カメラと光学系の設計とカメラ計算機のチュートリアル
カメラ設計のリソース
カメラの設計は、光学、機械、電気、ファームウェア、ソフトウェアなど、さまざまな分野の技術を必要とする作業です。優秀なエンジニアは、自分があまり詳しくない分野にぶつかることもあります。私たちは、光学エンジニアリング、カメラモジュールの組み立て、画質テストの世界から来ています。以下に、1次カメラ設計の予備的なウォークスルーをまとめました。
- 必要なシステム画角の算出
- イメージセンサーとエレクトロニクスを選択する
- ターゲットレンズの焦点距離を計算する
- 焦点距離の範囲にあるレンズを探す
- 正確な視野を計算する
- システムの被写界深度を計算する
- カメラのメカをデザインする
カメラ部品の選定は画角計算機から
必要なカメラの画角を決めることから始める
カメラプロジェクトの最初のステップは、カメラに提供させたい画角（AoV）を決定することです。AoVはField of Viewと同じですが、私たちは初期段階でのコミュニケーションを明確にするためにAoVを使用します。これにより、シーンに対する要求と、レンズとセンサーの組み合わせによる機能的な性能を切り分けることができます。
当社のカメラ画角計算機を使用すれば、三角法なしでこの計算を完了することができます。セキュリティシステムのシーンレイアウトの一例をご紹介します。
最初に答えるべき質問はいくつかあります。
- シーンを完全にカバーするために、複数のカメラが必要な場合、何台必要ですか？
- 検査対象物の最接近距離は？対象物の最遠距離は？
- カメラが上から下まで見るのに必要な最短距離は？
- カメラが左から右へ見るために必要な最短距離は？
カメラエレクトロニクスを選択する
カメラのイメージセンサーとレンズの並列選択
次のステップは、イメージセンサーとカメラエレクトロニクスを選択することです。多くの人は、必要なシステム視野の要件を決定する前に、このステップに飛びつきます。システムエレクトロニクスとカメラレンズの要件を同時に考慮しなければ、物理法則にぶつかる可能性があります。いくつかの質問をしてみましょう。
- 電子インターフェース（出力）はどのような要件がありますか？
- オブジェクト全体の最小ピクセル数とは？
- カメラが必要とする総出力画素数は？
少なくとも1台は動作しそうなカメラが見つかったので、希望するモードの水平有効画素数、垂直有効画素数を調べてメモしておきます。また、センサーの仕様にあるPixel Pitchを求めます。Raspberry Pi High-Qualityの場合、"-md -3 "モードでは、4056*3040、1.55umとなります。
カメラの焦点距離を計算し、レンズの制約を定義することができます。
必要なレンズの焦点距離の範囲を計算する
3番目のステップは、許容できる有効焦点距離の値の範囲を計算することです。次に、レンズのメカニカルマウントの制約を設定します。目標とする水平画角または垂直画角が100度を超えているかどうかを確認します。もしそうなら、そのレンズには歪曲収差がある可能性があります。
その場合は、目標とするEFLの範囲にあるレンズを探せばよいのです。
M12 Lens Field of View Calculatorを使用して、カメラのFoVを決定します。
レンズとイメージセンサーの組み合わせのFoVを計算する
部品選定の最終ステップは、選択したレンズとセンサーの組み合わせの視野を計算することです。これは、計算されたカメラ画角の要件と照らし合わせることができます。最適なカメラとレンズの組み合わせが見つかるまで、各ステップを繰り返し行うことをお勧めします。もし、当社のレンズで正確な組み合わせが見つからない場合は、お問い合わせください。
レンズの画角は、センサーサイズ、光学的有効焦点距離（EFL）、レンズの歪みによって決まります。当社の計算機では、歪曲収差を含まない簡略化した式を使用しています。
被写界深度計算機でカメラの被写界深度を測定する
レンズとイメージセンサーの組み合わせのDoFを計算する
最適なレンズとイメージセンサーの組み合わせを選択すると、システムの被写界深度を計算することができます。絞り（アイリス）調整可能なレンズの場合、この計算によってシステムの目標F/#を最適化することができます。被写体が500mmより近い場合は、部品選定の早い段階で被写界深度を計算することをお勧めします。2画素のボケを「シャープにピントが合っている」、4画素のボケを「程よくピントが合っている」とします。
カメラの超焦点距離とは何かという質問をよく受けます。超焦点距離の定義は、「レンズの超焦点距離でピントを合わせたとき、被写界深度は無限遠まで広がる」です。超焦点距離の補足として、ピントが合う最も近い距離である近焦点距離があります。超焦点距離でピントを合わせると、この距離は超焦点距離のちょうど1/2となります。
被写界深度、EFL、F/#の関係を理解するために、被写界深度ルックアップチャートを作成しました。このチャートは、ソニーのイメージセンサーIMX477シリーズと一般的なM12レンズの焦点距離を入力としています。実際には、特にEFLが4mmを超えるレンズを使用する場合、超焦点距離よりも手前でピントを合わせる方が多いようです。
レンズアダプターとカメラマウントの互換性については、「ウォークスルー」をご覧ください。
レンズマウントの選択とハウジングの設計
レンズマウントとハウジングの設計は、光学部品と電子部品がすべて選定された後に開始することをお勧めします。様々な種類のレンズとカメラマウントの互換性を判断するためのページを用意しました。