ボードレベルカメラモジュール用組み込みビジョンレンズ

組み込みセンサーにレンズを合わせる方法

レンズとセンサーのミスマッチは、ヴィネット現象、色むら、あるいは解像度の低下として現れます。以下の4つのパラメータを整合させる必要があります。すなわち、イメージサークルとセンサーの対角線、CRAとセンサーのマイクロレンズ設計、レンズのMTFとセンサーのナイキスト周波数、そして後焦点距離とセンサースタックです。

イメージサークルはセンサーの対角線を覆う必要がある

レンズは円形の像を投影し、その円の中に長方形のセンサーが収まります。像円がセンサーの対角線よりも小さい場合、四隅にヴィネット現象が発生します。適度なオーバーサイズであれば通常は問題ありませんが、サイズが小さすぎると四隅にヴィネットが生じ、画像をフルフレームに収めなければならない場合には不向きです。像円全体をフレーム内に収める円像フィッシュアイレンズは、意図的に設計された例外です。

1/2.5インチセンサー対応と記載されたレンズは、そのサイズ以下のセンサーであればすべてカバーしますが、1/1.7インチセンサーではヴィネット現象が発生します。データシートには、イメージサークルがミリメートル単位またはセンサーフォーマットの表記で記載されていますが、これら2つの表記の精度が必ずしも一致しているとは限りません。そのため、メーカー間のフォーマット表記が完全に一致していると仮定するのではなく、お使いのセンサーの実際の対角線長と照らし合わせて確認してください。カバー範囲の計算に関する詳細は、「センサーサイズとレンズの互換性」をご覧ください。

解像度：レンズのMTFは、センサーのナイキスト周波数を上回っていなければならない

1.55µmの画素を持つ12MPセンサーのナイキスト周波数は、約322 lp/mmです。使用絞り値においてレンズがその周波数を解像できない場合、センサーの余分な解像力は無駄になってしまいます。 撮影予定の絞り値におけるレンズのMTFチャートを確認してください。ナイキスト周波数においてMTFがおよそ20％～30％以上あれば、許容できるシャープネスとして妥当な基準となります。MTF曲線の解説では、これらのチャートの読み方について説明しています。

焦点距離の計算を直接行う

センサーサイズ、目標視野角、作動距離を「視野角計算ツール」または「EFL計算ツール」に入力すると、上記と同じ計算式に基づいて、お使いのシステムに最適な焦点距離を算出できます。

主光線の角度が組み込みカメラの画質に与える影響

主光線角（CRA）とは、レンズがセンサー上の特定の点に光を導く角度のことです。組み込みカメラで一般的な1.4µm～2.5µmの微小画素センサーでは、各画素上に、特定のCRA曲線（通常、四隅で20度から30度）に合わせて調整されたマイクロレンズが配置されています。 レンズのCRAがセンサーの設計CRAと一致しない場合、カラーシェーディング（赤、緑、青の各チャンネルが周辺部に向かって異なる割合で減衰する現象）や、コーナー部の輝度低下が生じます。この不一致は、均一なゲイン誤差ではなく、ピクセルレベルで波長や角度に依存するため、ソフトウェアでは完全に補正することができません。

これは、組み込み機器やボードカメラの設計で主流となっている小画素センサーにおいて特に重要です。センサーのデータシートにはCRA曲線が記載されており、レンズのデータシートにはこれに対応するCRA仕様または曲線が記載されています。2µm未満の画素を持つセンサー用のレンズを選定する際は、中心部だけでなく、画角全体にわたって両方の曲線が一致していることを確認してください。ミスマッチの仕組みやマッチング手順の詳細については、「主光線角とミスマッチに関するガイド」をご参照ください。

JetsonおよびRaspberry Piカメラモジュールにおけるボードレベルでの統合

Jetson Nano、Xavier NX、Orinモジュール、およびRaspberry Piやその他のほとんどのMIPI-CSI2対応ボードカメラは、カメラのPCBにはんだ付けまたはクリップで固定されたM12レンズホルダーを介して接続されます。 これらのプラットフォームで一般的に使用されるセンサーには、IMX477（Raspberry Pi HQカメラ）、IMX219（Raspberry Piカメラモジュールv2）、およびIMX708などがあります。M12には標準化されたフランジ距離がないため、ピント合わせはレンズがホルダーにねじ込まれる深さによって完全に決定され、後焦点距離（BFL）はレンズの設計によって異なります。

このばらつきは、基板レベルでの統合における特徴であり、欠陥ではありません。カメラモジュールを交換する場合や、同じレンズ設計を、カバーガラスやIRフィルターの厚さが異なる2つのセンサースタックで共通して使用する必要がある場合、解決策は別のレンズを採用するのではなく、適切な高さのホルダーを使用することです。PCBのフットプリントを確定する前に、レンズの指定された後焦点距離およびセンサースタック全体（素のセンサー、カバーガラス、IRフィルター、スペーサーなど）に合わせて、ホルダーの高さを確認してください。M12レンズホルダー選定ガイドでは、ホルダーの高さの選定やネジの噛み合わせについて詳しく解説しています。

マルチカメラ対応のJetsonおよびRaspberry Piの設計により、統合の水準がさらに引き上げられています。 ステレオペアやマルチカメラアレイでは、すべてのモジュール間で焦点距離と後焦点距離が一致している必要があります。これは、名目上同一のレンズユニット間でも、後焦点距離にわずかな違いがあるだけで、左右の画像間にピントのズレとして現れてしまうためです。単一の生産ロットから一括購入することでそのリスクは低減されますが、完全に排除できるわけではありません。初期設定時には、中央部だけでなく、各ユニットの画角の隅々までピントを確認してください。

「性能・サイズ・コスト」の三要素

組み込み用レンズの選定は、光学性能、物理的な設置面積、単位コストという3つの要素のトレードオフであり、消費電力は設置面積と関連する二次的な要素となります。固定式の産業用検査ステーションとは異なり、組み込みシステムでは通常、この三角形のいずれか一方の要素にリソースを集中させる場合、他の2つの要素を犠牲にせざるを得ません。

M12レンズは、小型・低コストという位置づけにあります。固定絞りの3g-15gレンズは、それ自体で電力を消費せず、産業用光学系に比べてコストはごくわずかですが、Cマウントが提供する可変絞りやカム式収差補正機能は備えていません。 CマウントとCSマウントは、その対極に位置します。アイリスリングにより、必要に応じて被写界深度と光量とのトレードオフが可能であり、カム機構によって焦点範囲全体で収差のバランスが調整されますが、レンズの重量は3倍から10倍になり、単価も高くなります。バッテリー駆動のドローンやハンドヘルドデバイスにとって、この重量差は単なる仕様上の数値ではなく、飛行時間やユーザーの疲労度に大きな影響を与える重要な要素となります。

絞り制御は、あまり目立たない形で光量とも相互作用します。 Cマウントの可変絞り機構がマシンビジョン分野で実用的なのは、照明が通常プログラムによって制御されている（構造化照明、LEDリングライト、バックライトアレイなど）ため、センサーへの光量を損なうことなく、被写界深度を確保するために絞りを絞ることができるからです。周囲光や制御不能な照明に依存する組み込みシステムでは、必ずしもそのようなトレードオフが可能とは限らないため、代わりに、F値の小さい固定絞りM12レンズが選ばれる傾向があります。

購入を決める前に確認すべき主な仕様

焦点距離

焦点距離が短いほど、同じセンサーでより広い視野が得られます。2mm～4mmの範囲では、障害物回避のための超広角視野が得られます。4mm～8mmの範囲では、汎用的な視覚認識に対応します。8mm～16mmの範囲では、検査やバーコード読み取りに適した狭い視野が得られます。EFL計算ツールを使用して、対象の撮影範囲と作動距離から焦点距離を算出してください。焦点距離の選定方法については、詳細な手順をご参照ください。

F値（絞り）

F値が小さいほど、より多くの光を取り込むことができます。F/1.4のレンズは、F/2.8のレンズに比べておよそ4倍の光を取り込みます。その代償として、被写界深度が浅くなります。低照度の組み込みビジョンではF/1.4～F/1.8を優先し、集光性能よりも被写界深度が重視される場合はF/2.0～F/2.8が妥当です。被写界深度計算ツールで数値を計算し、「マシンビジョンにおけるF値」を参照して、その基礎となる関係性を確認してください。

歪み

樽型歪みにより、直線が曲線に歪んでしまいます。SLAMナビゲーション、写真測量、および画像から幾何学的形状を測定するあらゆる用途では、通常、歪みが1%未満であることが求められます。測定精度が重要ではない監視や一般的なモニタリングでは、5%～15%の歪みでも許容されることがよくあります。標準的な広角M12レンズの歪みは通常10%～20%ですが、低歪みモデルではこれを1%未満に抑えることができます。低歪みレンズガイドをご覧ください。

熱安定性

空調管理された工場外では、温度範囲がより広くなります。車両や屋外用筐体に組み込まれたカメラは、1日のうちに-30℃から+70℃までの温度変化にさらされることがあり、ドローンのカメラは、太陽で熱せられた地面から寒冷な高地へと、わずか数分で移動することもあります。 熱膨張やプラスチック製レンズ要素の屈折率の温度依存性により焦点面がずれるが、全ガラス製や全金属製の構造は、一般的にプラスチック製レンズ要素を使用する設計よりも温度変化にわたり焦点をより安定して維持できる。ただし、正確なずれ量は焦点距離やレンズ設計によって異なる。 小画素センサーでF/2の場合、被写界深度はわずか数ミクロンに過ぎないため、温度変動の幅が十分に大きい場合、熱安定化が不十分なレンズは、機械的な不具合がなくてもピントがずれてしまう可能性があります。使用温度範囲において、レンズのデータシートに基づいて熱によるピントの安定性を確認してください。

重量

これは、ドローン、ハンドヘルドデバイス、ロボットアームにおいて特に重要であり、質量の増加は飛行時間、ユーザーの疲労、あるいはサーボへの負荷に影響を及ぼします。M12レンズの重量は通常3g～15g、Cマウントレンズは通常50g～200gです。光学的な要件を満たしつつ、可能な限り軽量なレンズを選択してください。

IP等級

IP67は、一時的な水没にも耐える防塵構造を示します。IP69Kは、これに高圧洗浄への耐性を追加したものです。屋外、農業用、および洗浄環境では必須ですが、管理された屋内環境での使用ではオプションとなります。試験方法についてはIP保護等級ガイドをご参照ください。なお、耐環境性は特定のSKUにのみ搭載されるオプション機能であり、すべてのCマウントまたはM12レンズに共通する特性ではありません。詳細は、耐環境性レンズガイドをご参照ください。