新しいセンサーとマシンビジョンアプリケーションが光学分野の進歩を推進

Apr 27, 2023

すべての画像の出典: A3

カメラが物体の画像をキャプチャする前に、レンズが物体からの散乱光を収集し、それをセンサーのアクティブ領域全体に適切に分配する必要があります。 これが、カメラ センサーと新しいマシン ビジョン アプリケーションが光学系の進歩を並行して推進する傾向にある理由の 1 つであり、光学系サプライヤーはマシン ビジョン テクノロジーの進歩に合わせて継続的に進化する必要があります。

「マシン ビジョン アプリケーションの高解像度化が常に見られます」と、最近 Edmund Optics のイメージング製品開発ディレクターに昇進した Nick Sischka 氏は言います。 「ピクセルが大幅に小さくなっていることに気づくことはなくなり、代わりにセンサーのサイズが大きくなっているのがわかります。」

Gpixel や Sony などの企業がこれまで以上に大型のセンサー (152 MP など) をリリースし続ける中、光学部品サプライヤーにとっての課題は、そのペースに追いつくことです。 これらのレンズは非常に大きく、通常写真で使用されるフルフレーム レンズよりも大きいため、新しいレンズが開発されるまでは、写真用中判レンズが最良の選択肢となる可能性があります。

「150 MP を超える非常に大きな対角 60.6 mm センサー用のレンズを開発する必要があります」と、Theia Technologies の共同創設者兼先進技術担当副社長の Mark Peterson 氏は述べています。 「残念ながら、開発コスト、レンズのサイズが大きいこと、初期生産量が少ないため、これらのレンズはプレミアム価格のままになります。」

MORITEX North America Inc.の社長、ジェイソン・ベイクラー氏もこれに同意する。 「ますます大型化するセンサーに合わせて光学系を設計する場合、特にピクセル サイズ/ピッチが非常に小さい場合には、いくつかの課題が存在します」と彼は言います。 「2 つの主な課題は、このような新しいセンサーを使用するカメラに合わせてレンズ/光学系のサイズとコストを制御することです。世の中にあるすべてのカメラ センサーに対処するという課題を超えて、これら 2 つの要因により、光学性能のトレードオフの必要性が高まります」そしてメカニカルデザイン。」

バイテレセントリックレンズの場合、モリテックスは最大の視野と目標の解像度が一致するように前レンズ/対物レンズを設計します。 レンズの前部は幅広いイメージ センサー フォーマットに適しており、ポートフォリオ内のコンポーネントの変動が最小限に抑えられ、最も高価なテレセントリック レンズ コンポーネントのコストが最適化されます。 ただし、後レンズ部分（像側）は画像フォーマットによって異なるため、必ずしも長さが最適化されるとは限りません。

そのため、Baechler氏は、「当社は、より狭いスペース要件を必要とするアプリケーション向けに、さまざまなフォーマットの物体側テレセントリックレンズを引き続き提供しています」と述べています。 ただし、これらのレンズ（モリテックスMML）は、マウントサイズが同じであれば、特定のセンサーフォーマット以下でしか使用できません。 ファクトリーオートメーションやその他の非テレセントリック固定焦点レンズ（一部の大型または高倍率の対物レンズがコストを押し上げない場合）では、製品の多用途性とコスト競争力に応じてトレードオフが増大します。

レンズ内の要素の数を最小限に抑え、作動距離 (WD)、絞り、焦点調整のための光学機械システムを簡素化することで、限られた作動距離範囲や絞りサイズに合わせてレンズを設計できます。 これにアプローチするもう 1 つの方法は、一定範囲のセンサー フォーマットをカバーする製品を設計し、さまざまなカメラに適合するマウント アダプターを提供することです。

「このアプローチには、レンズの最大画像フォーマットと比較してセンサー画像フォーマットが小さくなるため、解像度が向上するという利点があります」とBaechler氏は説明します。 「その結果、62 mm の画像対角線 (またはライン) と 5 µm ピクセル向けに設計されたレンズは、3 µm ピクセルと 43.5 mm 対角線のセンサーに適合する可能性があります。」

より大型のセンサーのリリースの増加に対応して、Navitar Inc. は、より大型のカメラ フォーマットでの使用に最適化された光学系も開発しました。 1 つの新製品は、半導体ウェーハ検査、FPD 検査、MEMS などのハイエンド産業アプリケーションだけでなく、マルチウェル実験や細胞イメージングなどのライフサイエンスおよび生物医学アプリケーションにも適しています。

Navitar のオーナー兼 CEO である Jeremy Goldstein 氏は、より大きなフォーマットのカメラを活用するための新しい光学系により、「Navitar は顧客に広い視野の画像処理を提供できるようになり、顧客は一度により多くの物体を見ることができるようになります。これにより処理が増加します」と述べています。データ収集のスループットと速度は、産業と医療の両方を含むすべての業界にとって非常に重要です。」

特に生物学的研究や機器では、サンプルのより大きな表面積を捕捉すると、意味のあるデータを収集する時間が短縮され、標識細胞の光退色が起こる可能性が減ります。 ゴールドスタイン氏によると、これまで光学系やステージを移動したり、ソフトウェアが複数の画像をつなぎ合わせるのを待っていた時間が、このシステムを使用すると大幅に短縮されるという。

業界のレポートでは、紫外線、短波赤外線、IR、ハイパースペクトルおよびマルチスペクトルを含む非可視イメージングが今後 5 年間で 30% 以上増加すると予想されています。 近年、センサー/カメラのオプションが急速に拡大するにつれてコストが低下し、新しいアプリケーションの爆発的な増加に拍車をかけています。その結果、これらの新しいアプリケーションに対応するために必要なさまざまなレンズの需要も拡大しています。

Peterson 氏は、Theia は新しいハイパースペクトル センサーが利用可能になる前に、過去に SWIR 専用レンズを開発していたと指摘しています。 「私たちは現在、400 nm ～ 1700 nm の波長に応答する高度な vis-SWIR センサーと連携して、ソフトウェアなしで超広角の画像を提供し、樽型歪みを除去できる新しいタイプのレンズを評価しています。」

同氏はさらに、「このvis-SWIR波長帯域の『キラーアプリ』はまだ特定されていないが、ハイパースペクトルセンサーのコスト低下により、広い波長帯域を補完するレンズの入手が必要になるだろう。」と付け加えた。

シシュカ氏によると、ハイパースペクトルイメージングでは、ソニーは広帯域イメージングセンサーを導入したが、実際にハイパースペクトルコーティングが施されるまでは、ほとんどのアプリケーションはSWIRなどのセンサー全体で狭い波長帯域を使用することになるという。

「多くの場合、広範囲のスペクトル全体を画像化できる非常に高価なカメラ 1 台を使用するよりも、異なる波長帯に焦点を当てた異なるセンサーを備えたマルチカメラ ソリューションを使用する方が合理的です」と Sischka 氏は言います。 「これの例外は、ドローンからの空撮など、重量の最小化が優先されるアプリケーションです。」

マシンビジョン市場にとって重要な光学系のその他の進歩には、ズームレンズ、新しい光学材料、製造方法の改善などがあります。 たとえば、電動機構への振動の影響が懸念されるため、以前は望ましくないと考えられていたズームレンズが、より多く採用されているとピーターソン氏は述べています。

導入の増加は、対象が組立ライン上の均一な形状の製品だけでなく、未知の可変距離にある物体であるアプリケーションによって推進されています。 一例は、オブジェクトまたはイメージャ、またはその両方が移動する可能性があるモバイル アプリケーションです。 一方、固定ロボットや自律移動ロボットは、動的な環境で物体を移動して識別するために、ズーム レンズの柔軟性を必要とします。

ピーターソン氏はまた、ズームとフォーカスを調整できる電動レンズは多用途性と利便性を提供し、変化する条件、遠隔セットアップ、および操作に合わせて調整できると述べています。 このタイプのレンズは、高解像度と NIR 補正、AI と機械学習と組み合わせることで、欠陥検出、光学式文字認識 (OCR)、自動ナンバー プレート認識などのより高度な識別および認識タスクを可能にする強力なツールになります。 。

そのようなアプリケーションの 1 つはインテリジェント交通システム (ITS) です。このシステムでは、電動ズームとフォーカスによって、最初の設置後に交通を停止することなく、視野と焦点距離を最適化する柔軟性が可能になります。 画像の最適化は、OCR、AI、機械学習を使用してターゲットを識別する最高のパフォーマンスを得るために重要です。

「イメージング システムは、ピクセルが制限され、ナイキスト周波数で動作する場合にのみ有用であるという誤解がよくあります」とシシュカ氏は言います。 「イメージング レンズは、ナイキスト周波数を超えて実際に非常に役立ちます。つまり、ピクセル サイズがレンズの集束スポット サイズよりも小さいことを意味します。たとえば、地物全体に複数のピクセルを塗りつぶすことは、小さなものに気づくことができるため、インテリジェントな交通ソリューションに役立ちます」互いに比較的似ているように見えるオブジェクト間の違い。」

前述したように、メタマテリアルの組み込みは非常にエキサイティングなものになるでしょうが、まだ完全には実現していないとシシュカ氏は言います。 材料科学は、より大きなセンサーやより広い波長範囲に対応するためのさらなる開発を行うための鍵となります。 コンピュータによるイメージングと回折素子を使用する機能も、最近の進歩につながりました。

ベヒラー氏も同意する。 「材料のオプションにより、IR-SWIR センサー用に設計されたレンズの性能が向上しながらコストを抑えることができました」と彼は言います。 「液体レンズにより、新しいソリューションが可能になるだけでなく、既存の基本的な光学設計の汎用性も高まります。」

LCD ディスプレイ製造の専門家である Samsung 社が、LCD パネルの製造から QD-OLED (量子ドット ディスプレイ有機発光ダイオード) パネルの製造に焦点を移していたとき、同社は検査を実行するための新しい自動光学検査 (AOI) 機械を必要としていました。検査。 AOI ソリューションでは、検査を実行するためにモジュール式顕微鏡システムが必要でした。 Samsung は、さまざまなメーカーのさまざまな対物レンズを評価しましたが、競合する 5X 対物レンズと比較してより広い視野を提供するだけでなく、より高い NA を提供するため、Navitar 4X HR 対物レンズを選択しました。

ゴールドスタイン氏はまた、「単にレンズ素子を鏡筒に落とすだけではなく、レンズアセンブリの各光学素子の中心合わせを確実にする高度な組立技術」の利用が継続的に拡大すると見ており、Navitarがこの技術の最前線にあると付け加えた。 「高度な組み立て技術と自動レンズセンサー統合装置の使用拡大を組み合わせることで、レンズの性能を向上させ、光学系の結像性能を大幅に向上させます。」

レンズメーカーは、新しいカメラセンサーのリリースや、高度なソリューションが実現可能なマシンビジョンアプリケーションの拡大に歩調を合わせようとしているため、ロボット工学や自律機械の分野を含め、新たな機会が継続的に出現しています。 ダイナミックレンジの拡大により、自動運転車の堅牢性が大幅に向上し、ロボットはマルチタスクを実行できるようになりました。 小売用途では、製品の故障、安全上の問題、ラベルの不一致を同時に認識できます。 ほとんどのロボットと同様に、ロボットは退屈で反復的なタスクを自動化し、人間の才能をより細かいニュアンスと裁量を必要とする価値の高いタスクに解放します。

新しいアプリケーションに加えて、既存のアプリケーションも、より大きなフォーマットのセンサーを活用するより大きなフォーマットの光学系によって達成されるより大きなスループットの恩恵を受けます。 より多くのデータを提供して画質と画像処理速度を向上させることで、AI の効率とパフォーマンスが向上し、自動化のさらなる進歩が可能になります。 デジタルツインやインダストリー4.0などの概念を実現するには、光学系やセンサーに関する正確なデータとメタデータが不可欠です。

John Lewis は、Cognex Corp. (マサチューセッツ州ナティック) の市場開発マネージャーです。 詳細については、(508) 650-3000 に電話するか、www.cognex.com にアクセスしてください。