深圳V-PlusTechnologies Co.、Ltd。

3Dイメージング

テレセントリックレンズは正確な測定を行います

テレセントリックレンズは、マシンビジョンシステムにさらに高いレベルの精度を追加します。

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テレセントリックレンズは、マシンビジョンシステムにさらに高いレベルの精度を追加します。

アンドリューウィルソン、編集者

半導体検査で使用されるような多くのマシンビジョンシステムでは、正確で再現性のある測定を一貫して行う必要があります。これを確実に行うには、システム開発者は、これらの部品を画像化するためのテレセントリックレンズに基づくより高価な光学システムに目を向ける必要があります。テレセントリックレンズを選択する理由の多くは、従来のレンズシステムの制限から生じています。

たとえば、オブジェクトが従来のレンズシステムの被写界深度内でわずかでも移動した場合、関連する倍率の変化が発生します。以前は、物体の変位による倍率の変化は、レンズと物体の間の距離を追跡する追加のカメラまたは深度センサーによって較正されていました。テレセントリックレンズを使用すると、このような倍率の変化を大幅に減らすか、なくすことができるため、倍率エラーを修正するために必要となる可能性のある追加のカメラや画像データの前処理が不要になります。

テレセントリックレンズを使用することで、遠近法や視差の誤差をなくすこともできます。従来の光学系では、レンズからの距離によって物体の倍率が変化するため、近くの物体は遠くの物体よりも比較的大きく見えます。ただし、テレセントリックレンズはこの視差エラーを光学的に補正するため、レンズからの特定の距離に関係なく、オブジェクトは同じ知覚サイズのままになります。

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標準の光学系を使用して3Dオブジェクトを画像化すると、遠くのオブジェクトは遠くのオブジェクトよりも小さく表示されます。その結果、円柱状の空洞などのオブジェクトを画像化すると、上部と下部の円形のエッジが同心円状に見え、円柱の内壁が画像化されます(一般的な光学系は、カップやガラスの内部を見ると人間の目のように動作します) 。ただし、テレセントリック光学系を使用すると、下端と内壁が消えるため、テレセントリックレンズは3Dオブジェクトの2Dビューを提供し、マシンビジョンシステムをCADソフトウェアのように機能させます(図1を参照)。 )。

倍率の変更

テレセントリック性は、視野(FOV)内のオブジェクトの倍率がオブジェクトの距離によってどのように変化するかを定義します。したがって、同じFOVの場合、長い焦点距離のレンズで画像化されたオブジェクトは、短い焦点距離のレンズで画像化されたオブジェクトよりも倍率の変化が少なくなります。テレセントリックレンズは焦点距離が無限大であるかのように機能するため、倍率は物体の距離に依存しません。レンズに近づいたり遠ざかったりする物体の焦点は異なる場合がありますが、物体の画像サイズは一定になります。

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特定のレンズのテレセントリック度は、主光線またはテレセントリック角度によって測定されます(図2を参照)。標準的な市販のレンズのテレセントリック角度は10°以上ですが、テレセントリックレンズの主光線角度は0.1°未満です。このレベルのテレセントリック性を実現するには、対物レンズの要素を画像化するオブジェクトのFOVよりも大きくする必要があり、そのようなレンズは大きくなり、したがってより高価になります。

特定のマシンビジョンアプリケーション用のテレセントリックレンズを選択する場合、システムインテグレーターは、個々のメーカーが使用する用語と、各レンズ設計の背後にある動作原理の両方を理解する必要があります。一般に、テレセントリックレンズは、オブジェクトスペース、イメージスペース、または二重または双テレセントリック設計として提供されます(図3を参照)。多くのメーカーがこれらのタイプのレンズを提供していますが、画像空間テレセントリックレンズは、画像投影装置でより一般的に使用されており、マシンビジョンアプリケーションではめったに使用されません。

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テレセントリックレンズでは、使用するレンズのタイプに応じて、入口または射出瞳の中心を通る主光線は、レンズの片側または両側で光軸に平行です。マシンビジョンシステムでは、これらのレンズタイプの中で最も頻繁に使用されるのは、オブジェクト側のテレセントリックです。これらの設計では、主光線は測定対象に平行であり、レンズシステムを使用して画像をCCDまたはCMOSカメラに焦点を合わせます。これらのレンズは物体側でのみテレセントリックであるため、必要なレンズ要素はバイテレセントリックレンズよりも少なく、結果としてコストが低くなります。

2/3インチまたは1/2インチのいずれか。フォーマットセンサーであるEdmundOpticsは、TechspecGoldシリーズで2つのシリーズのオブジェクト側テレセントリックレンズを提供しています。2/3インチながら。シリーズには、2/3インチのいずれかで使用するための5つのレンズが含まれています。またはより小さなセンサー、1/2インチ。シリーズには、1/2インチで使用するための4つのレンズが含まれています。またはより小さなセンサー。1/2インチ。シリーズは、2/3インチの最大FOV値を一致させることにより、フィールドカバレッジを最大化します。シリーズ、より小さなカメラでより大きなフィールドを可能にします。これらのレンズは、定義された被写界深度にわたって一定の倍率を生み出し、指定された作動距離範囲で0.2°未満のテレセントリック性を提供します。

オブジェクトと画像のスペース

多くの物体空間テレセントリックレンズは、固定焦点距離で提供されます。ただし、一部のマシンビジョンアプリケーションでは、キャプチャされた画像のサイズを光学的に大きくする必要がある場合があります。これらのニーズに対応するために、一部の企業は、ユーザーがレンズの物体側のテレセントリック性を維持しながら、画像の場所で焦点距離を変更できるテレセントリックズームレンズを提供しています。これを実現するには、テレセントリックズームレンズシステムがフロントエンドの光学系とストップをフロントレンズとリアレンズの間で異なる速度で自動的に移動する必要があります。これらのレンズシステムは固定焦点距離レンズよりも機械的に洗練されているため、ズームテレセントリックはほんの一握りの企業によって提供されています。

たとえば、Navitarの12倍テレセントリックズームレンズシステムは、一定の遠近法と倍率を維持しながら、0.3°未満のテレセントリック性を提供します。188 mmの作動距離で50〜4 mmの範囲のフィールドカバレッジを備えた、12xテレセントリックは、0.16x〜1.94xの倍率範囲で調整可能な焦点距離を提供します。

場合によっては、特に高精度の測定では、光学収差と幾何学的歪みの影響を低減するために、物体面と像面の両方でテレセントリック性を提供するバイテレセントリックレンズを使用する必要があります。ダブルテレセントリックレンズの焦点距離は無限大であるため、センサーの位置によって画像サイズがFOV全体で変化することはありません。したがって、バイテレセントリック設計は、同じ倍率を維持しながら、より大きな被写界深度と、画像化されるオブジェクトが移動できるより大きな範囲を持つことができます。

CCDおよびCMOSセンサーはますます小さなピクセルで開発され続けているため、これは特に重要です。個々のピクセルに光を集中させるために、イメージャーベンダーは現在マイクロレンズアレイをセンサーに組み込んでいます。これらのレンズは、個々のピクセルの上に配置され、入射光線が法線から5°以下に発散する場合に最も効果的です。このため、レンズの物体側と像側の両方にテレセントリック性が存在するバイテレセントリックレンズは、入射光をより効果的に集束させることができます。これらのレンズは、単一の物体側テレセントリックレンズよりも高価ですが、物体測定の精度が向上します。

バイテレセントリックレンズのもう1つの利点は、均一な照明です。光線の円錐が同じ傾きで検出器の表面に当たる画像空間内の光線の特定の経路により、ピクセルはすべての検出器のサイズにわたって同じ強度で照らされます。この機能はあまり知られていませんが、色の均一性を制御する必要があるアプリケーションには非常に役立ちます。

レンズは、V-Plus Technologies、Navitar、Schneider Optics、SillOpticsなどの多くの企業から提供されています。たとえば、シュナイダーオプティカルのXenoplanバイラテラルテレセントリックレンズは、2/3インチで動作するように設計されています。CCDカメラをフォーマットし、調整可能なアイリスとフォーカスコントロールを備えています。これらの固定焦点距離レンズは、1:1、1:2、1:3、1:4、および1:5の固定倍率の5つの異なるモデルで構成されています。

SchneiderOpticsのRolfWartmannが指摘しているように、双テレセントリックレンズを精密測定レンズとして使用しない場合、焦点がぼけるときに非対称またはドリフトエッジ画像が発生します。これはエッジの不正確な検出につながり、その結果、理論的に可能な精度が明らかに達成されません。両側テレセントリックレンズはこれらの欠陥を示さないため、理論的に可能な精度に近づけることができます(www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htmを参照)。

フレネルレンズ

オブジェクトスペーステレセントリックレンズシステムには、少なくともFOVと同じ大きさのフロントエレメントが必要です。このため、16インチでも表示できる従来の物体空間テレセントリックレンズ。フィールドは非常に高価であり、非常に重いです(図4を参照)。これを克服するために、LightWorksなどの企業は、重量、コスト、および長さを削減するためにフレネルレンズを組み込んだテレセントリックレンズを開発しました。フレネルベースのテレセントリックレンズは通常、フレネルフォームのフロントエレメントが平凸または平凹レンズに似ており、狭いリングにカットされて平らになっているように設計されています。通常、フレネルレンズは薄い溝付きの成形プラスチックでできており、後部の要素は従来の光学系で設計されています。

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テレセントリックシステムの一部としてフレネルレンズを使用することには、大きな利点が1つあります。フレネルレンズは、他の方法で実用的または可能であるよりもはるかに大きなFOVに対応するように構築できます。従来のテレセントリックレンズの実際的な限界は、約12〜16インチの範囲である可能性があります。LightWorksは、42インチものFOV用のフレネルベースのテレセントリックシステムを設計および構築しました。

それらの利点にもかかわらず、フレネルレンズベースのシステムは限られています。フレネルレンズには色補正がないため、通常、LED光源などのほぼ単色の光で使用するのが最適です。そうしないと、画像化されているオブジェクトの周囲に色の縞が現れる可能性があります。また、従来のレンズと比較して、フレネルレンズの画質はせいぜい公平であり、高精度のゲージングアプリケーションや小さな欠陥の検出には適していません。フレネルレンズからの光損失も、レンズの溝での光散乱とレンズ自体の反射防止コーティングの欠如のために比較的大きくなります。それにもかかわらず、低解像度のアプリケーションでは、フレネルベースのテレセントリックレンズが非常に実用的で費用効果の高いソリューションになる可能性があります。

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興味深いことに、キヤノンは、回折格子が向かい合って結合されている2つの単層回折光学素子を使用する回折光学(DO)技術で、このようなレンズに関連する問題を克服したと主張しています(図5を参照)。波長が長いほど回折角が大きいためレンズに近い画像が形成され、波長が短いほど回折角が小さいためレンズから遠い画像が形成されるため、DO素子を従来のガラス光学系と組み合わせると色収差が相殺されます(キヤノンを参照)。 Webサイト)。残念ながら、このテクノロジーの使用は、テレセントリックレンズベースの設計への道をまだ見つけていません。

ペリセントリック光学系は360°のビューを提供します

多くのマシンビジョンシステムは、ピースの複数の面を検査するために使用され、多くの場合、円筒形または球面の100%検査が必要です。過去には、これらの検査は、部品の周囲に配置された一連のカメラを使用して行われ、各カメラは部品の特定の側面または部分の画像をキャプチャしていました。

残念ながら、このアプローチでは、必要なカメラの数が多いため、システムコストが増加します。さらに、各カメラは特定の角度で作品を撮影する必要があるため、撮影するオブジェクトは正確に配置する必要があります。これらの問題を克服するために、表面のすべての特徴の画像を達成するために必要なカメラが1つだけであるような光学的アプローチが開発されました。

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これらのレンズは、対物レンズ内の光線の経路のためにペリセントリックと呼ばれます。開口瞳孔は、オブジェクト空間から、前面の光学グループの周辺ゾーンの周りを移動しているように見えます。オブジェクトの前面とその周囲の側面の両方の画像をキャプチャするために必要なカメラは1つだけです。レンズがシリンドリカルオブジェクトを画像化すると、前面とシリンドリカル面の両方が同時に画像化されます。

ガラス瓶、アルミ缶、その他の消費者製品のパッケージなどの部品の検査によく使用されるこのアプローチの利点は、すべてのオブジェクトの特徴を同じフレームで画像化でき、単一のアルゴリズムで処理してフラットを取得できることです。円筒面の表現。