良質なイメージングを得るための11のベスト・プラクティス

　お客様のアプリケーションがマシンビジョン、ライフサイエンス、セキュリティ、或いはITSシステムにかかわらず、イメージング技術の基本を理解しておくことは、洗練されたイメージングシステムの開発や導入に欠かせません。センサーや照明技術の進歩がシステム対応力に無限の可能性を秘める一方、これらの技術のデザインや製造には物理的限界があるのも事実です。光学部品もこの例外ではなく、オプティクスがシステム性能の制限因子になることもしばしあります。本ガイドに紹介するコンテンツは、お客様がイメージングシステムの特定やシステム性能の最大化を行い、かつ投資コストを最小化するのをサポートする目的でデザインされました。

　大抵のアプリケーションに適用可能な、洗練された費用対効果の高いイメージングシステムを構築するためのベスト・プラクティスをまとめました。以下に紹介する考察は、イメージングシステムを設計する際に考慮するべきポイントをほぼ余すことなく解説していますが、どのアプリケーションも各々に独自で、追加の考察が必要となるかもしれません。

EO ベスト・プラクティス #1：多くの場合、大きいことは良いことだ。イメージングシステムに広い空間を確保させる。

　システムを組み立てる前に、その空間的要求を理解することは、特に高解像力や高倍率を求める場合に必然となります。コンシューマーカメラ技術の昨今の進歩により小型化という著しい結果を生み出してはいるものの、その寸法的制約から、中級以上の産業用イメージングシステムに必要とされるところにはある種まだたどり着いていないのが現状です。多くのアプリケーションでは、複雑な幾何光学や、口径が大きく全長の長いレンズ、また寸法の大きなカメラが必要になることがあります。これは、その装置を駆動するために必要となるケーブル類や電源機器も同様です。システム性能を犠牲にしないということは、システムの空間的要求を考慮に入れないことにも繋がっていきます。システムのビジョン部分を最初に特定することは、同部周囲にあるエレクトロニクスや機構部品をアレンジしていくことをより簡単にするため、多くの場合において都合が良いと言えます。また照明もビジョンシステムの一部として重要な要素であり、検査対象物体の幾何学的形状が時に大きな寸法の光源 (例えば拡散ドーム照明など)を必要とすることがあることを理解するのも重要です (EO ベスト・プラクティス #4 を参照)。

EO ベスト・プラクティス #2：眼を信じるのはやめましょう。

　人の眼と脳の組み合わせは、そこにない情報までも埋めてしまう能力を持つとりわけ進化したイメージング/分析システムです。加えて、人はイメージングシステムとは異なるコントラストで物体を観察し、処理します。画質や性能要件が合っていることを確認するのに、ソフトウェアを用いた分析手法が用いられるべきですが、観察者には良いと見える画像は、アルゴリズムに用いることができないかもしれません。

EO ベスト・プラクティス #3：危険です！　近づけすぎないで。

　レンズの作動距離の長さに比べて極端に大きな視野サイズを得ようとすると、その物理的拘束から、光学部品のデザインに過度の要求を強いることになり、システム性能を低下させる結果につながります。性能を最大化しながらコストや複雑性を最小化するために、レンズの作動距離を必要とする実視野サイズのおおよそ2~4倍の大きさにすることが推奨されます。システムを組み立てる前にEO ベスト・プラクティス #1を思い出し、イメージングシステムの空間的要件を今一度考えてみましょう。

　この考察は、センサーサイズと焦点距離の関係にも適用できます。レンズの性能を最大化するために、レンズの焦点距離をセンサーサイズの対角長の2~4倍の大きさにするのがベストです。

ベスト・プラクティス #1 & #3： もし100mmの実視野サイズが必要な場合、システムの作動距離は200~400mmが推奨されます。作動距離 (WD)と実視野 (FOV)の大きさの比を1:1かそれ以上にしたシステムも可能かもしれませんが、潜在的にコストと性能にかなりのトレードオフをもたらします。

Two Lens Designs with the same Field of View and very different Working Distances

Figure 1: 2つのレンズデザイン 1a (左図)と1b (右図)は、どちらも同じ実視野サイズを有しますが、作動距離は全く異なる

　Figure 1aとFigure 1bに紹介したどちらのレンズも、同一センサー上で同じ実視野サイズで撮像します。しかしながら、レンズ1aの作動距離は実視野の半分の大きさなのに対し、レンズ1bの同距離は実視野の3倍の大きさです。レンズ1aを通る光は極端な大きさの画角があり、視野の端から届く光 (マゼンタ色と赤色の線)は、視野の中心から届く光 (青色の線)よりもかなり長い距離になります。これとは対照的に、レンズ1bは同じ大きさの実視野をより小さな画角で実現し、視野の端から届く光と中心から届く光の光路長差がより小さくなっています。結果として、レンズ1bは複雑ではないデザインとなり、優れた性能を低コストで実現します。

EO ベスト・プラクティス #4：あなたの生活を“明るく”しましょう。大切なことです。

　適切なライティング技法の選定は、非常に科学的です。レンズとセンサーが共に効果的に機能するために、物体に光を適切に当てて高いコントラスト画像を作り出さなければなりません。検査対象物の性質と、画像として映し出したい全ての欠陥部の性質を理解し、適切な照明法を用いなければなりません。なおこれらの光源は時にとても大きな寸法のものになります (EO ベスト・プラクティス #1を参照)。

　照明法に関する詳細は、アプリケーションノートの照明方法の正しい選択をご覧ください。

EO ベスト・プラクティス #5：色も大切です。

　照明に用いられる波長 (色)は、システム性能の改善や低下に大きなインパクトを与えます。例えば、高品質オプティクスと最上位グレードのラインセンサーを用いたアプリケーションにおいて、照明を広帯域放射のものから単色光または特定波長帯放射のものに切り替えると、性能をかなりの程度で改善できます。EO ベスト・プラクティス #4でも解説していますが、波長の適切な選択によって高コントラストとゼロコントラスト間の違いを作り出します。波長が適切に選ばれているかどうかに依存して、照明の色がシステムを成功にも、或いは失敗にも導くことがあります。

　適切なフィルタリング技法がシステム性能にどのようなインパクトを与えるかを理解するため、アプリケーションノートのマシンビジョンでのフィルター適用をご覧ください。

EO ベスト・プラクティス #6：出来るのはどちらか一つ。高い解像力と深い被写界深度は共存できない関係。

　アプリケーションノートのFナンバー (レンズの絞り/開口の設定)にも解説している通り、解像力と被写界深度を最大化することは、レンズの可変絞り用リング、即ちFナンバーを各々違う方向に持っていくことを意味します。本質的に、とても高い解像力を深い被写界深度内にわたって持つことは不可能です。物理学でもこれが出来ないことを明言しており、どこかで妥協するか、或いはマルチイメージングシステム等を使うなど、より手の込んだソリューションを導入する必要があります。

EO ベスト・プラクティス #7：全方位的なソリューションは存在しない。全てのことを行える単一レンズは存在しません。

　解像力に対する要求が増えると、作動距離と実視野の広範にわたって光学的収差 (画質に大きな影響を与える光学設計上の諸属性)を減らすことが次第に難しくなります。予算をかけたとしても、限界があります。この理由から、同様のアプリケーションに対して複数のレンズ製品で対処するといったソリューションが求められます。

EO ベスト・プラクティス #8：　認識すべし。検査対象物を深く理解する。

　イメージングの基本は、検査対象物の可能な限り最も高いコントラスト画像を作り出すことです。そのため、材質や仕上げといった対象物の特性の理解は、アプリケーションの成功のためにも欠かせません。加えて、どのパーツが良品でどのパーツが不良品であるかを単に知ることも十分ではありません。高位の信頼性と再現性を確保するため、検査される細部 (ディテール)のレンジや良品/不良品に対する限界をむしろ理解していなくてはなりません。

EO ベスト・プラクティス #9：制御オタクになれ。

　イメージングシステムを導入する環境を制御できれば、画像結果の信頼性や一貫性に十分な影響を与えられます。加えて、偶発的問題の可能性も減らすことができます。フィルターを用いてコントラストを高めたり、遮光バッフルを用いてシステム内に入ってくる不要な光の侵入を遮ったり、或いは計測デバイスを用いて光源の分光的安定性を監視したりするなど、環境を制御することは、将来的な想定外の事態の発生頻度を減らすことに繋がります。これらの技法のいくつかは極めて低コストで導入でき、高価なイメージングシステムの性能を守り、そして高めます。

EO ベスト・プラクティス #10：躊躇せず尋ねよ。

　ある構成部品が上手く機能し、別の部品が上手く機能しない理由を尋ねるのをためらわないでください。システムサプライヤーは、ビジョンシステムを構成するどの部品が要求する結果を達成でき、どの部品が達成できないのかの理由を説明できなければなりません。答えはいつも同じではなく、時には物理的法則の限界からであったり、時には部品のデザインや状態に関連した役不足によるものだったりします。光学部品製造は科学的であり、設計者や製造者はその事象が起きている理由を説明できる能力がなければなりません。