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。 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。
開発の経緯と技術的特長
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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、 異なった焦点面情報を得る。 簡単に構成できるが、光軸を合わせる ことは困難。 光学的に被写界深度を 深くとる工夫を行う。 深度、光源の工夫により達成が 可能。 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。 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。 プリズム分光技術にて異なる 焦点面を同時に撮像する。 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。 写真 1 2 焦点ラインスキャンカメラ 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。株式会社ブルービジョン
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
プリズム分光の方法と問題点
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図 1 可視光センサの分光特性 図 2 プリズム分離方式 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
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）。 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。 図 4 軸上色収差 図 3 撮像方式
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FNo.＝ 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 図 5 倍率色収差 1 pixel 側 Center 一般的な写真レンズ 当社レンズ 最周辺の画像 中心の画像 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
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）。 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
開発事例
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図 8 センサ A の画像（左）とセンサ B の画像（右） 図 7 レンズの製品群 Model Name BV-L1020 BV-L1024 BV-L1028Image Sensor Length
対応イメージセンサ長 30mm 30mm 30mm
Focal length
（焦点距離） 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 30mm 30mm 30mm
Focal length
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。 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 http://www.mvision.co.jp/ ☆株式会社ブルービジョン http://www.bluevision.jp/ ■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．03-3264-0326 FAX．03-3261-3984 http://www.daitron.co.jp/
