マシンビジョン測定においてレンズの歪みが重要な理由
はじめに: 小さな幾何学的エラーが大きな検査問題になる可能性があります
マシンビジョンでは、レンズが鮮明な画像を生成しても、その用途には不適切なレンズとなることがあります。
それは直観に反して聞こえるかもしれません。検査カメラでコンポーネント、穴、またはエッジをはっきりと確認できる場合、システムはそれを正確に測定できるはずではありませんか?必ずしもそうとは限りません。画像の鮮明さと幾何学的精度は異なる特性です。レンズは、直線を曲線にマッピングしたり、中心から端に向かって画像スケールを変更したりしながら、細かいディテールを解決できます。
寸法検査、位置決め、位置合わせ、欠陥検出などのアプリケーションでは、この区別が重要になります。小さな幾何学的誤差が合否判定に影響を与えたり、ロボットのピックポイントを移動させたり、生産ライン全体で一貫性のない測定を引き起こしたりする可能性があります。
この記事では、レンズの歪みが実際に何を意味するのか、それが最も重要な場合、キャリブレーションがどのように役立つのか、設計に着手する前にエンジニアがレンズのサプライヤーと何を話し合うべきかについて説明します。
レンズの歪みとは何ですか?
レンズの歪みは、シーン内の点が画像内に現れる場所を変化させる幾何学的な収差です。これは一般に、樽型歪み、糸巻き型歪み、またはその 2 つのより複雑な組み合わせとして説明されます。
樽型歪みでは、画像の倍率が端に向かって低下する傾向があるため、直線が外側に湾曲することがあります。糸巻き型歪みでは、線が内側に曲がる場合があります。広角システムでは、単一の単純な係数では適切に説明できない、より複雑な歪みパターンが表示されることもあります。
歪みは必ずしも画像の焦点が合っていないことを意味するわけではありません。高コントラストのエッジは鮮明なままですが、予想とはわずかに異なる位置に表示される場合があります。視覚的に監視する場合には、それは許容できるかもしれません。測定の場合、系統誤差の原因となる可能性があります。
有用な区別は次のとおりです。
解像度は、イメージング システムがどの程度の詳細を識別できるかを表します。
歪みは、システムがシーンのジオメトリをどの程度忠実に保存するかを表します。
再現性は、システムが同じ条件下で一貫した結果を返すかどうかを表します。
マシン ビジョン システムを成功させるには 3 つすべてが必要ですが、優先順位はタスクによって異なります。
歪みが問題になるのはどのような場合ですか?
寸法測定
ソフトウェアが単純なスケール係数を使用してピクセルをミリメートルに変換する場合、画像のスケールが測定領域全体で十分に一貫していると想定されます。歪みはその前提を破る可能性があります。中心付近で測定された寸法は、コーナー付近の同一の寸法と同じ物理スケールにマッピングされない場合があります。
ロボットの誘導と位置決め
カメラがロボットを誘導すると、画像の座標がロボットまたはコンベア システムで使用される座標に変換されます。レンズが未補正の幾何学的誤差を導入すると、推定位置がずれる可能性があります。影響は、カメラの角度、作動距離、キャリブレーション方法、および必要な配置公差によって異なります。
PCB、コンポーネント、ウェブ検査
検査システムでは、フィーチャーの位置や形状を基準と比較することがよくあります。歪みにより、名目上は真っ直ぐなフィーチャが曲がって見えたり、エッジの位置がずれたりすることがあります。これにより、特に検査領域がセンサーの大部分を占める場合、フィールド全体の比較が複雑になる可能性があります。
広視野監視
すべてのアプリケーションが低歪みを必要とするわけではありません。一部の監視システムや状況認識システムでは、直線を維持することよりもカバレッジの方が重要な場合があります。ただし、測定やマッピングのアプリケーションでは、幾何学的精度が重要な要件となる場合があります。適切なレンズとは、単独での歪み数が最も小さいレンズではなく、タスクに最適化されたレンズです。
低歪みレンズまたはソフトウェア補正?
普遍的な答えはありません。光学設計とソフトウェア キャリブレーションは相互に補完できますが、問題を解決する方法は異なります。
低歪みレンズは、画像がセンサーに到達する前に幾何学的なずれを光学的に軽減します。これにより、下流の処理が簡素化され、フィールド全体でより均一なマッピングを維持できます。
ソフトウェア補正では、キャリブレーションされたモデルを使用して画像座標を再マッピングします。歪みが安定しており、キャリブレーション手順が適切である場合に効果的です。ただし、補正ではピクセルの再サンプリング、使用可能な画像領域のトリミングが行われる場合があり、焦点、レンズの位置、センサーの位置合わせ、および十分な一貫性が保たれている温度に依存します。
歪み補正と遠近感補正を区別することも重要です。平らな物体を斜めから見るカメラでは、レンズ自体の歪みが無視できる場合でも、遠近効果が生じます。キャリブレーション ワークフローでは、両方をモデル化する必要がある場合があります。
賢明な開発プロセスでは、最初に必要な測定精度を定義し、次に光学補正、ソフトウェア補正、またはその組み合わせが適切かどうかを評価します。
テレセントリックレンズについてはどうですか？
テレセントリック レンズは、コンパクトなサイズや広い深度範囲よりも測定精度が重要な場合に検討されることがよくあります。物体空間テレセントリック設計では、主光線が物体空間内でほぼ平行になり、物体距離の小さな変化によって引き起こされる倍率の変化が軽減されます。
これは、平らな部品の測定、直径の確認、高さがわずかに異なる部品の検査に役立ちます。しかし、テレセントリック光学系がすべてのビジョン システムにとって自動的に最適な選択肢になるわけではありません。それらはより大きく、より高価であり、特定の作動距離と視野を必要とする場合があります。
スペース、コスト、または視野範囲がより重要な場合には、従来の低歪みレンズの方が適しています。決定は実際の公差と機械的制約に従って行う必要があります。
レンズを選択する前に答えるべき 6 つの質問
見積もりをリクエストする前に、エンジニアとバイヤーは次の情報を準備する必要があります。
1.測定公差は何ですか?
重大な欠陥を検出するように設計されたシステムには、形状の測定から厳しい寸法公差まで、さまざまなニーズがあります。
2.センサーのフォーマットとピクセルサイズは何ですか?
レンズのイメージサークルや解像性能はセンサーに適合する必要があります。
3.どのような視野と作動距離が必要ですか?
これらは結像ジオメトリを定義し、レンズの選択に大きな影響を与えます。
4.関心領域はどこに位置しますか?
小さな中央領域は、フレーム全体をカバーする測定よりも歪みの影響を受けにくい可能性があります。
5.カメラやオブジェクトは動きますか?
動き、振動、作動距離の変化は、校正の安定性に影響を与える可能性があります。
6.システムはどのように調整されますか?
校正目標、手順、動作温度、および合格基準を早期に指定します。
これらの詳細が利用可能な場合、サプライヤーはより効果的に推奨できます。 「低歪み」だけでは完全な仕様ではありません。
実際のシステムでレンズを検証する方法
データシートは出発点であり、アプリケーション テストの代替品ではありません。目的の視野全体にわたって、校正されたグリッドまたはその他の適切な参照ターゲットを使用します。中心と端の性能をチェックし、必要に応じて再焦点合わせまたは再取り付け後に測定を繰り返し、実際の作動距離で結果を検証します。
アプリケーションが温度範囲にわたって動作する場合は、代表的な熱条件を含めてください。ソフトウェア補正が計画の一部である場合は、生の画像だけを判断するのではなく、画像処理チェーン全体を検証します。
明確な受け入れ基準を定義することも役立ちます。それは、キャリブレーション後の最大残留誤差、測定された寸法の再現性、または指定された画像位置での位置決め誤差である可能性があります。適切な指標はユースケースによって異なります。
ボシ光学が役立つところ
ボシ光学セキュリティ、産業用イメージング、自動車エレクトロニクス、医療用イメージング、その他のカメラ アプリケーション向けの光学製品をサポートしています。コンパクトなレンズまたはアプリケーション固有の光学構成を必要とするプロジェクトの場合、顧客はまず、M12 レンズ範囲またはカスタマイズされた光学製品を通じて要件について話し合うこともできます。
有用な技術的な議論のために、センサーモデル、ターゲットサイズ、視野、作動距離、利用可能な機械的エンベロープ、動作環境、および必要な測定公差を提供してください。これらの詳細は、標準レンズが適切かどうか、またはより特殊な設計を評価する必要があるかどうかを判断するのに役立ちます。
結論: 許容できるエラーを指定する
マシンビジョンレンズの選択は、単に鮮明な画像を探すだけではありません。システムが動きを測定、位置合わせ、または誘導する場合、幾何学的忠実度が解像度と同じくらい重要になることがあります。
まずはアプリケーションの許容範囲から始めます。視野内のどこで歪みが問題になるかを理解します。光学性能とキャリブレーションがどのように連携するかを決定し、現実的な条件下で完全なカメラ システムを検証します。
最も有益な質問は、単に「このレンズは歪みが少ないですか?」ということではありません。それは、「この画像システムは実際に使用される際に、繰り返し要求される精度を満たせるか？」ということです。
