レンズ選定の基礎

画像処理の構成

画像処理は大きく分けると次の4つのステップで構成されます。

1撮像

シャッターを切り、画像を撮影する。

2転送

カメラからコントローラへ画像データを送る。

3処理

前処理:画像データを加工して特徴点を画像上で分かりやすくする。
計測処理:画像データより傷や寸法などを計測する。

4結果出力

処理結果を接続された制御機器(PLC等)に信号として送る。

画像処理フローチャート

画像処理フローチャート

画像センサ各メーカのカタログには『3.処理』に関する説明が多く、コントローラの処理能力が重要視されがちですが、実は正確で安定した画像処理に一番大事な項目は『1.撮像』です。この撮像のカギを握るのが『レンズと照明の選定』です。
初級編ではこの『レンズ選定』を中心に、撮像に関して説明します

撮像が画像処理に与える影響

Q カップ内側の異物・汚れを目的とした場合、下の2枚の画像ではどちらが小さな汚れを全範囲で検出できるでしょうか?
A

答えはもちろん右の画像です。

撮像が画像処理に与える影響

どんなに高性能なコントローラを使っても左の画像では小さな汚れ検出は不可能です。
カップのように上から下まで高さの差があるワークでも正しい知識があれば、右のように全範囲でピントのあった良い画像を映すことができます。

ポイント

画像処理において、撮像は最も大事です。
高精度に安定した検査を行なうには、以下の3点が一番の近道です。

  • 対象物を大きく映す
  • ピントの合った画像を映す
  • 明るくはっきりした画像を映す

レンズの基礎と選定方法

レンズ構造

構造的にカメラ用レンズは、複数のレンズと絞り/ピント調整機構から構成されます。
絞り(明るさ)調整とピント調整はモニタ画面を見ながら人が『明るくて綺麗』な画像になるように調整します。

(レンズによっては調整機構が固定のものもあります)

レンズ構造

*レンズ選定には視野・焦点距離・ピント・歪みなど様々なポイントがありますが、今回はその中でも全ての用途で確認すべき項目である『視野からレンズを選定する方法』『ピントが合う画像を作る方法(被写界深度を深くする方法)』の2つを解説します。

レンズの焦点距離と視野の求め方

レンズの仕様の一つとして「焦点距離」があります。
FA用のレンズには代表的なものとして、8mm/16mm/25mm/50mmといった仕様のレンズがあります。 撮像したい対象物に必要な視野と焦点距離から、焦点の合う位置=WD(ワークディスタンス)を求めることができます。

レンズの焦点距離と視野の求め方

WDと視野の大きさは、レンズの焦点距離とCCDのサイズで決まり、接写リングが不要な最至近距離以上では、次の比例式で表されます。

WD:視野角=焦点距離:CCD サイズ

例1 : 焦点距離16mmレンズ、CCDサイズ3.6mmの場合、視野を45mmにするには、WDは200mmとなる

ピントの合った画像を作る、被写界深度(ピントの合う高さ範囲)を深くする方法

  • 1.焦点距離が短いレンズほど、深度の範囲が深くなります。
  • 2.対象物までの距離が遠くなるほど、深度の範囲が深くなります。
    →接写リングやマクロレンズを使用した場合に被写界深度が浅くなるので注意が必要です。
  • 3.絞りを絞っている状態ほど深度の範囲が深くなります。
    →同じレンズでも絞りを絞って、明るい照明で照らした方が、ピントが合いやすくなります。
ピントの合った画像を作る、被写界深度(ピントの合う高さ範囲)を深くする方法 ピントの合った画像を作る、被写界深度(ピントの合う高さ範囲)を深くする方法

レンズ性能の違いによるコントラスト差について

下の画像は弊社製高解像度レンズ「CA-LH16」と 標準レンズ「CV-L16」で同じ画像を映したときのものです。画像の違いはレンズの材質と構造の差です。
用途によって高解像度レンズを選定すると、よりコントラストの高い画像を得ることができます。

使用レンズ:CA-LH16/CV-L16
検査対象物:コピー用紙
視野:60mm/汚れサイズ:約0.3mm

レンズ性能の違いによるコントラスト差について

24万画素CCDと200万画素CCDの比較

下の写真は弊社製24万画素カメラと200万画素カメラで同じ対象物を撮像し、パソコンで拡大したものです。例えば、文字を読みとる場合どちらの方が正確に読み取れるでしょうか?200万画素ですね。映像の美しさの違いはそのまま画像処理の検査精度の差として表れます。
用途によりカメラの選定も必要です。

24万画素CCDと200万画素CCDの比較

参考:カメラの違いによる画像への影響

レンズの歪み(ディストーション)について

ディストーションとは?

撮像中央部と周辺部における像の変化比率を示します。
収差により、撮像画像の周辺にいくほど像が歪みます。
歪みかたは、「樽型」と「糸巻き型」の2種類があります。
ディストーションをあらわす数値の絶対値が小さいほど、高精度なレンズといえます。
寸法測定などの用途ではディストーションの小さなレンズを使います。
一般的に焦点距離が長いレンズはディストーションが小さくなる傾向があります。

レンズの歪み(ディストーション)について

レンズ選定の基礎と画像処理 まとめ

画像処理の基本は撮像です。レンズ選定の基本知識があれば、

  • ・対象物にとって最適な視野で、
  • ・画像全体にピントが合って、
  • ・最適な明るさで対象物と背景とのコントラストのついた画像

を撮像することができます。

次のテーマは照明選定です。
今回のレンズ選定と同様に、画像処理にとっては検査性能を決める大きな要素です。
正しい照明選定をする為のポイントを説明いたします。

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