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

Schneider Optics, Inc. | New York & CPO | Los Angeles, USA

Pentacon GmbH | Dresden, Germany

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 Bando Ltd. | Seoul, Korea

Schneider Asia Pacific Ltd. | Hong Kong Schneider Optical Technologies (Shenzhen) Co. Ltd. | China

Schneider Kreuznach ISCO Division GmbH & Co. KG | Göttingen, Germany

全世界に。 更には其れを超えて

ユニット製造業:

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

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

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

全ては理想的な撮影性能のためです

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。

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）

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

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

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

ガウス光学

y Object Height

y' Image Height

F' F

H H'

∆X S'f' S'

HH' ∑d

OO'

Sf S

f'

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‘

y 被写体高

y' イメージ高

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。

円座標

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。

イメージサークル: レンズによる最大映像サイズ

光軸

パラメータ 映像高

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’)

ナイキスト周波数

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

1 1 RN = = = 100 Lp/mm 2 x p 0,005 x 2

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：

レンズの解像度

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。 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

From our excample:

Con

tras

t [%

]

Spatial frequency R in Line Pairs per mm [1/mm]

MTF as function of the spatial frequency

（

％）

→空間周波数R：１mmあたりのラインペア数 Abb.1

　MTF-空間周波数特性

製品の例から

相対照度

object to image distance

image circle radius

magnification

= rel. image height

21.6mm center / optical axis

f/2.8

f/5.6 + f/8.0

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。

照度減少なし

25% 減少

50% 減少

75% 減少

相対照度 色々な焦点距離、倍率における相対照度

倍　率 被写体-イメ ージ間距離

幾何学的ディスト―ション（たわみ）

Zero Distortion

θ

実主光線

近軸主光線

ディストーション(ポジティブ)

イメージ高 y' = f' Tan θ

ディスト―ション無し ポジティブ つまり

ピンクッション型

ネガティブ つまり 樽型

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

GD% = h' - h

h x 100

例 GD% = 10% h = 4.5mm h‘ = 4.95mm (実際のイメージ高)

幾何学ディスト―ション

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)

DOF

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。

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

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

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

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

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

•  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

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

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

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

マシンビジョン用標準製品:

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=0.5 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 mm @ β’= -1.0 … -2.0 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!!!

MacroVaron 4.5/85 CAS 0.5X-2.0X

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

ビームスプリッター付3.5倍MacroVaron 4.5/85

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

ソニーICX 625 (5 MP)

ピクセル数: 2456 ×2058

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

5 メガピクセル用C-マウントレンズ

•  コンパクトな設計 •  400-1000nm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

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。

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

堅牢な側面が周辺の光を遮断

ピクセル上の電子回路

シリコン基層

レンズ

CMOSイメージセンサー

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

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：

•  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400 - 1000nm •  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

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

Apo-Xenoplan 2.0/20 Apo-Xenoplan 2.0/24 Apo-Xenoplan 2.0/28 Apo-Xenoplan 2.0/35

800-1800nm用近赤外線レンズ

•  平均透過率約94% (900-1400nm) •  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。

XNP 1.4/23 Coatings :broadband coating vs. SWIR coating

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900

nm

tota

l tra

nsm

issi

on

Broadband Coating 400 - 1000nm SWIR Coating

InGaAsセンサー用のSWIR 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

XNP 1.4/23 コーティング：

ブロードバンドコーティング v.s. SWIRコーティング

全体

透過

ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾊﾞﾝﾄﾞｺｰﾃｨﾝｸﾞ ｺｰﾃｨﾝｸﾞ

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：

•  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 400 - 1000nm •  高イメージ性能

•  コンパクトで堅牢なデザイン

Lenses for 1/1.8” format sensors

Xenon-RUBY 2.2/10 Xenon-RUBY 2.3/16 Xenon-RUBY 2.2/25 Xenon-RUBY 2.3/35

•  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 400-1000nm •  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

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

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：

16Kラインスキャンカメラ対応のソリューション:

•  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

16k及び12k用Xenon-SAPPHIREレンズシリーズ

型式: 0.02x Xenon-SAPPHIRE 4.7/95 0.07x Xenon-SAPPHIRE 4.5/95 0.23x Xenon-SAPPHIRE 3.9/95 0.29x Xenon-SAPPHIRE 3.7/96 0.35x Xenon-SAPPHIRE 3.5/96 0.50x Xenon-SAPPHIRE 3.2/96 0.70x Xenon-SAPPHIRE 3.2/97 1.43x Xenon-SAPPHIRE 3.2/97 計画中: 2.0倍 Xenon-SAPPHIRE

•  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。

1.75倍Xenon-SAPPHIRE レンズ

2つのバージョン：BS（ beam splitter）付とBSなし Xenon-SAPPHIRE 3.2/88-001 バージョン：ビームスプリッターなし Xenon-SAPPHIRE 3.2/88-002 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

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。

2.6倍Xenon-DIAMOND レンズ

2つのバージョン：BS（ beam splitter）付とBSなし： Xenon-DIAMOND 2.9/106-0001バージョン：ビームスプリッターなし Xenon-DIAMOND 2.9/106-0003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。

国内お問合せ先 : クロニクス（株） 〒163-0913 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 : 03-5322-7191 Fax : 03-5322-7790 www.chronix.co.jp