マシンビジョン光源のサイズを選択してください

機械視覚技術は、現代の産業用オートメーションおよびスマート製造の重要な柱であり、検査、ナビゲーション、品質管理などの分野に広く活用されています。その中で、2D、2.5D、3D視覚技術は3つの主要技術であり、それぞれ異なる特徴と適用シーンを持っています。

I.背景

視覚光源方式を評価する際、視覚光源のために適切なスペースを確保することを念頭に置くことは重要な検討事項です。

評価中に光源の試験および検証を事前に実施しないと、後工程で確保したスペースが小さすぎる問題が生じる可能性があります。つまり、実際に使用可能な光源のサイズが最初に確保したスペースより大きくなることが多く、これによりプロジェクトに影響が出ることがあります。サイズの要件を満たすために設置可能な小型の光源を採用した場合、光源の不一致により画像品質が低下したり、照射効果が期待通りにならなかったりして、プロジェクト全体の進捗に影響を及ぼす可能性が高いです。最終的には、光源の実際のサイズに応じて設置スペースを修正する必要があり、このような一連の工程は時間と労力がかかります。

したがって、視覚方式を評価する際には、特に初期段階における光源選定の評価をしっかり行うことが重要です。現在、多くの視覚方式ではまず照明テストを実施し、光源のサイズや高さを決定したうえで、他の部分の設計を行います。これにより、プロジェクト全体の後工程でもスムーズに進めることができます。

II. 選定事例

以下に、大・小の光源による画像効果を比較した2枚の画像を示します。図1は光源が小さいため、光斑が視野全体をカバーできていません。図2は光源のサイズが適切で、視野全体をカバーしており、全体的に均一な効果が得られ、検出特徴も明確です。

初期の照明テストを行わずに適切なサイズの光源を選定するにはどうすればよいでしょうか。テストサンプルを取得した後、検出機能を理解し、光学経路の種類および光源の色を判断し、これらを選定した後に必要な光源のサイズを決めることができます。

主に3つのポイントを基準にします。第1のポイント：照射方式。照射方式には2種類あり、一つは正面照射、もう一つは底面バックライト照射です。第2のポイント：レンズの選定。レンズには2種類あり、FAレンズとテレセントリックレンズです。第3のポイント：光源構造の作業距離および視野サイズです。

III. 照射方式

正面照射方式から判断して、検出対象製品の表面が滑らかで反射性があるかどうかを見ます。非反射性表面の場合、光源のサイズに対する要求は低く、視野の約1/2のサイズの光源で十分です。

たとえば反射面に着目して光源のサイズ選定の判断を行う場合、まず反射面上の特徴を検出する必要があり、光源の光点は視野全体をカバーし、均一な画像を形成するようにするべきです。これにより、より良いコントラストが得られます。  

同時に、次の3つのパラメータを把握する必要があります。カメラのターゲットセンターのサイズ、カメラから検出面までの作業距離、および視野のサイズ（視野の長さと幅は、それぞれカメラチップの長さと幅に対応します）。また、レンズがFAレンズの場合には、含まれる角度のパラメータも把握する必要があります。これにより、カメラレンズの投影角および反射角を得ることが可能となり、以下の図（図3、図4、図5）に示すようになります。ここでは、投影角と反射角がW字型の図形を形成していることがわかります。光源が投影角の外側にある場合（図3参照）、反射角に光斑が生じます。光源が反射角の臨界位置にある場合（図4参照）、光斑は画像取得視野の端部に現れます。光源が反射エッジ（W）の外側にある場合（図5参照）のみ、均一な画像効果を得ることが可能です。

底部バックライト照射にも同様のことが言えますが、反射角の計算は必要ありません。光源が検出面から遠ざかるほど、投影角の拡張幅距離は大きくなります。FAレンズ用のバックライトを選定する際には、このように計算および評価することが可能です。以下の図に示す通りです：

IV. レンズの選定

上記の二つの照射方式についてはFAレンズのみを言及していますが、図面および文章についてもFAレンズを例として参考にしています。また、他にも説明が必要なレンズの種類があります。それは一般的に使用されるテレセントリックレンズです。テレセントリックレンズは基本的に平行光学路タイプであるため、テレセントリックレンズを使用して光源のサイズを選定する際には、実際の視野より若干大きめに設定すれば十分です。以下の図に示す通りです：

V. 光源構造の作業距離および視野サイズ

カメラのターゲット中心、作業距離、レンズの角度、光源の作業距離および視野角が分かれば、光源のサイズは計算により求められます。また、CADなどのソフトウェアを用いてパラメータに従って図面を描くことで、光源の光点がどの位置になるかを直感的に確認し、選定した光源のサイズが適切かどうかを判断することも可能です。図を以下に示します：

レンズが一般的なFAレンズの場合、相似三角形の特性から光源の作業距離Wdと面光源の長さLとの関係を求めることができます：  

WD/(WD+wd)=FOV/L

レンズがテレセントリックレンズの場合、選定した光源の設置位置は  L > FOVであることを確保すればよいです。

六 号 結論

マシンビジョン検査方式において、視覚光源の選定は重要な要素です。光源方式の適切な選定は、全体のビジョンシステムが円滑に実施されるようにするために役立ちます。適切な光源は、機構のコストと設置スペースを効果的に節約することが可能です。