産業用途向け機械視覚用レンズ選定ガイド

主要光学パラメーター：視野角（FOV）、作動距離（WD）、および焦点距離

視野角（FOV）が組立ライン検査における機械視覚用レンズの適 suitability を決定する仕組み

視野（FOV：Field of View）とは、カメラが一度に実際に捉えることのできる範囲を示す指標であり、組立ライン上の製品検査において極めて重要です。FOVが狭すぎると、端部に生じる微小な欠陥を見逃してしまう可能性があります。逆に、FOVが広すぎると、1ピクセルあたりの実際の被写体面積が大きくなり、細部がぼやけて解像度が低下します。この関係を計算するための便利な式があります：「センサーサイズ × 作動距離 ÷ 焦点距離」です。たとえば、100mmのセンサーで対象物全体をカバーする必要がある場合、利用可能なスペースに応じて、被写体に近づくか、あるいは別のレンズを選択する必要があります。業界の報告書によると、ビジョンシステムにおける問題の約3分の1は、初期段階でのFOV設定ミスに起因しています。FOVを適切に設定することで、部品のすべての寸法が正確にスキャンされ、不具合を引き起こす動きによるアーティファクト（モーション・アーティファクト）が発生せず、結果として高速な製造工程において欠陥をより迅速に検出できます。

ロボットガイドおよび組込みビジョン構成における作業距離と焦点距離の相互作用

作動距離（レンズと被写体の間の隙間）と焦点距離の関係は逆に作用します。これは、ロボット制御システムや組込みビジョン技術において極めて重要です。より長い作動距離が必要な場合、被写体をピント合わせの状態に保つには焦点距離も同様に長くしなければなりません。これは、ロボットが障害物に衝突することなく安全に移動する上で極めて重要な要件です。しかし、常にトレードオフが存在します。焦点距離を延長すると、実際には被写界深度が狭くなり、最適な設定を得ることがキャリブレーション上の難題となってしまいます。PCB検査装置などの機器が限られた狭小空間に収まらなければならないようなケースでは、短い焦点距離を採用することで被写体に近づきながらも必要な細部を十分に観察できます。このバランスを正確に取ることで、高速で動作する対象物におけるモーションブラーの低減にも寄与します。業界での試験結果によると、焦点距離が1単位増加するごとに、横方向分解能は15％～30％程度向上することが確認されており、これによりこれらのシステムは自動制御用途においてマイクロメートル単位の精度で目標を捉えることが可能になります。

信頼性の高い機械視覚レンズ統合のためのセンサー互換性およびマウント規格

像円カバレッジとセンサーサイズの関係：機械視覚レンズの選定ミスマッチが引き起こす周辺光量低下（ヴィネット）および解像度劣化の原因

間違った選択をすること マシンビジョンレンズ センサー用のレンズとして、カバーする領域が十分でない場合、将来的に重大な光学的問題を引き起こします。レンズが投影するイメージサークル（像円）がセンサーに必要なサイズよりも小さいと、コーナー部が極端に暗くなる「ヴィネット現象」が発生し、光量が最大80％も低下することがあります。これは、これらの端部から得られる貴重なデータを完全に失うことを意味します。さらに深刻なのは解像度への影響です。たとえば、12メガピクセルのセンサーに、1/1.8インチフォーマット専用に設計されたレンズを組み合わせた場合、実際の性能は最大で約8メガピクセルまで低下します。プリント基板（PCB）の検査を行うユーザーにとって、このような性能不足は、幅10マイクロメートル未満の微細な亀裂を見逃す原因となり得ます。レンズを選定する際の基本的な指針として、仕様書に記載されているイメージサークルの直径が、センサーの対角線長より少なくとも約10％大きいことを確認することをお勧めします。

Cマウント vs. CSマウント：機械的適合性、バックフォーカル距離、およびコンパクトシステムにおける実用上の制約

Cマウントレンズ（フランジ距離17.526mm）とCSマウントレンズ（フランジ距離12.526mm）のネジ山は機械的に互換性がありますが、バックフォーカル距離に関しては大きな違いがあります。CSマウントレンズを無理にCマウントカメラに装着すると、約5mmのピントずれが生じ、0.1mmという微細な公差レベルのディテールまでぼやけてしまうことがあります。このような問題は、ロボットによるピック・アンド・プレイス作業において頻繁に発生します。逆に、CマウントレンズをCSマウントカメラ本体に装着するには特別なスペーサーが必要となり、その結果、特に振動を常時受ける組込みシステムでは、構造的な安定性が低下してしまいます。医療機器メーカーはこの点を十分に理解しており、自社製品はしばしば約50立方ミリメートルという極めて狭小な空間内に収める必要があるからです。CSマウントの小型化により、Cマウントでは到底到達できないような状況でも正確なピント合わせが可能になります。多くのユーザーは設置時のトラブルを回避するため、標準的な運用方法を採用しています。一般的には、センサーサイズが1/2インチ未満の場合にはCSマウントが用いられ、それより大きなセンサーにはCマウントが用いられます。

絞り、被写界深度、および重要な光学性能指標

F値の最適化：高速検査における光量透過率、被写界深度、および運動ぼけのバランス調整

産業用マシンビジョンシステムにおいて、F値（f／#）は、レンズを通過する光量、被写界深度（DOF）、および運動ぼけに対する画像の耐性という3つの重要な要素を同時に制御します。f／1.4などの低いF値を設定すると、より多くの光を取り込めるため、暗い環境下では非常に有効ですが、その代償もあります。被写界深度が極めて浅くなり、検査対象物の表面高さにわずかでも不均一性がある場合、一部の領域がピントから外れてしまう可能性があります。一方で、f／16などの高いF値を用いると、正確な寸法測定に必要な広い被写界深度を得ることができます。ただし、これには長い露光時間が必要となり、特にコンベア上で1フレームあたり1／10,000秒以上の高速で移動する対象物を扱う際には、運動ぼけの問題が生じやすくなります。これらの相反する要件の間で最適なバランスを見つけるには、照明条件と生産要件の両方を慎重に検討する必要があります。

• 許容範囲ゾーン全体にわたって焦点を維持するためのハイパーフォーカル距離を算出する
• 絞り値をストロボ強度に合わせる——50,000 luxを超える照射条件下では、ノイズ劣化を招かずにÆ'/8以上が可能
• 高速撮像用途の92％以上において、Æ'/4～Æ'/8を最優先（Automated Imaging Association、2023年）

これらの要素をバランスよく調整することで、検出誤り（偽拒否）を防止しつつ、スループットを300 ppm以上で維持できる。

MTF、歪み、コントラスト——機械視覚用レンズの仕様が欠陥検出精度に直接及ぼす影響

欠陥を信頼性高く検出する能力は、変調伝達関数（MTF）、歪みの程度、および被写体間のコントラストの良さなど、いくつかの要因に依存します。MTF値がセンサのナイキスト周波数において0.6以上を維持している場合、エッジ測定精度は約半ピクセル程度となり、数マイクロメートル幅の微細な亀裂を検出する際には極めて重要です。歪みを0.1％未満に抑えることで、計測作業中に生じる厄介な幾何学的誤差を回避できます。また、90:1以上の高いコントラスト比を確保することで、複雑な背景テクスチャに対して酸化痕などの微小な異常を明確に識別することが可能になります。これらのパラメータは単なる紙上の数値ではなく、日々の実際の検査結果に直接影響を与えるものです。

MTFが最適でない、または0.3％を超える歪みがあると、PCB検査において37％の偽陰性が発生する（『Vision Systems Design』、2024年）。したがって、機械視覚用レンズの仕様は、品質管理の正確性を直接規定する。

高精度産業用途向けの専用機械視覚用レンズの種類

計測分野における遠心レンズ：サブピクセルレベルの測定安定性を実現するための遠近法誤差の排除

テレセントリックレンズは、サブピクセルレベルの測定安定性を要求する産業用計測アプリケーションにおいて絶対に不可欠です。通常のレンズでは、被写体が近づいたり遠ざかったりするにつれて倍率が変化し、約30度の視野角で0.5％を超えるパースペクティブ誤差（透視誤差）が生じるという問題があります。一方、テレセントリック光学系では、すべての主光線が平行に保たれます。このため、被写体が視野内においてどれだけ奥行き方向に位置していても、倍率は一定に保たれます。これは、PCBのパッド位置合わせやギア歯形プロファイルなどの検査において極めて重要であり、マイクロメートル単位のわずかな歪みでも製品品質を損なう可能性があるからです。自動化されたゲージ検査では、これらのレンズにより、透視によるスケーリング誤差を完全に排除することで、±0.01mmという再現性の高い測定が実現します。さらに、角度による歪みを考慮する必要がないため、キャリブレーションも大幅に簡素化されます。高精度製造現場において、通常のレンズと比較して、セットアップ時間は30～40％短縮されます。

適切なマシンビジョンレンズの選定を始めますか？

適切なレンズは、視野（FOV）、作業距離、センサとの互換性、および性能指標をバランスよく調整し、お客様の産業用アプリケーションに最適化します。不適合を回避し、重要な仕様を優先することで、信頼性の高い欠陥検出および計測精度が確保されます。

レンズとカメラの互換性に関するアドバイス、特殊用途向けオプション（例：テレセントリックレンズ）、またはカスタム対応サービスが必要な場合は、実績ある産業向けソリューションプロバイダーと提携することをお勧めします。HIFLYは、レンズ、カメラ、統合ソリューションにわたる15年にわたるマシンビジョン分野の専門知識を有しており、お客様の生産要件に確実に応えます。レンズ選定の最適化に向け、本日すぐにお気軽にお問い合わせください。無料のコンサルテーションを提供いたします。