現在、高速製造は根本的なイメージングのボトルネックに直面しています。従来のエリア スキャン カメラは、連続したウェブ、円筒状の物体、または巨大な平面をキャプチャする場合に苦労することがよくありました。モーション ブラー、照明の不一致、画像スティッチング エラーにより、欠陥検出率が低下することがよくあります。これらの要求の厳しいジオメトリを処理するには、より良いアプローチが必要です。アン 産業用ライン スキャン レンズは、 1D 連続画像取得に必要な重要な光学ブリッジとして機能します。信じられないほど正確にオブジェクトの狭いスライスをキャプチャし、時間の経過とともにシームレスな画像を形成します。この記事では、マシン ビジョン システムの客観的な評価フレームワークを提供します。私たちは、ライン スキャン アーキテクチャがいつ必要になるかを正確に判断するお手伝いをします。また、生産歩留まりを最大化し、検査の盲点を排除するために正しい光学コンポーネントを指定する方法も学びます。
エリア スキャン システムは、高速で移動するターゲットを扱う場合、厳しい物理的制限に遭遇します。エリアセンサーは完全な 2D フレームを同時にキャプチャします。動く物体は、センサーの露光時間中にピクセルの汚れを引き起こします。露出時間を短くして動きを止めることができます。ただし、これには指数関数的に多くの光が必要になります。巨大なコンポーネントを検査する場合、単一のエリア スキャン カメラでは十分な解像度が不足します。エンジニアは、これを解決するために複数のエリア カメラを並べて配置することがよくあります。画像を結合するには、複雑なステッチング ソフトウェアを使用します。このアプローチでは、処理のオーバーヘッドが大きくなります。重なり合う縫い目で縫製エラーが頻繁に発生し、誤った欠陥報告が発生します。
ライン スキャンの代替案は、このパラダイムを完全に変えます。ライン スキャン カメラは、単一行のピクセルを使用します。この細いラインを非常に高い周波数でキャプチャし、多くの場合 1 秒あたり 100,000 ラインを超えます。オブジェクトがカメラの下を移動すると、システムは時間の経過とともにシームレスな 2D 画像を構築します。デスクトップのフラットベッド スキャナとほぼ同じように機能します。この方法では、重複するフレームが完全に削除されます。
エンジニアは、初期エンジニアリングコストと結果として得られる歩留まりについてよく議論します。ラインスキャンのセットアップには、正確なモーション制御と強力な照明が必要です。このため、初期統合は標準のエリア スキャン システムよりも高価になります。ただし、投資収益率はすぐに明らかになります。高解像度のラインスキャンにより、欠陥のない連続生産が保証されます。高額な製品リコールを回避し、廃棄物を最小限に抑えます。長期的な収率の向上により、初期の光学的および機械的投資が容易に正当化されます。
ライン スキャン テクノロジが正しく機能するには、特殊な光学エンジニアリングが必要です。標準的な写真レンズは、このような極端な産業上の要求の下では機能しません。ライン スキャン センサーは、膨大な物理的寸法を利用します。 16K解像度のラインセンサーは最大82mmの長さを測定できます。このような広大な寸法には、非常に大きなイメージサークルで設計されたレンズが必要です。イメージサークルがセンサー長に満たないとケラレが発生します。画像の隅が暗くなり、端の解像度が急激に低下します。産業用光学機器は、大きな内部ガラス要素を利用することでこれを防ぎます。
視野全体にわたって均一性を維持することが重要です。標準レンズは中心部では良好な性能を発揮しますが、周辺部では鮮明さが失われます。産業用ライン スキャン レンズには、この劣化を防ぐために厳密な光学エンジニアリングが施されています。中心から端まで一貫した光透過率を維持します。さらに、センサー表面全体にわたって高い変調伝達関数 (MTF) を維持します。これにより、欠陥がどこに現れても均一なコントラストとシャープネスが保証されます。
歪み制御は、もう 1 つの重要なメカニズムを表します。光学的な歪みにより、直線が曲がって見えます。これにより、マシンビジョンシステムの測定精度が損なわれます。工業用レンズは、サブピクセル精度を保証するために特別な光学補正を受けています。高度なレンズ要素のグループ化を利用してフィールドを平坦化します。この正確な歪み制御には妥協の余地がありません。これにより、検査アルゴリズムで欠陥のサイズをミクロンレベルまで確実に測定できるようになります。
表 1: 光学性能特性
| 特徴 | 標準エリア スキャン レンズ | 産業用ライン スキャン レンズ |
|---|---|---|
| イメージサークルのサイズ | 通常は 35mm 未満 | 82mm以上まで |
| エッジ解像度 | 大幅に劣化することが多い | 一貫して維持（高いMTF） |
| ディストーションコントロール | 一般閲覧可 | サブピクセル精度を修正 |
| ターゲットジオメトリ | 静止したフレームまたは動きの遅いフレーム | 連続ウェブとシリンダー |
正しいレンズを指定するには、厳密な公式アプローチが必要です。視野のみに基づいて光学系を選択することはできません。物理的なピクセル サイズとセンサーの全長をレンズの設計に一致させる必要があります。一般的なライン スキャン ピクセルの寸法は 3.5µm または 5µm です。光学倍率は、物理的オブジェクトがこれらの微細なピクセルにどのようにマッピングされるかを決定します。まず、必要な光学倍率を決定します。センサーのピクセル サイズを目的のオブジェクト解像度で割ります。次に、この特定の倍率でレンズが最適に動作することを確認します。レンズは異なる倍率範囲に合わせて最適化されています。設計範囲外のレンズを使用すると、重大な光学収差が発生します。
購入前にレンズの解像力を評価する必要があります。 MTF チャートは、光学性能の最も客観的な測定値を提供します。これらは、レンズが物体からセンサーにコントラストをどの程度うまく伝達するかを示しています。レンズがミリメートルあたりの必要なライン ペア (lp/mm) を解決できることを確認する必要があります。式は単純です。1000 をピクセル サイズ (ミクロン単位) の 2 倍で割ったものです。 5µm ピクセルの場合、100 lp/mm の解像度が可能なレンズが必要です。 MTF チャートを注意深く確認してください。イメージサークル全体にわたって、目標の lp/mm でコントラストが 20% 以上に維持されていることを確認します。公開されている MTF データがないレンズは無視してください。
カラーラインスキャンアプリケーションでは、追加の光学的検査が必要です。異なる波長の光は、ガラスを通過するときに異なる角度で曲がります。この現象が色収差の原因となります。検査されたマテリアルの高コントラストのエッジに沿って色のにじみが見られます。これを防ぐには、アポクロマート (APO) 補正レンズを指定する必要があります。 APOレンズは特殊な低分散ガラスを使用しています。赤、緑、青の波長をまったく同じ焦点面に集束させます。この補正は、色分類アプリケーション、印刷検査、および正確な境界測定には絶対に必要です。
フラットパネルディスプレイの製造には、完璧な表面検査が必要です。生産者は、大規模な OLED および LCD ガラス基板を検査する必要があります。ドット抜け、ムラ (曇り)、および微細な傷を探します。エリア スキャン カメラは、テレビ パネル全体を高解像度でキャプチャすることはできません。また、画面の隅に空間的な歪みが生じます。ラインスキャン光学系のみが必要な視野と解像度を提供します。あ ディスプレイ パネル検査レンズは、 巨大なガラス シートを完璧に通過します。空間歪みを生じることなく、10 億ピクセルの画像をキャプチャします。これにより、ディスプレイ パネルのあらゆる平方ミリメートルにわたる均一な品質管理が保証されます。
ロールツーロール製造では、材料が猛烈な速度で移動します。紙、箔、織物、スチールコイルは、多くの場合、毎分数百メートルで移動します。欠陥検出はリアルタイムで行われる必要があります。成功基準には、ピンホール、コーティングの不均一性、または表面の傷を即座に特定することが含まれます。エリア カメラは、これらの速度で重大なモーション ブラーが発生します。ここではラインスキャンレンズが活躍します。マイクロ秒単位で単一行のピクセルをキャプチャします。これにより、連続ウェブの動きが効果的に停止されます。連続データ ストリームを分析することにより、ビジョン システムは欠陥を即座に追跡します。その後、生産ラインのさらに下流で自動切断またはマーキング システムをトリガーできます。
丸い物体の検査には、独特の幾何学的な課題が生じます。被写界深度の制限により、エリア スキャンでは円柱のエッジの焦点が合わなくなります。遠近法の歪みにより、曲線付近のフィーチャの物理的寸法が変化します。ライン スキャン レンズは、円筒形のオブジェクトをアンラップすることでこの問題を解決します。このシステムは、バッテリー、自動車のシャフト、印刷ローラーなどの物体を回転させます。ライン スキャン カメラは、シリンダーの頂点のみに焦点を合わせたままになります。オブジェクトが回転すると、カメラは平面の 2D 画像を構築します。これにより、複雑な 3D サーフェスがシームレスな平面に変換されます。これにより、標準的なパターン マッチング アルゴリズムで 360 度の表面全体を簡単に検査できます。
ハイエンドの光学機器では、不十分な機械的統合を克服することはできません。システム ビルダーは、ライン スキャンに必要な周囲のインフラストラクチャを過小評価することがよくあります。確実に成功するには、導入の 3 つの重要な現実に対処する必要があります。
まず、厳しい照明強度の要求に対処します。ライン スキャン カメラは、信じられないほど短い露光時間を利用します。高速で移動するオブジェクトを静止させるため、露出はミリ秒の何分の 1 まで低下することがよくあります。標準的な工場照明では、センサーは完全に露出不足になります。特定の高輝度ライン ライトを導入する必要があります。シリンドリカルロッドレンズを介して集光されたLEDラインライトは、強力で集中した照明を提供します。極度の高速アプリケーションでは、レーザー ライン ジェネレーターが必須になります。明視野や暗視野などの適切な照明ジオメトリによって、特定の種類の欠陥の可視性が決まります。
次に、機械的な位置合わせの感度を尊重します。ライン スキャン システムの被写界深度は非常に浅いです。カメラ、レンズ、対象物体は完全に垂直を保たなければなりません。ほんの数分の 1 度の位置ずれが生じると、焦点が大幅に低下します。センサーラインの一方の端は鮮明に見えますが、もう一方の端はぼやけます。剛性の高い 6 軸調整マウントを使用する必要があります。脆弱なブラケットは避けてください。産業機械からの振動もラインスキャン画像を台無しにします。可能な限り、カメラ マウントを床の激しい振動から隔離してください。
3 番目に、同期のハードルを克服します。カメラのキャプチャ レートは、コンベアまたはローラーの物理速度と完全に一致する必要があります。コンベアの速度が上がると、カメラはラインをより速くキャプチャする必要があります。同期が失敗すると、結果の画像は伸縮します。これにより、あらゆる寸法測定精度が損なわれます。ハードウェアのロータリー エンコーダを使用する必要があります。エンコーダーをカメラのトリガー入力に直接接続します。これにより、ライン レートが物理的な動きと完全に同期します。ソフトウェアのみのタイミング回避策に依存しないことを強く警告します。ソフトウェア タイマーでは、微視的な物理速度の変動を考慮することはできません。
避けるべきよくある間違い:
適切なコンポーネントを選択するには、論理的な順序が必要です。ハードウェアのニーズを推測しないでください。まず、検出する必要がある最小の欠陥サイズを定義します。欠陥のサイズがわかったら、その欠陥を少なくとも 3 ピクセルにわたってマッピングできるセンサー解像度を選択します。次に、工業用ラインスキャンレンズを指定します。イメージ サークルがセンサーをカバーし、MTF がピクセル ピッチを解決することを確認してください。最後に、光学系をサポートする照明と剛性の機械的マウントを設計します。
購入者には、購入前にハードデータを要求することをお勧めします。メーカーに特定のレンズのテストデータをリクエストしてください。作動距離と倍率の要件に正確に一致する MTF レポートと歪みチャートを求めてください。一般的な仕様では、レンズの端にあるパフォーマンスの低下が隠蔽されることがよくあります。
常に概念実証テストを奨励します。光学エンジニアまたは経験豊富なビジョン インテグレーターにご相談ください。指定されたレンズとカメラを貸し出しまたはレンタルします。現実世界の速度で移動する実際の制作マテリアルでテストしてください。スペックシートから厳密に外れているものを購入すると、コストのかかる統合の失敗につながることがよくあります。物理テストでは、光学、機械、照明のチェーン全体を検証します。
A: 焦点距離は 3 つの特定の変数から導き出されます。オブジェクト全体にわたる必要な視野 (FOV)、物理的な作動距離、およびライン センサーの物理的な長さが必要です。センサー長とFOVの倍率を合わせることで、最適な焦点距離を算出できます。レンズ メーカーは、この正確な数学的関係を単純化するための光学式計算機を提供しています。
A: ラインセンサーがレンズのイメージサークルより短い場合のみ可能です。これにより、通常は小型の 2K または 4K センサーに制限されます。大型の 8K または 16K センサーの場合、標準の F マウント レンズでは深刻なケラレ (暗い隅) が発生します。これらの巨大なセンサーを適切にカバーするには、特殊な M マウント レンズまたはカスタム フランジ レンズが必要です。
A: テレセントリック ライン スキャン レンズは視差エラーを完全に排除します。標準レンズは物体を端近くの角度で見るため、遠近感の歪みが生じます。テレセントリック光学系はフィールド全体にわたって平行光線を捕捉します。このため、精密な計測に最適です。厚みのある物体や高さの異なる部品を寸法歪みなく正確に測定します。
