機械視覚アプリケーションに最適なレンズの選定

紹介

機械視覚は、現代の産業および製造プロセスにおいて不可欠な要素となっており、自動化や高精度の品質管理・検査作業を可能にしています。機械視覚システムにおいて重要なコンポーネントの一つがレンズであり、これは後続の分析のために明確で正確な画像を取得する上で極めて重要な役割を果たします。正しいレンズの選定は、機械視覚アプリケーション全体の性能と効果を保証するために不可欠です。この記事では、機械視覚用レンズを選ぶ際に考慮すべき主要な要素や、さまざまなレンズの種類とその用途について紹介します。

レンズ選定における主要な要素

視野 (FOV)

画角とは、カメラとレンズが捉えることができる範囲のことです。これは作業距離（レンズと撮影対象物との間の距離）およびレンズの焦点距離によって決まります。広い画角は、大規模な工業検査や監視など、広範囲を監視する必要がある用途に適しています。例えば、食品包装工場においては、広画角のレンズを使用して包装ライン全体を監視し、すべての製品が正しく包装されていることを確認することができます。

解像度

レンズの解像度とは、画像内の微細なディテールを区別する能力のことを指します。高解像度のレンズは、正確な測定や小さな特徴の検出が必要とされる用途において必要です。たとえば半導体製造プロセスでは、シリコンウエハー上の微小回路を検査するために高解像度のレンズが必要です。レンズの解像度は一般的に線対／ミリメートル（lp/mm）で表されます。lp/mmの値が高いほど、解像能力の高いレンズであることを示します。レンズの解像度とカメラセンサーの解像度を適切にマッチングさせることが重要です。レンズの解像度がセンサーよりも低い場合、センサーの潜在能力を十分に発揮することはできません。

被写界深度 (DoF)

被写界深度とは、レンズからみて画像内で許容できるほどシャープに写る範囲の距離のことを指します。被写界深度が大きいことは、対象がカメラから異なる距離にある場合や、対象の位置に多少のばらつきがある場合に有利です。3Dプリント検査システムにおいては、印刷された部品が異なる高さを持つ可能性があるため、被写界深度の大きいレンズを使用すれば、物体のすべての部分をくっきりと捉えることができます。被写界深度にはいくつかの要因が影響し、焦点距離、絞りの大きさ（f値）、作業距離などが含まれます。一般的に、焦点距離が短いほど、絞りが小さいほど（f値が高いほど）、作業距離が長いほど、被写界深度は大きくなります。

歪み

レンズの歪みにより、直線的な物体の画像が曲がって見えることがあります。歪みには主に2種類あります：画像の端が外側に膨らんで見える「玉枕歪み（Barrel Distortion）」と、画像の端が内側にへこむように見える「糸巻き歪み（Pincushion Distortion）」です。精密な幾何学的測定が重要な用途においては、例えば計測やロボットアームの誘導などにおいて、低歪みのレンズが不可欠です。たとえば、ロボットアームによるピッキングシステムでは、対象物の位置や姿勢を正確に認識するために、歪みの非常に少ないレンズが必要になります。

動作距離

作動距離は、レンズ前面から画像化される対象までの距離を指します。この距離は用途によって決まります。プリント基板上の小型部品の検査のように、短い作動距離が必要とされる用途もあれば、屋外の広範囲を監視するような用途では長い作動距離が必要になる場合もあります。作動距離は、視野角や焦点深度などの他のレンズパラメータにも影響を与えます。

取付および互換性

使用するカメラに合わせて互換性のあるレンズを選定する必要があります。カメラにはCマウント、CSマウント、Fマウントなど、様々な種類のマウントが存在しており、レンズがカメラに確実に取り付けられる正しいマウント形式を持っていることが重要です。さらに、レンズはカメラのセンサーサイズとも互換性がある必要があります。センサーに対して像面径が小さすぎるレンズを使用すると、画像の四隅が暗くなるフチ暗（ヴィネット）ング現象が発生したり、センサー全体をカバーしきれなくなる可能性があります。

マシンビジョンレンズの種類

固定焦点距離レンズ

固定焦点距離レンズ（プライムレンズとも呼ばれます）は、単一の不変な焦点距離を持つレンズです。構造が比較的シンプルであり、解像度や歪みの少なさという点で高い光学性能を提供する場合が多いです。これらのレンズは、視野角と作業距離が固定されている用途に適しています。例えば、スーパーマーケットのレジにあるバーコードリーディングシステムでは、固定焦点距離レンズを使用して特定の距離におけるバーコードの明確な画像を取得できます。

ズームレンズ

ズームレンズは、焦点距離を変更できるため、視野角も変えることができます。これにより、カメラがさまざまな範囲や距離にある対象を捉える必要がある用途において、柔軟性を持たせることができます。セキュリティ監視システムでは、ズームレンズを使用して建物の異なる部分に焦点を合わせたり、動く物体を追跡したりすることが可能です。ただし、特に解像度や歪みの点で、固定焦点距離レンズほどの光学性能を発揮できない場合もあります。

テレセントリックレンズ

テレセントリックレンズは、一定の範囲内で被写体までの距離に関係なく、倍率が一定になるように設計されています。この特性により、製造部品の品質管理など、正確な寸法測定が必要な用途に最適です。高精度加工工場では、テレセントリックレンズにより、透視歪みの影響を受けず、機械部品の寸法を高い精度で測定することができます。

マクロレンズ

マクロレンズは、クローズアップ撮影に最適化されており、高い倍率で撮影することが可能です。小さなオブジェクトや微細なディテールを検査する必要がある用途に使用され、例えば宝飾品の検査や生物学的標本の撮影などがあります。宝飾品製造工程において、マクロレンズを使用して宝石のセッティング部分の細かなディテールや金属加工の品質を検査することができます。

結論

機械ビジョンアプリケーションに適したレンズの選定は、複数の要素を考慮する複雑なプロセスです。視野、解像度、焦点深度、歪み、作業距離、マウントの互換性および環境条件を慎重に評価することにより、エンジニアやシステムインテグレータは機械ビジョンシステムの性能を最適化できるレンズを選択できます。それが産業用オートメーション、品質管理、または科学的研究のいずれの場合でも、正しいレンズの選定が、さらなる分析および意思決定のために正確で信頼性のある画像データを得取る鍵となります。