シュナイダー社高解像度マシンビジョン用レンズ Dirk Muschert, May 2013

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つねときやまがた
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2 シュナイダー社高解像度マシンビジョン用レンズ Dirk Muschert, May 2013

信頼と協力が最重要です Schneider 1 group 8 companies local partner network Jos. Schneider Optische Werke GmbH Germany Schneider Optics, Inc. New York & CPO Los Angeles, USA Schneider Asia Pacific Ltd.

3 信頼と協力が最重要です Schneider 1 group 8 companies local partner network Jos. Schneider Optische Werke GmbH Germany Schneider Optics, Inc. New York & CPO Los Angeles, USA Schneider Asia Pacific Ltd. Hong Kong Schneider Optical Technologies (Shenzhen) Co. Ltd. China Schneider Bando Ltd. Seoul, Korea Pentacon GmbH Dresden, Germany Schneider Kreuznach ISCO Division GmbH & Co. KG Göttingen, Germany

4 ユニット製造業 : 全世界に更には其れを超えて

5 全ては理想的な撮影性能のためですマシンビジョン用レンズ高い光学的解像度産業用 CCD 及び CMOS カメラ用極限環境のための堅牢設計

6 全ては理想的な撮影性能のためです高度なセキュリティー ( 交通統制強化等 ) 用のレンズ VIS から NIR までナンバープレート認識用の高解像度コンパクトなサイズと堅牢な設計マシンビジョン用レンズ

7 全ては理想的な撮影性能のためです表面及び紙布類検査用レンズ数 µ に及ぶ高解像度イメージサークルが大きいので高解像度ラインスキャンカメラ ( 最大 16kまで ) に対応モジュラー方式なのでソリューションがフレキシブルなソリューションに対応マシンビジョン用レンズ高度セキュリティー ( 交通統制強化等 ) 用レンズ

8 シュナイダー社の産業用光学機器事業部門シュナイダー社のビジョン : シュナイダー社は産業用及び非製造業用の映像処理アプリケーションのためのビジョンシステム技術を改善したいと考えておりますシュナイダー社の業務内容 : シュナイダー社はイメージ処理用の高品質な光学ソリューションを供給しトータルシステムの設計者や装置製造者の皆様がビジョンシステムを発展させることを支援をしますシュナイダー社のエンジニアリングと製品開発はお客様との長年のパートナーシップから学んだお客様のご要請のお陰で促進されてきました社員はシュナイダー社の成功のための基本的要因です社員の使命感がお客様の抱える諸問題を解決するものと確信しておりますシュナイダー社には光学機器設計製造における 100 年の経験が有りますので優れた製品を設計製造しお客様にプロフェッショナルらしいコンサルティング及びサポートを行いお客様の成功に貢献することができます

9 産業用光学機器事業部門 Jos. Schneider Optische Werke GmbH が設計し開発し製造しマーケッティングするもの : 光学及び光学器械コンポーネントマシンビジョンのためのサブアッセンブリー及びその他の画像処理アプリケーション競争上の強み : 世界的光学設計製造専門技術光学的及び機械的高品質堅牢な光学- 器械アッセンブリーフレキシブルで個別のカスタム生産プロフェッショナルなコンサルティングアプリケーション : 表面及び布紙類の検査 LCD,PCB, ガラス金属等のAOI 太陽電池の検査等光起電アプリケーションにおけるAOI ITS 及び交通統制強化システム文書読み込み郵便物の識別と振り分け計測 2D/3D メディカル映像生体認証( バイオメトリクス )

10 市場の概要と技術のトレンド製造工程の品質保証における表面及び布紙類検査の推進要因より小さい欠陥個所の検出 (< 10 µ) 検査プロセスのより高い信頼性 ( 欠陥製品ゼロ ) より効率的な検査プロセスによるコスト削減 ( スループット増加により更に早いスキャン ) マシンビジョンコンポーネントへのインパクトラインスキャンカメラの解像度の進歩(4k, 8k, 12k, 16k, ) ラインスキャンセンサーのピクセルサイズの小型化(7µ, 5 µ, 3.5 µ) マクロイメージングのための高度な光学技術

11 求められる光学技術高品質レンズの性能を物語るイメージの特徴フィールド全面にわたってシャープでコントラストのあるイメージフィールド全面にわたって幾何学的に正確な再現イメージフィールド上のいかなる点においても均一な高性能性フィールド全面にわたって均一な輝度分布高くて均一なスペクトル伝達係数最小限の色フリンジ最小限の迷光

12 トランスファーのつながりデジタルイメージ処理アプリケーションにおける伝達の流れ : レンズ光学フィルターイメージセンサー (CCD) 電子機器部分

13 ガウス光学 H H' y Object 被写体高 Height S F S f OO' HH' d f' S' f' F' S' X y' y' Image Height イメージ高倍率 β= 映像高 y / 被写体高 y OO = トータルトラック ( 被写体から画像までの距離 ) F- 値 F#=f /EP=1/2 N.A. F- 値の実行値 F#eff=(1-β) F# EP: 入射ピーピュル ( 絞り開口径 ) n = 反射係数 ( イメージ面 ) u = 絞り開口角 ( イメージ面 ) 絞り値 =n sin u

14 光学的解像度レンズは細かい特徴を正確に高いコントラストで再現しなくてはなりません MFT(modulation transfer function ) はシャープネスとコントラストに関してイメージシステムの品質を示しますレンズの MTF はストラクチュアのサイズで決まりますこれは通常は白と黒の線のペアよりなる格子模様で 1mm あたりのペア数 (lp/mm)( 空間周波数とも呼びます ) が様々に変化します

15 円座標光軸イメージサークル : レンズによる最大映像サイズパラメータ映像高レンズのパラメーターは通常円座標上で表される - レンズは理論上完全回転対称である - 同じ半径の円周では同じ特性である - パラメータのグラフは画像高 ( 半径 ) に沿って描かれる

16 変調伝達関数 (MTF, Modulation Transfer Function) レンズのMTFは以下の事項により決定します : mmあたりのラインペアの数レンズを使う実際のセットアップで使う倍率:β ( 実効 N.A) 虹彩絞りの調整(F 数値 ) 視野角(w ): MTF(tan)~cos^3(w )

17 ナイキスト周波数ピクセルサイズ (p) が 5µ の場合ナイキスト周波数は以下のとおりとなります : 1 1 R N = = = 100 Lp/mm 2 x p 0,005 x 2 ナイキスト周波数は 1mm あたりのラインペア数の限界です例えばセンサーのピクセルサイズで決定されますそれが最大可能解像度です

レンズの解像度 % Contrast [%] ( ) From 製品の例から our excample: 理想的コントラスト特性 : ナイキスト周波数までは 100% コントラストナイキスト周波数を超えたらコントラストは 0% 現実のコントラスト特性 : 低い空間周波数では高いコントラスト高い空間周波数では低いコントラストレンズの選択における通常の判断基準は 0.

18 レンズの解像度 % Contrast [%] ( ) From 製品の例から our excample: 理想的コントラスト特性 : ナイキスト周波数までは 100% コントラストナイキスト周波数を超えたらコントラストは 0% 現実のコントラスト特性 : 低い空間周波数では高いコントラスト高い空間周波数では低いコントラストレンズの選択における通常の判断基準は 0.67 ナイキスト周波数において 30% 以上のコントラスト空間周波数 Spatial frequency R in Line Pairs per mm R:1mm [1/mm] あたりのラインペア数 Abb.1 MTF as function MTF- 空間周波数特性 of the spatial frequency 注意 ) トータルシステムの MTF はレンズの MTF フィルターの MTF イメージセンサーの MTF 電子部分の MTF の積になります

相対照度相対照度とは光軸から最大画像高までの照度の減少 (%) でビグネッテイングとも言います

光学器設計者が特に高相対アパーチャレンズに意図的に組み入れるビグネッティングは区別されます f/5.

8 image circle radius center / optical axis 21.6mm = rel.

19 相対照度相対照度とは光軸から最大画像高までの照度の減少 (%) でビグネッテイングとも言います自然のビグネッテイングがフィールド角の ~cos^4(w) に従って不可避的に生じるのに対して光学器設計者が特に高相対アパーチャレンズに意図的に組み入れるビグネッティングは区別されます f/5.6 + f/8.0 相対照度色々な焦点距離倍率における相対照度 f/2.8 image circle radius center / optical axis 21.6mm = rel. image height magnification 倍率被写体 object - to イメ image ージ間距離 distance 照度減少なし 25% 減少 50% 減少 75% 減少

20 幾何学的ディストション ( たわみ ) 実主光線ディストーション ( ポジティブ ) θ 近軸主光線イメージ高 y' = f' Tan θ ディストションとはフィールド内の位置の変数として倍率が変化することです Zero ディスト Distortion ション無しネガティブつまり樽型ポジティブつまりピンクッション型

21 幾何学ディストション GD% = h' - h h x 100 GD% = 幾何学ディストーション (Geometric Distortion) h = イメージ高 ( ディストション無し ) h = 実際のイメージ高 ( ディストション有り ) 例 GD% = 10% h = 4.5mm h = 4.95mm ( 実際のイメージ高 )

22 DOF 被写体平面イメージ平面フィールド深度フォーカス深度 DOF(depth of field フィールド深度 ) は被写体のシャープな画像が映る距離の範囲です DOF は F 値により強く左右されますカメラ内臓センサーの取り付け位置及び角度の機械的誤差やレンズハウジング及びインターフェースの機械的誤差は DOF( フィールド深度もフォーカス深度も共に ) を損ないますレンズの焦点 MTF データにより最適焦面位置からの距離により変化するイメージの出来具合に関する詳細な情報がにより得られますレンズ光軸とセンサの間の機械的誤差は高倍率撮影の場合大きな問題となります

23 マシンビジョン用標準製品 : コンパクト C- マウントレンズ : 焦点距離 4.8mm 70mm センサーフォーマット最大 2/3 inch: CNG 1.8/4.8, CNG 2.1/6, CNG 1.4/8, CNG 1.4/12 XNP 1.4/17, XNP 1.4/23, XNP 1.9/35 Tele-Xenar 2.2/70 センサーフォーマット最大 1 inch: CNG 1.9/10, CNG 1.8/16 センサーフォーマット最大 22mm ダイアゴナル : XNP 2.0/28, XNP 2.8/50

24 マシンビジョン用標準製品 : 高感度 C マウントレンズ : 最大センサーフォーマット 2/3 inch: Xenon 0.95/17 最大センサーフォーマット 1 inch: Xenon 0.95/25

0/45 Componon-S 2.8/50 最大センサーサイズ 60mm: Apo-Componon 4.0/60 最大センサーサイズ 80mm: Componon-S 4.

25 マシンビジョン用標準製品 : モジュラー Macro システム : 焦点距離 28mm 150mm 最大センサーサイズ 30mm: Componon 2.8/28, Componon CPN 2.8/35 最大センサーサイズ 43mm: Apo-Componon 2.8/40, Apo-Componon 4.0/45 Componon-S 2.8/50 最大センサーサイズ 60mm: Apo-Componon 4.0/60 最大センサーサイズ 80mm: Componon-S 4.0/80, Apo-Componen 4.5/90 センサーサイズ 100mm: Componon-S 5.6/100, CPN-S 5.6/135, CPN-S 5.6/150 Makro-Symmar 5.6/80

26 マシンビジョン用標準製品 : 高解像度ラインスキャン用レンズ : Makro-Symmar 5.6/120 最大 12k までの高解像度ラインスキャン用最大 90mm までの大きいイメージサークル高解像度ラインスキャン用レンズ最小 5µ のピクセルまで高い光学解像度低いディストーション拡大率による4つのバージョン : 1X, 0.75X, 0.5X, 0.33X

27 マシンビジョン用標準製品 : テレセントリックレンズ : 1:1 1:5 最大 2/3 インチまでのセンサーフォーマットに対応できる対称型テレセントリックレンズ Xenoplan 1:1 Xenoplan 1:2 Xenoplan 1:3 Xenoplan 1:4 Xenoplan 1:5

28 マシンビジョン用標準製品 : 産業用フィルター : - UV カット, IR カット, UV-IR カット - IR 透過 - カラーフィルター - 減光フィルター - 偏光フィルター - 帯域透過干渉光除去フィルター - 反射防止その他薄膜コーティング

MacroVaron 4.5/85 CAS 0.5X-2.0X 0.5 倍 2 倍高解像度検査用レンズ CAS(Continuous Aberration Suppression 連続収差補償機能 ) 付き焦点距離 : 85mm F#: 4.5 倍率レンジ : 0.50X - 2.00X (CAS で調節 ) CAS は動力付加可能 : トゥースシステム m=0.

29 MacroVaron 4.5/85 CAS 0.5X-2.0X 0.5 倍 2 倍高解像度検査用レンズ CAS(Continuous Aberration Suppression 連続収差補償機能 ) 付き焦点距離 : 85mm F#: 4.5 倍率レンジ : 0.50X X (CAS で調節 ) CAS は動力付加可能 : トゥースシステム m=0.5 z=95 イメージサークル : 62mm ( 対応センサー例 : 8k 7µ, 8k 5µ, 12k 5µ) 歪率 : < 0.1% 比明度 : 85% for 2y =62 β = 連続的超高多色性 MTF: 全フィールドにわたり 70 lp/mm に対して 30% 波調レンジ : 400nm 700nm 厳重なアイソプラティズム : 全ての倍率レンジにわたってコマ収差がありません高次の色収差補正妥協を許さない CDM (chromatic differences of magnification 倍率色収差 ) 重視波動光学重視の最適化, 全開状態で最高の性能を実証このレンズには回折による性能限界があります!!!

30 ビームスプリッター付 3.5 倍 MacroVaron 4.5/85 同軸照度用ビームスプリッタープリズム付 3.5 倍検査用レンズ焦点距離 : 85mm F#: 4.5 倍率 : 固定 3.5x イメージサークル : 62mm ( センサー例 : 8k 7µ, 8k 5µ, 12k 5µ) 歪率 : < 0.1% 組み込まれた同軸照明用ビームスプリッタープリズムビームスプリッタープリズムが補償して MTF を最適化するように光学設計 WD ( 被写体 -BS プリズム ): 64mm

5 メガピクセル用 C- マウントレンズソニー ICX 625 (5 MP) ピクセル数 : 2456 2058 ピクセルサイズ : 3.45µ 3.

31 5 メガピクセル用 C- マウントレンズソニー ICX 625 (5 MP) ピクセル数 : ピクセルサイズ : 3.45µ 3.45µ センサーダイアゴナル :11,0mm ナイキスト周波数 : 145lp/mm 2/3 ナイキスト : 97 lp/mm このセンサーに対応するレンズはイメージサークル 11mm および 97lp/mm における MTF30% が必要です 5MP に対応する Apo-Xenoplan レンズの Schneider-Kreuznach シリーズ : Apo-Xenoplan 1.4/17 Apo-Xenoplan 1.4/23 Apo-Xenoplan 1.8/35 コンパクトな設計 nm で最適化したトランスミッション VIS 及び NIR 補正焦点と絞りに長期間安定ロッキング機能

32 マイクロレンズ付きセンサーに対応するシェーディング除去レンズピクセル上の電子回路 CMOS イメージセンサーレンズ堅牢な側面が周辺の光を遮断シリコン基層マイクロレンズが最大限の光を集めるのでセンサーのフィルファクタは増加しますただしマイクロレンズが来た光を効率よく集めてピクセルの活動的な部分に焦点を結ばせ得る角度には許容範囲が有ります

33 マイクロレンズ付きセンサーに対応するシェーディング除去レンズテレセントリックレンズ ( イメージ側 ) 従来型のレンズ : イメージの周辺では入射角がマイクロレンズの許容角度を超えるのでシェーディングが起きるイメージサイドテレセントリックレンズ : 入射角はマイクロレンズの許容角度内なのでシェーディングは起こらない

34 マイクロレンズ付きセンサーに対応するシェーディング除去レンズピクセルマイクロレンズ付きセンサーに対応する Apo-Xenoplan レンズの Schneider- Kreuznach シリーズ : Apo-Xenoplan 2.0/20 Apo-Xenoplan 2.0/24 Apo-Xenoplan 2.0/28 Apo-Xenoplan 2.0/35 C- マウントイメージサークル 24mm マイクロレンズ付き CCD 向けに最適化コダック 4 MP 及び 8 MP センサー用に設計波長レンジ nm 非常に高いイメージパーフォーマンスコンパクトで強靭な設計

35 InGaAs センサー用の SWIR レンズ nm 用近赤外線レンズ SWIRON 1.4/23 : コンパクト C- マウントレンズイメージサークル 11mm SWIRON 2.8/40 : V- マウントインターフェース付き Macro レンズイメージサークル 43mm 全体透過 total transmission 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% XNP 1.4/23 コーティング Coatings :: broadband coating vs. SWIR coating ブロードバンドコーティング v.s. SWIRコーティング 0% nm Broadband フロートハントコーティンク Coating nm SWIR Coating コーティンク平均透過率約 94% ( nm) イメージサークル全体で一様なコントラストディストションは 1% 未満近赤外線帯域での透明度が高いガラス素材を使用近赤外線帯域における迷い光を最小化するラッカーを内側に塗布

36 Lenses for 1/1.8 format sensors 1/1.8 フォーマットセンサー対応 Schneider-Kreuznach シリーズ Xenon-RUBY レンズ : Xenon-RUBY 2.2/10 Xenon-RUBY 2.3/16 Xenon-RUBY 2.2/25 Xenon-RUBY 2.3/35 コストを抑えた C- マウントイメージサークル 9mm 波長レンジ nm 高イメージ性能コンパクトで堅牢なデザイン

37 産業用 F- マウントレンズ Xenon-Emerald 2.8/28: F#2.8, 焦点距離 28mm Xenon-Emerald 2.2/50: F#2.2, 焦点距離 50mm Xenon-Emerald 2.8/100: F#2.8, 焦点距離 100mm ラインスキャンセンサー及び大型平面センサー向けの設計イメージサークル 43.2mm トランスミッション nm 低ディストション産業用の環境に対応した堅牢な機械部分焦点と絞りの設定にロック機能 F- マウントインターフェース

16K ラインスキャンカメラ対応のソリューション : e2v カメラ : 16,384 ピクセル 5µm ピクセル径ナイキスト周波数 100 lp/mm 所要イメージサークル 82mm M95 レンズインターフェース, 9.4mm センサー距離シュナイダー SR 5.6/120 シリーズ (0.3 倍 1.

38 16K ラインスキャンカメラ対応のソリューション : e2v カメラ : 16,384 ピクセル 5µm ピクセル径ナイキスト周波数 100 lp/mm 所要イメージサークル 82mm M95 レンズインターフェース, 9.4mm センサー距離シュナイダー SR 5.6/120 シリーズ (0.3 倍 1.0 倍 ) が使用できます : M95 延長チューブ, M95 to M58 アダプター, Unifoc 76 フォーカスマウント Dalsa, Takenaka 製カメラ及びその他 : 16,384 ピクセル 3.5µm ピクセル径ナイキスト周波数 143 lp/mm 所要イメージサークル 58mm M72 レンズインターフェース, 12.0mm センサー距離最大限の解像度をお使い頂くために新シリーズのレンズ Xenon-Sappire シリーズ (0.02 倍 1.75 倍 ) を開発しました :

39 16k 及び 12k 用 Xenon-SAPPHIRE レンズシリーズ 3.5µ ピクセル 16k ラインスキャンセンサー用無限大から 0.7 倍までの異なる光学倍率に対応最少 3.5µ までの極小ピクセルに対応できる高解像度イメージサークル 62mm 全フィールドにわたり一定の MTF 超高 MTF レンズとして 12k 用にも使用可型式 : 0.02x Xenon-SAPPHIRE 4.7/ x Xenon-SAPPHIRE 4.5/ x Xenon-SAPPHIRE 3.9/ x Xenon-SAPPHIRE 3.7/ x Xenon-SAPPHIRE 3.5/ x Xenon-SAPPHIRE 3.2/ x Xenon-SAPPHIRE 3.2/ x Xenon-SAPPHIRE 3.2/97 計画中 : 2.0 倍 Xenon-SAPPHIRE

40 1.75 倍 Xenon-SAPPHIRE レンズ極めて微細な欠陥個所を検出する超高分解能 16k 3.5µm と共に使えば 2µ の幾何学的解像度 12k 5µm と共に使えば 3µ の幾何学的解像度若干の妥協をすれば 16k 5µm でも使用可超高 MTF なのでレンズ的には 1.5 µm~2.0 µm レンジの欠陥個所も検出できます 2 つのバージョン :BS( beam splitter) 付と BS なし Xenon-SAPPHIRE 3.2/ バージョン : ビームスプリッターなし Xenon-SAPPHIRE 3.2/ バージョン ; ビームスプリッタープリズムを内蔵最適設計により最大イメージ性能を発揮

41 2.6 倍 Xenon-DIAMOND レンズ極めて微細な欠陥個所を検出できる超高分解能 16k 3.5µm と共に使えば 1.4µ の幾何学的解像度 12k 5µm と共に使えば 2µ の幾何学的解像度若干の妥協を許せば 16k 5µm でも使用可 1.5 µm~2.0 µm の欠陥個所も検出できます 2 つのバージョン :BS( beam splitter) 付と BS なし : Xenon-DIAMOND 2.9/ バージョン : ビームスプリッターなし Xenon-DIAMOND 2.9/ バージョン ; ビームスプリッタープリズムを内蔵し最高イメージ性能時には同軸照明をするよう設計されている

42 国内お問合せ先 : クロニクス株東京都新宿区西新宿2-3-1 新宿モノリス13階 sales@chronix.co.jp Tel : Fax :

シュナイダー社高解像度マシンビジョン用レンズ Dirk Muschert, Feb 2012

シュナイダー社高解像度マシンビジョン用レンズ Dirk Muschert, Feb 2012 信頼と協力を重視します Schneider 1 group 8 companies local partner network Jos. Schneider Optische Werke GmbH Germany Schneider Optics, Inc. New York & CPO Los Angeles,

シュナイダー社 高解像度マシンビジョン用レンズ Dirk Muschert, May 2013

シュナイダー社高解像度マシンビジョン用レンズ Dirk Muschert, May 2013