現可能な寸法を保証します。
成功するには、彼らの厳しい物理的制約を受け入れなければなりません。 1:1 フロント エレメント ルールによって規定されるスペース要件を確認してください。重機による取り付けを準備し、調和のとれた平行照明に多額の投資を行ってください。
次のステップは、ハードウェア カタログの外から始める必要があります。まず、最大の製造部品に基づいて最大視野の計算を完了します。次に、照明の実現可能性調査を実施して、コリメート バックライトをマシン フレームに取り付けられることを確認します。これらの物理的な境界を定義した後でのみ、光学サプライヤーに評価ユニットをリクエストしてください。
A: 平行光線を捕捉するには、前面の光学素子が検査対象の最大視野 (FOV) と少なくとも同じ大きさでなければならないためです。
A: はい、物体が指定された被写界深度内に留まっている限り、作動距離が変化しても倍率は一定のままです。
A: マクロ レンズは倍率が高くなりますが、それでも遠近感の歪み (視差) が発生します。テレセントリック レンズは、遠近誤差ゼロで固定倍率を提供します。
