マシンビジョンシステム用の光学コンポーネントの選択には、非常に大きな賭けが伴います。高解像度ライン スキャン カメラは、不適切な光学セットアップと組み合わせると根本的にボトルネックになります。深刻なエッジの歪み、重度のケラレ、または自動検査が完全に失敗する危険があります。
標準のエリア スキャン システムとは異なり、ライン スキャン アプリケーションは連続的な高速動作の下で動作します。これらは、多くの場合 8k ピクセルから 16k ピクセル以上にわたる巨大なセンサーを利用します。これらの洗練されたシステムは、センサーライン全体にわたる周辺のぼやけや焦点の劣化に対するマージンをまったくゼロにします。
堅牢な検査システムを構築するには、基本的な焦点距離の計算をはるかに超えて検討する必要があります。右を選択する ライン スキャン カメラ レンズでは、 正確なイメージ サークルを評価し、正確な光学曲線を分析する必要があります。また、ピクセル ピッチの互換性を確認し、極度の環境制約を考慮する必要もあります。このガイドでは、統合を確実に成功させるために、これらの厳しい光学要件に対処する方法を説明します。
ライン スキャン システムは、従来のエリア スキャン構成とは根本的に異なります。光路を設計する際、エンジニアはエリア スキャンの原則をライン スキャンの問題に誤って適用してしまうことがよくあります。これにより、直ちにハードウェアの互換性が失われます。
センサー サイズの実際
ライン スキャン センサーは、標準のエリア スキャン センサーよりも大幅に長くなっています。平均的なエリア スキャン センサーの対角線の長さは 11 mm ～ 16 mm ですが、ライン スキャン センサーの長さは通常 35 mm、62 mm、さらには 82 mm にも及びます。標準の C マウント エリア スキャン レンズでは、これらの巨大な寸法をカバーできません。大型センサーに標準レンズを装着するとセンサーの隅々まで真っ暗になってしまいます。
モーションと照明
連続的な Web モーションがライン スキャン アプリケーションを定義します。高速で移動するコンベア ベルトには、信じられないほど短い露光時間が必要です。この特定の要件により、広い絞りに最適化されたレンズを使用する必要があります。広い開口部により、高速での光のスループットが最大化されます。ただし、絞りを開けると被写界深度が浅くなります。大規模な集光能力と適切な焦点深度のバランスをとることができる光学系を指定する必要があります。
取り付け基準
センサーは物理的に巨大であるため、ライン スキャン カメラには堅牢な工業用マウントが必要です。一般的な規格には、F マウント、M42、M58、および M72 ネジ接続が含まれます。ネジ付きマウントにより、優れた機械的安定性が得られます。振動の多い工場環境では、レンズ鏡筒の振動による焦点のずれを防ぐために、機械的剛性が非常に重要です。
表 1: エリア スキャンとライン スキャンの光学要件
| パラメータ | エリア スキャン フォーカス | ライン スキャン フォーカス |
|---|---|---|
| センサーフォーマット | 長方形 (例: 4:3、16:9) | リニアアレイ (例: 1x8192 ピクセル) |
| 一般的なマウント | Cマウント、CSマウント | Fマウント、M42、M58、M72 |
| イメージサークル | 11mm ～ 22mm (通常) | 35mm～82mm+ |
| イルミネーションシナジー | ストロボまたは連続エリアライト | 高輝度集光ラインライト |
仕様の際には、1 つの絶対的なルールに従う必要があります。イメージサークルの直径はセンサー長以上である必要があります。イメージ サークルは、後部の光学素子によってカメラ面に投影される物理的な光円錐を表します。
イメージサークルが小さすぎるレンズを使用すると、極度のリスクが生じます。走査線の端にすぐにシェーディングが発生します。この現象は機械的口径食として知られています。隅に光が不足している場合、ソフトウェア拡張機能では失われた検査データを回復できません。光学機器メーカーが指定した最大センサー範囲を常に確認してください。
光学倍率は、物体がセンサー面にどのくらいの大きさで表示されるかを決定します。光学倍率は、センサーの長さを必要な視野 (FOV) で割って計算します。この比率を確立することは、ビジョン プロジェクトにおける最初の数学的ステップです。
エンジニアはここで重大なトレードオフに直面します。固定焦点距離レンズは、さまざまな作動距離にわたって柔軟性を提供します。逆に、マクロレンズは特定の再現率に合わせて大幅に最適化されています。マクロ レンズはフローティング エレメントを利用して非常に短い作動距離で解像度を最大化し、平坦なウェブ上の微細な欠陥の検査に最適です。
レンズの解像度は、1 ミリメートルあたりのラインペア (lp/mm) で客観的に測定されます。この指標は、光学機器が交互に並ぶ黒と白の細い線をどの程度うまく識別できるかを示します。
決定ルールは単純です。レンズはセンサーのナイキスト周波数と一致するか、それを超える必要があります。この制限は、物理ピクセル サイズを使用して計算します。たとえば、5 µm のピクセル ピッチを備えたセンサーの理論上の最大解像度は 100 lp/mm です。このセンサーと 50 lp/mm の解像度しか能力のないレンズを組み合わせた場合、結果として得られる画像は照明に関係なく本質的にぼやけたままになります。
ガラスコーティングも見逃せません。レンズコーティングを特定の光源に適合させることの重要性を強調する必要があります。メーカーは、可視、近赤外線 (NIR)、または短波赤外線 (SWIR) の波長の透過を最適化するためにガラス要素をコーティングします。
アプリケーションで複数の波長を同時に使用する場合、広帯域反射防止コーティングが必ず必要になります。コーティングされていないレンズや不適切にコーティングされたガラスを使用すると、内部反射、ゴースト、画像コントラストの大幅な低下が発生します。
変調伝達関数 (MTF) は、光学品質の究極のベンチマークとして機能します。ただし、多くの購入者はこれらのグラフを誤解し、不適切なハードウェアを購入します。
中心のシャープネスを超えて
高い中心解像度だけを誇るレンズを指定しないように強く警告します。レンズは中心では素晴らしい性能を発揮するかもしれませんが、その性能は端付近で崩壊することがよくあります。ライン スキャン カメラはエッジツーエッジのデータの連続ストリームをキャプチャするため、視野全体にわたる MTF 曲線を評価する必要があります。エッジのコントラストが大幅に低下すると、生産ラインで誤った不良品が発生する原因になります。
曲線
MTF チャートを読むと、横軸のセンサー中心からの距離に対して、縦軸にコントラストの割合がプロットされます。複数の線は、異なる空間周波数 (lp/mm) を表します。コントラストの割合は、特定のターゲット解像度で解釈する必要があります。業界の標準ベンチマークでは、信頼性の高いソフトウェア エッジ検出を保証するために、センサーのナイキスト周波数で少なくとも 20% ～ 30% のコントラストを維持する必要があります。
懐疑的な評価
購入者には、メーカーのデータに積極的に疑問を抱くことをお勧めします。常に正確な作業倍率で計算された MTF データを要求する必要があります。理論上の無限大 MTF データは非常に誤解を招きます。無限遠焦点で完璧に機能するレンズでも、150mm 離れたところに焦点を合わせるとひどい球面収差が発生する可能性があります。理論上の無限チャートは、クローズアップ マシン ビジョン タスクには本質的に役に立たないままです。
さまざまな業界には、独自の光学的要求が課せられます。食品検査業界は、光学ハードウェアにとって最も過酷な環境の 1 つです。
色収差
光学選別機は、米を迅速に選別し、ナッツを選別し、欠陥のあるコーヒー豆を除去します。これらのマシンは色の精度に大きく依存しています。レンズに倍率色収差がある場合、分類は完全に失敗します。色収差は、異なる波長の光がまったく同じ焦点面に集束しない場合に発生します。これにより、オブジェクトのエッジに深刻な色のにじみが発生します。小さな有機材料をグレーディングする場合、色のにじみによってビジョン ソフトウェアが混乱し、選別アルゴリズムが混乱します。
マルチスペクトルおよび SWIR 機能
現代の食品業界は、高度なイメージング スペクトルへの依存度を高めています。 NIR および SWIR 波長を使用する方向に大きく移行しています。 SWIR イメージングは、水分含有量の検出や、製品ストリーム内に混入した目に見えない異物の特定に優れています。専用のを指定する必要があります 食品仕分けラインスキャンレンズ。 赤外線波長用に特別に補正された標準的な可視レンズは、赤外光を捕捉する際に焦点のずれが発生し、SWIR データがぼやけてしまいます。
環境の現実
食品加工工場は過酷な環境です。厳格な環境耐性が必要です。これらの施設に取り付けられたレンズは、頻繁な化学洗浄と高湿度にさらされます。適切な IP 定格を探す必要があります。さらに、激しい選別機構により激しい振動が発生します。何百万回もの選別サイクルにわたって光学的位置合わせを維持するには、アイリス リングとフォーカス リングの両方のロックネジが必須です。
優れた光学系を調達することは、戦いの半分にすぎません。統合戦略が不十分だと、優れたハードウェアが台無しになります。いくつかの一般的な機械的および環境的リスクを積極的に管理する必要があります。
照明の不一致
高品質のレンズであっても、照明が正しくないと、見事に失敗します。ラインスキャン照明は、信じられないほど細く、高度に集束した LED ラインを使用します。ラインライトが完全に調整されておらず、カメラの光学焦点とまったく同じ空間面に焦点が合っていない場合、画像は暗くノイズが多く表示されます。ライトプレーンと被写界深度の間で完全な同軸アライメントを実現するには、高精度の取り付けブラケットが必要です。
機械干渉
エンジニアは、CAD 設計段階で物理的寸法を見落とすことがよくあります。高性能ライン スキャン光学系では、大規模なガラス要素が使用されており、その結果、外筒の直径が大きくなります。これにより、機械的干渉が発生する危険性が高くなります。大口径レンズは、特に作動距離が短い場合に、機械のガード、コンベア レール、または LED 照明器具自体と頻繁に衝突します。
サーマルドリフト
産業環境は激しい温度変動にさらされます。高輝度のラインライトは局所的に大量の熱を発生します。この輻射熱はレンズの機構に直接影響を与えます。熱膨張により、金属製のレンズ鏡筒の物理的な長さが変化します。熱によってガラス要素の屈折率も変化します。この組み合わせにより熱ドリフトが発生し、24 時間 365 日の連続動作サイクルにわたってフォーカスの安定性が低下します。最終焦点を校正する前に、システムが熱平衡に達するまで待つ必要があります。
光学カタログをナビゲートするのは圧倒的に感じられます。互換性のないハードウェアを迅速に排除するために、厳格な手順フレームワークに従うことをお勧めします。オプションを系統的にフィルタリングすることで、プロジェクトの予算とスケジュールを保護できます。
A: これは、センサーの長さ = ピクセル数 × ピクセル ピッチという基本的な公式を使用して決定できます。シェーディングを防ぐために、選択したレンズのイメージサークル直径は、この計算された物理長を厳密に超える必要があります。
A: この特定の欠陥は 3 つの一般的な原因によって引き起こされます。イメージサークルが小さすぎると、機械的口径食が発生する可能性があります。レンズのエッジ MTF パフォーマンスが低下する可能性があります。最後に、平坦なフィールド用に光学的に設計されていないレンズを使用している可能性があり、その結果、像面湾曲が発生します。
A: いいえ、これは避けるべきです。民生用 F マウント レンズはカメラに物理的に適合しますが、工場で必要な耐振動性の固定ネジがまったくありません。さらに、民生用写真レンズは、産業用マシンビジョン作業で必要とされる特定のマクロ倍率に合わせて最適化されていることはほとんどありません。
