ここまで進化した! 外観検査システムの今 表 2 2 焦点ラインスキャンカメラ製品仕様 項目 仕 様 ラインセンサ 4K ラインセンサ 2 光学系 ビームスプリッター (F2.8) ピクセルサイズ 7μm 7μm, 4096 pixels 波長帯域 400nm ~ 900nm 感度 可視光 : 量子

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1 2 焦点ラインスキャンカメラ 株式会社ブルービジョン 当社は プリズムによる分光を用いた特殊カメラ 専用レンズの製造販売を行っている 本稿では プルズム分光技術を使用し 可視領域で異なる 2 面に焦点を結ぶようにラインセンサを配置した 2 焦点ラインスキャンカメラ ( 写真 1) および専用レンズについて紹介する 1 開発の経緯と技術的特長 透明物体の表面と裏面の画像を同時に取得する また 凹凸のある製品 部品の形状 キズなどの同時判別には何らかの工夫が必要である 1 個のセンサでは奥行き方向の異なった面に同時に焦点を合わせることは困難だからである 光学的に十分な被写界深度を確保する方法もあるが 距離情報が得にくい問題もある 何らかの方法で異なった焦点面の画像を得るには表 1の方法が考えられる 本カメラでは 被写体から反射または透過してきた入射光をプリズムにて分光し 焦点面に配置するラインセンサの位置を異なった位置に配置することにより2 焦点画像を得ている 写真 1 2 焦点ラインスキャンカメラ 表 1 各種異焦点検出方式 異なった焦点面の撮像方法特長 複数のカメラを使用し 簡単に構成できるが 光軸を合わせる異なった焦点面情報を得る ことは困難 光学的に被写界深度を深くとる工夫を行う 時間軸で OI 長を可変し 異なった焦点面情報を得る OI 長とは 被写体から撮像面までの距離をいう プリズム分光技術にて異なる焦点面を同時に撮像する 深度 光源の工夫により達成が可能 異なった OI 長の撮像が簡単にできるが 機構系の工夫が必要 分光技術にて簡単に達成できるが 専用レンズが必要である 1.1 製品仕様表 2 は 本製品の仕様である 被写体からの入射光はビームスプリッターにて 2つの像に分離される プリズムからの射出光は 画素サイズ 7μm 4,096 画素の可視光用ラインセンサに結像してフォトンから電気信号に変換される この 2 つのセンサを光軸方向の異なった位置に配置することにより 2 焦点画像の撮像を得ている それぞれの信号は DSNU 補正 PRNU 補正 シェーディング補正 Gain 制御 露光制御 黒レベル制御等がされたのちカメラリンク信号として出力する 図 1は ラインセンサの分光特性である eizojoho industrial April

2 ここまで進化した! 外観検査システムの今 表 2 2 焦点ラインスキャンカメラ製品仕様 項目 仕 様 ラインセンサ 4K ラインセンサ 2 光学系 ビームスプリッター (F2.8) ピクセルサイズ 7μm 7μm, 4096 pixels 波長帯域 400nm ~ 900nm 感度 可視光 : 量子効率 90% 550nm 時 ラインレート 18KHz ピクセルクロック 84MHz S/N 52dB 以上 入力 外部トリガ ( ランダムトリガ ) 出力 CameraLink 8/10bit Base configuration 1 系統 同期 内部同期 外部トリガ 入力電圧 DC12V サイズ (W D H) 95mm 95mm 95mm レンズマウント M52 mount 専用レンズが必要 図 1 可視光センサの分光特性 2 プリズム分光の方法と問題点 2.1 プリズム分光方式本製品は 図 2 に示すように直角プリズムを使用した分光方式を用いている 構成として 45 入射のプリズムクラスターを 2 個接着することにより分光を得ている 分光特性は反射面での多層膜設計とセンサ プリズム間に挿入するトリミングフィルタの特性で決定される ( 特許申請中 ) 図 3は 透明な被写体を斜めから撮像し 異なった焦点画像を得る概念図である 被写体が薄い場合は 画像間の MTFに差をつけるために斜めから撮像して被写体 A B 間の距離 Eを長くとることが有利である エリアセンサの場合に斜めから撮像すると上下方向の画像がぼける傾向になるが ラインセンサの場合は この問題が発生しない 本図における使用条件を仮に ガラスの厚み 2mm ガラスのインデックス 1.5 光学系の倍率 0.5 倍とすると ガラスの厚みを空気長に換算し 図 2 プリズム分離方式 52 April 2014 eizojoho industrial

3 株式会社ブルービジョン 図 3 撮像方式 た値はおよそ 以下のようになる 2mm+2mm (1 1/1.5)= 2.67mm したがってセンサ A とセンサ B の位置は 次のように離して固定すればよい 2.67( 空気換算のガラスの厚み ) 0.5( 倍率 )= 1.3mm 本方式は 撮像したい被写体の奥行に合わせて センサ間の位置を決めなければならない したがって本製品は 受注後生産としている プリズムを使用した光学系は 1 つの光軸で異なった焦点位置の画像を得られる特長をもっているが 反面下記のような問題がある 2.2 軸上色収差の増大プリズムに入射した光はその色 ( 波長 ) によって屈折する角度が変わり 長波長の赤は大きな角度をもたずに焦点を結ぶ 言い換えれば色によって焦点距離が違った値になる この色によって光軸上の結像位置が変わることを軸上色収差という ( 図 4) 図 4 軸上色収差 2.3 倍率色収差光学系に斜めに入射した光が結像するとき その色 ( 波長 ) によって屈折率が違うため 焦点を結ぶ位置が変わり像の大きさが変化する このように 色によって像の大きさが変化することを倍率色収差という ( 図 5) 当社では これらの収差が最小限になるよう プリズムカメラ専用のレンズをラインナップしている 図 6 は 最適光学設計が行われている当社製品と一般的な F マウントレンズを使用したときの収差の違いを表している eizojoho industrial April

4 ここまで進化した! 外観検査システムの今 図 5 倍率色収差 図 6 収差補正されたレンズとされていないレンズの比較 2.4 専用レンズの特長当社の製品は センサとレンズの間に入るプリズムにて発生する光学収差を最小限に抑えかつ レンズを交換しても同等の性能が得られるように以下のような標準化設計を行っている 開放 F No.: 開放 F No.=2.8に統一することにより 光学系で発生するケラレを防止している 軸上の焦点位置 : 各波長の焦点位置を標準化し 焦点距離の異なったレンズを交換しても各波長が光軸上の同じ位置に焦点を結ぶよう配慮しているので ボケ像は発生しにくい 射出瞳長 : 結像面とレンズの射出瞳位置を長くとる設計を行うことにより 結像面の周辺端における波長シフト ( 色の変化 ) を抑えている 弊社では プリズムにて発生するこれらの収差を補正した光学設計を行い 光学設計値を標準化し レンズを交換しても光学特性が大きく変化しないように配慮している 2.5 レンズのラインナップ当社では 広範囲な被写体の大きさに対応するため焦点距離 20mmから105mmまでの6 機種を製品化している ( 図 7) また 近赤外光に対応したレンズとして焦点距離 28mから50mmのM52マウ 54 April 2014 eizojoho industrial

5 株式会社ブルービジョン Model Name BV-L1020 BV-L1024 BV-L1028 Image Sensor Length 対応イメージセンサ長 Focal length ( 焦点距離 ) 30mm 30mm 30mm f = 20mm f=24mm f=28mm Model Name BV-L1035 BV-L1050 BV-L1105 Image Sensor Length 対応イメージセンサ長 Focal length ( 焦点距離 ) 30mm 30mm 30mm f = 35mm f=50mm f=105mm 図 7 レンズの製品群 ントレンズも準備している M52 マウントはスクリューマウント方式なので レンズとカメラ間にスペーサを使用することにより最短撮影距離を短くすることができる ( 注意 : ただし ディストーション 色収差が変化するので実際にご使用になる場合は 事前に性能確認が必要である ) 3 開発事例 図 8 は 透明なアクリル板の表面と裏面にある黒線の撮像例である センサAはアクリル板の表面に焦点が合っているので 表面の黒線がMTFのよい画像として撮像できる センサ Bはアクリル 図 8 センサ A の画像 ( 左 ) とセンサ B の画像 ( 右 ) eizojoho industrial April

6 ここまで進化した! 外観検査システムの今 表面裏面表面裏面 センサ A センサ B 図 9 厚さ 5mm のガラスの表面 ( 左画像 ) と裏面 ( 右画像 ) に置いた方眼紙 板の裏面に焦点があっているので 裏面の黒線が MTF のよい画像として撮像できる 図 9は 厚さ 5mmのガラス表面と裏面に方眼紙を置いて本カメラにて撮像した画像である センサ A の画像は 表面の方眼紙に焦点が合い センサ B の画像は 裏面の方眼紙に焦点が合っている このように 2 焦点ラインスキャンカメラを使用することにより 異なる 2 面に焦点の合った画像を同時に得ることができるため 透明物体 凸凹のある被写体の検査に有効である 4 今後のロードマップ 透明物質の表裏同時検査 凸凹のある被写体の奥行き方向の検査のようにより複雑な画像計測のニーズはこれから拡大していくと考える 当社ではプリズム分光技術を用いた特殊カメラに特化した製品の提供企業として今後も製品のラインナッ プを拡大してく所存である また プリズムカメラ用レンズを準備し かつ近赤外領域にも拡大した製品の開発も行っている 謝辞 : 本製品は 新潟市に本社を置く 株式会社マイクロビジョン殿の協力を得て製品化されました 具体的な画像処理システムのお問い合わせは ( 株 ) マイクロビジョンにお願いします ( 株 ) マイクロビジョンホームページ 株式会社ブルービジョン 販売 問い合わせ先 ダイトエレクトロン株式会社画像機器グループ TEL FAX April 2014 eizojoho industrial

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