カメラレンズチュートリアル


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開口

レンズの開口(絞り)部はレンズが集光する光の量を制御します。レンズが集光する光量が多ければ多いほど、画像は明るくなります。このことにより、開口サイズは露光時間、つまりカメラのシャッタ速度に影響します。当社でご提供する各レンズの最大開口サイズは、下の表に、f/#(例:f/1.4)の記号で表されるF値で記載しております。F値が増加すると、開口は小さくなり、レンズが集光する光の量も少なくなります。

F値は数式で以下のように定義します。
Aperture Equation N = f/d
f/#はF値、fは焦点距離、dは入射瞳径(入射光束の直径)です。

多量の光を集光できるカメラレンズ(つまりF値が小さいレンズ)は、露光時間が短く済むことからファストレンズとして知られています。低光量の状況での使用に適しています。例えば、焦点距離が50 mm、開口F値1.4のレンズは、焦点距離が同じで開口F値が2.5のレンズよりも開口が大きくなるので(シャッタ速度が)速くなります。大きい開口を利用して集光する光量を多くすると、画像の軸上で焦点が合う領域が狭く、つまり被写界深度が浅くなります。異なった開口サイズによる効果を視覚的に説明した画像が、下の表でご覧いただけます。画像は、同じレンズ(MVL12M43、カメラは1/2インチフォーマットDCU224C)を使用し、F値を増加させながら撮影しました。一定の露光時間で撮影したので、レンズが集光する光の量は、F値の増加(約1.4の)毎に1/2ずつ減っています。

Aperture Size Effects (Click Photos to Enlarge)
f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/22
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焦点距離

焦点距離(FL)は、大まかに定義すると主平面から焦点面までの距離です。カメラレンズにおいては、焦点距離がカメラシステムの視野範囲を決定します。焦点距離が長いと、視野範囲が狭くなります。一般的なガイドラインとして、焦点距離が50 mmのレンズと35 mmフォーマットカメラの組合せは、人間の目と大体同じ視野範囲を作り出します(対角線で約53°)。下の表では、人間と同じ視野範囲を得るために必要な焦点距離を、異なるセンサーフォーマット毎に記載しています。

画像の視野範囲に関連して、レンズは一般的に3種類に分類されます。レンズの焦点距離がセンサーフォーマットの対角線長に近く、人間の視野範囲に近い画像を生成するレンズは、そのセンサーフォーマットに対して標準レンズであるとみなされます。広角レンズの焦点距離は標準レンズより短く、広い視野範囲の画像を生成しますが、画像の端に樽型歪が現れる傾向があります。最後に、標準レンズより焦点距離が長いレンズは望遠レンズとして知られています。視野範囲が狭くなりますが、画像内の被写体が拡大されます。

1/2インチフォーマットCCDカメラDCU224C


MVL4WA:焦点距離3.5 mm
広角レンズ:視野範囲 132.1°
MVL4WA on DCU224C
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原画像はこちらからご覧いただけます。
(1280 x 1024)

MVL8M1:焦点距離8 mm
標準レンズ:視野範囲53.5°
MVL8M1 on DCU224C
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MVL25M23:焦点距離25 mm
望遠レンズ:視野範囲17.5°
MVL25M23 on DCU224C
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(1280 x 1024)

右は、上記を説明するために同じカメラで3種類のレンズを用いて撮影した画像です。レンズの焦点距離が長くなると、写真の被写体の倍率は大きくなり、視野範囲が狭くなります。画像の物体は、約254 mmの間隔で、次のような順番で並んでいます: Polaris™固定式モノリシックミラーマウント(カメラから254 mm)、Ø12 mmおよびØ1/2インチポストとミラーマウントKM100(カメラから508 mm)、ポスト付き回転マウントRSP1(/M)(カメラから762 mm)。1番左の画像の撮影に使用したMVL4WAは広角レンズですが、画像の左端のドア枠がゆがんでいるのがはっきりとご覧いただけます。

Sensor/Lens Combinations for Human Eye Field of View
Sensor FormatLens Focal Length
1/3" (6 mm Diagonal)6.9 mm
1/2.9" (6.2 mm Diagonal)7.1 mm
1/2" (8 mm Diagonal)9.2 mm
1/1.8" (9 mm Diagonal)10.4 mm
2/3" (11 mm Diagonal)12.7 mm
1/1.2" (13.3 mm Diagonal)15.3 mm
1" (16 mm Diagonal)18.5 mm
4/3" (23 mm Diagonal)26.6 mm

 


Camera Sensor Format Diagram

Crop Factors for Different Sensor/Lens Combinationsa
Sensor FormatLens Design Format
1/3"1/2.9"1/2"1/1.8"2/3"1/1.2"1"4/3"
1/3" (6 mm Diagonal)11.031.331.501.832.222.673.83
1/2.9 (6.2 mm Diagonal)-11.291.451.772.142.583.71
1/2" (8 mm Diagonal)--11.131.381.662.002.88
1/1.8" (9 mm Diagonal)---11.221.481.782.56
2/3" (11 mm Diagonal)----11.211.452.09
1/1.2" (13.3 mm Diagonal)-----11.21.73
1" (16 mm Diagonal)------11.44
4/3" (23 mm Diagonal)-------1
  • クロップファクタ(切抜取込数値)が大きいことは、カメラセンサに収まらない部分が多いことに相当します。詳細は左の説明をご覧ください。

様々なカメラセンサとレンズフォーマットの組合せ

CCDやCMOSセンサ付きの現代のカメラは、カメラセンサーフォーマットが指定されています。同様にレンズも特定のカメラフォーマットに対して適切なイメージングが実現できるよう設計されています。このフォーマット指定(例:1/2インチ、2/3インチ、4/3インチ)は、ブラウン管でビデオを録画していた頃からの名残で、ある画像サイズを得るために必要なブラウン管の外径のことです。右の図では標準的なカメラフォーマットサイズを数種類比較しています。イメージングシステムにおいてカメラとレンズが同じフォーマットで設計されていることが理想的です。しかし、異なったフォーマットのカメラとレンズを組み合わせることも可能です。異なった組み合わせは、結果的にビネット(口径食)またはクロップ(切抜いたような効果)が画像に現れます。

ビネット
ビネット(Vignette、口径食)はレンズフォーマットがカメラフォーマットより小さいときに発生します。ビネットが発生すると、センサの領域が不完全に露光されるため、暗い輪が画像の縁周りに現れます。ビネット効果は、下の2枚の画像でご覧いただけます。どちらも同じ4/3インチフォーマットカメラを使用しています。左の画像は、焦点距離12 mmの4/3インチフォーマットレンズを使用しています。画像をフルに生成していますが、縁周りが若干暗くなっています。ビネット効果があまり現れなかったのは、レンズのエッジ部分の透過率が低い設計になっているためです。もう1つの画像では、2/3インチフォーマットレンズを同じ焦点距離で使用しました。写真の縁周りの暗い輪がはっきりと現れています。この例のように効果がはっきり見えてしまうため、イメージングの際にはカメラセンサより小さいフォーマットのレンズのご使用はお勧めしておりません。

ビネットの例:4/3インチフォーマットカメラ8051M-GE

4/3インチフォーマットレンズMVL12M43
焦点距離 = 12 mm
MVL12M43 on 8050M-GE
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原画像はこちらからご覧いただけます。 (3296 x 2472)
2/3インチフォーマットレンズMVL12M23
焦点距離 = 12 mm
MVL12M23 on 8050M-GE
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原画像はこちらからご覧いただけます。 (3296 x 2472)
Adjusted Focal Length (AFL) for Various Sensor Formatsa
Item #1/3"1/2.9"1/2"1/1.8"2/3"1/1.2"1"4/3"
MVL4WA4.6 mm4.5 mm3.5 mm-----
MVL5WA5.9 mm5.8 mm4.5 mm-----
MVL5M239.2 mm8.8 mm6.9 mm6.1 mm5 mm---
MVL5TM239.2 mm8.8 mm6.9 mm6.1 mm5 mm---
MVL6WA7.8 mm7.7 mm6 mm-----
MVL8M2314.6 mm14.2 mm11 mm9.8 mm8 mm---
MVL8M121.4 mm20.6 mm16 mm14.2 mm11.6 mm9.6 mm8 mm-
MVL12WA15.6 mm15.5 mm12 mm-----
MVL12M2322 mm21.2 mm16.5 mm14.6 mm12 mm---
MVL12M132 mm31.0 mm24 mm21.4 mm17.4 mm14.4 mm12 mm-
MVL12M4346 mm44.5 mm34.6 mm30.7 mm25.1 mm20.8 mm17.3 mm12 mm
MVL16M2329.3 mm28.3 mm22 mm19.5 mm16 mm---
MVL16M142.7 mm41.3 mm32 mm28.5 mm23.2 mm19.2 mm16 mm-
MVL17HS45.4 mm43.9 mm34 mm30.3 mm24.7 mm20.4 mm17 mm-
MVL25M2345.8 mm44.2 mm34.4 mm30.5 mm25 mm---
MVL25TM2345.8 mm44.2 mm34.4 mm30.5 mm25 mm---
MVL25HS66.8 mm64.5 mm50 mm44.5 mm36.3 mm30 mm25 mm-
MVL25M166.8 mm64.5 mm50 mm44.5 mm36.3 mm30 mm25 mm-
MVL25M4395.8 mm92.8 mm72 mm64 mm52.3 mm43.3 mm36 mm25 mm
MVL35M2364.1 mm62.0 mm48.1 mm42.7 mm35 mm---
MVL35M193.5 mm90.3 mm70 mm62.3 mm50.8 mm42 mm35 mm-
MVL50M2391.5 mm88.5 mm68.8 mm61 mm50 mm---
MVL50TM2391.5 mm88.5 mm68.8 mm61 mm50 mm---
MVL50HS133.5 mm129.0 mm100 mm89 mm72.5 mm60 mm50 mm-
MVL50M1133.5 mm129.0 mm100 mm89 mm72.5 mm60 mm50 mm-
MVL75M23137.3 mm132.8 mm103.1 mm91.5 mm75 mm---
MVL75M1200.3 mm193.5 mm150 mm133.5 mm108.8 mm90 mm75 mm-
MVL100M23183 mm177 mm138 mm122 mm100 mm---
  • 各レンズの本来の焦点距離は緑色でハイライトされています。Adjusted Focal Length(換算焦点距離)については左の説明をご覧ください。


クロップ
レンズフォーマットがカメラフォーマットより大きい場合、画像にはクロップ(crop、切抜き)と呼ばれる効果が現れます。この時、画像はフルに生成されていますが、サイズが小さくなって(つまり、切抜かれて)います。これはセンサがイメージの一部のみを捉えているからです。クロップファクタ(切抜取込数値)または焦点距離換算倍率は、クロップ(切抜き)量を数値化するもので、レンズの設計フォーマットの対角線長をセンサーフォーマットの対角線長で割った割合と定義されます。右の表では、1/3インチ、1/2.9インチ、1/2インチ、1/1.8インチ、2/3インチ、1インチならびに4/3インチフォーマットレンズ・センサすべての組合せのクロップファクタ(切抜取込数値)がご覧いただけます。

クロップにより切り抜かれた画像は、焦点距離がより長いレンズ(つまり、より狭い視野範囲)で撮影したように見えますが、像を拡大しているわけではありません。クロップ(切抜き)効果は、Adjusted Focal Length(換算焦点距離)で数値化することができます(クロップファクタにレンズの焦点距離を乗じた数値と定義します)。例えば、焦点距離が50 mmの1インチフォーマットレンズを使用して1/2インチフォーマットセンサーカメラで撮影した場合、Adjusted Focal Length(換算焦点距離)が100 mmの画像を生成します。視野範囲は100 mmレンズを使用したように狭くなりますが、画像に映る物体のサイズは同じです。右の表では、こちらでご紹介するすべてのレンズのAdjusted Focal Length(換算焦点距離)について、異なるセンサーフォーマット毎に掲載しています。

下は同じレンズを使用した1/2インチフォーマットならびに1/3インチフォーマットカメラで撮影した画像で、この効果を視覚的に説明しています。1/3インチフォーマットカメラが生成した画像は、1/2インチフォーマットを使用して生成した画像よりも切抜かれている(クロップ効果が現れている)ことが分かります。しかし、両画像の物体のサイズの倍率は同じです。

切抜き(クロップ):焦点距離8 mmのMVL8M1、1インチフォーマットレンズ

カメラDCU224C:1/2インチセンサー
フォーマット
Adjusted Focal Length(換算焦点距離) = 16 mm
Focal Length 3.5
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原画像はこちらからご覧いただけます。 (1280 x 1024)
カメラDCU223C:1/3インチセンサー
フォーマット
Adjusted Focal Length(換算焦点距離) = 21.4 mm

Focal Length 4.6
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原画像はこちらからご覧いただけます。 (1024 x 768)

当社のマシンビジョン用カメラレンズの物体距離には、それぞれ固有の範囲があります。この範囲内に設置された物体はCマウントカメラのセンサにしっかりとフォーカスできます。カメラとレンズの間にCマウントエクステンションチューブやスペーサを挿入すると、この物体距離の範囲が変わり、カメラはレンズにより近い物体にフォーカスできるようになります。これによりカメラの倍率は増加しますが、一方で被写界深度は浅くなります。下の表は、Cマウントエクステンションチューブとマシンビジョンレンズを様々に組み合わせた場合の物体距離範囲をリストアップしています。

注:当社のカメラレンズは、仕様の物体距離の範囲では、光学収差が補正されるように設計されています。しかしエクステンションチューブにより最短の物体距離を変えると、収差を除去する性能が低下する場合があります。

物体距離:356 mm
スペーサ無し

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原画像(2048 x 2048)はこちらからご覧いただけます。
物体距離:102 mm
スペーサ無し

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物体距離:102 mm
5 mmスペーサ

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物体距離:16 mm
20 mm (15 mm + 5 mm)スペーサ

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回転マウントRSP1X15 は、サイエンティフィックカメ4070M-GE(旧製品)およびレンズMVL25M43を使用して異なる物体距離で撮影されています。20 mmのスペーサは、スペーサCML05とCML15を組み合わせて作られました。
レンズ&スペーサの組み合せによる物体距離と倍率
Camera LensFocal LengthDesign FormatNo Spacer1 mm Spacer (CMSP100)5 mm Spacer (CML05)10 mm Spacer (CML10)20 mm Spacer (CML05 with CML15)
Minimum Object DistanceMagnificationMinimum Object DistanceMagnificationMinimum Object DistanceMagnificationMinimum Object DistanceMagnificationMinimum Object DistanceMagnification
MVL8M238 mm2/3"120 mm0.0730 mm0.2------
MVL12M2312 mm2/3"150 mm0.0870 mm0.16------
MVL12M112 mm1"300 mm0.0493 mm0.12------
MVL12M4312 mm4/3"100 mm0.148 mm0.19------
MVL16M2316 mm2/3"200 mm0.08110 mm0.14------
MVL16M116 mm1"300 mm0.05134 mm0.11------
MVL25M2325 mm2/3"200 mm0.12150 mm0.1673 mm0.31----
MVL25TM2325 mm2/3"100 mm0.2479 mm0.2846 mm0.4429 mm0.63--
MVL25M125 mm1"300 mm0.08200 mm0.1283 mm0.28----
MVL25M4325 mm4/3"150 mm0.15115 mm0.1956 mm0.3531 mm0.5512 mm0.96
MVL35M2335 mm2/3"200 mm0.18175 mm0.21115 mm0.3281 mm0.4651 mm0.73
MVL35M135 mm1"300 mm0.12243 mm0.15138 mm0.2691 mm0.4--
MVL50M2350 mm2/3"200 mm0.3190 mm0.32160 mm0.39135 mm0.48105 mm0.65
MVL50TM2350 mm2/3"100 mm0.4691 mm0.4876 mm0.5864 mm0.749 mm0.94
MVL50M150 mm1"500 mm0.11424 mm0.13269 mm0.2189 mm0.3124 mm0.5
MVL75M175 mm1"1000 mm0.078858 mm0.091553 mm0.14389 mm0.21251 mm0.34
MVL75M2375 mm2/3"1200 mm0.071010 mm0.08630 mm0.13440 mm0.2285 mm0.34
MVL100M23100 mm2/3"2000 mm0.051700 mm0.061060 mm0.1740 mm0.15480 mm0.25