カメラレンズチュートリアル

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カメラレンズチュートリアル
エクステンションチューブ

マシンビジョン用カメラレンズの製品ラインナップは
こちらからご覧いただけます。

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/2	f/2.8	f/4	f/5.6	f/8	f/11	f/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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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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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 Format	Lens 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 Combinations^a
Sensor Format	Lens 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)	1	1.03	1.33	1.50	1.83	2.22	2.67	3.83
1/2.9 (6.2 mm Diagonal)	-	1	1.29	1.45	1.77	2.14	2.58	3.71
1/2" (8 mm Diagonal)	-	-	1	1.13	1.38	1.66	2.00	2.88
1/1.8" (9 mm Diagonal)	-	-	-	1	1.22	1.48	1.78	2.56
2/3" (11 mm Diagonal)	-	-	-	-	1	1.21	1.45	2.09
1/1.2" (13.3 mm Diagonal)	-	-	-	-	-	1	1.2	1.73
1" (16 mm Diagonal)	-	-	-	-	-	-	1	1.44
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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Adjusted Focal Length (AFL) for Various Sensor Formats^a
Item #	1/3"	1/2.9"	1/2"	1/1.8"	2/3"	1/1.2"	1"	4/3"
MVL4WA	4.6 mm	4.5 mm	3.5 mm	-	-	-	-	-
MVL5WA	5.9 mm	5.8 mm	4.5 mm	-	-	-	-	-
MVL5M23	9.2 mm	8.8 mm	6.9 mm	6.1 mm	5 mm	-	-	-
MVL5TM23	9.2 mm	8.8 mm	6.9 mm	6.1 mm	5 mm	-	-	-
MVL6WA	7.8 mm	7.7 mm	6 mm	-	-	-	-	-
MVL8M23	14.6 mm	14.2 mm	11 mm	9.8 mm	8 mm	-	-	-
MVL8M1	21.4 mm	20.6 mm	16 mm	14.2 mm	11.6 mm	9.6 mm	8 mm	-
MVL12WA	15.6 mm	15.5 mm	12 mm	-	-	-	-	-
MVL12M23	22 mm	21.2 mm	16.5 mm	14.6 mm	12 mm	-	-	-
MVL12M1	32 mm	31.0 mm	24 mm	21.4 mm	17.4 mm	14.4 mm	12 mm	-
MVL12M43	46 mm	44.5 mm	34.6 mm	30.7 mm	25.1 mm	20.8 mm	17.3 mm	12 mm
MVL16M23	29.3 mm	28.3 mm	22 mm	19.5 mm	16 mm	-	-	-
MVL16M1	42.7 mm	41.3 mm	32 mm	28.5 mm	23.2 mm	19.2 mm	16 mm	-
MVL17HS	45.4 mm	43.9 mm	34 mm	30.3 mm	24.7 mm	20.4 mm	17 mm	-
MVL25M23	45.8 mm	44.2 mm	34.4 mm	30.5 mm	25 mm	-	-	-
MVL25TM23	45.8 mm	44.2 mm	34.4 mm	30.5 mm	25 mm	-	-	-
MVL25HS	66.8 mm	64.5 mm	50 mm	44.5 mm	36.3 mm	30 mm	25 mm	-
MVL25M1	66.8 mm	64.5 mm	50 mm	44.5 mm	36.3 mm	30 mm	25 mm	-
MVL25M43	95.8 mm	92.8 mm	72 mm	64 mm	52.3 mm	43.3 mm	36 mm	25 mm
MVL35M23	64.1 mm	62.0 mm	48.1 mm	42.7 mm	35 mm	-	-	-
MVL35M1	93.5 mm	90.3 mm	70 mm	62.3 mm	50.8 mm	42 mm	35 mm	-
MVL50M23	91.5 mm	88.5 mm	68.8 mm	61 mm	50 mm	-	-	-
MVL50TM23	91.5 mm	88.5 mm	68.8 mm	61 mm	50 mm	-	-	-
MVL50HS	133.5 mm	129.0 mm	100 mm	89 mm	72.5 mm	60 mm	50 mm	-
MVL50M1	133.5 mm	129.0 mm	100 mm	89 mm	72.5 mm	60 mm	50 mm	-
MVL75M23	137.3 mm	132.8 mm	103.1 mm	91.5 mm	75 mm	-	-	-
MVL75M1	200.3 mm	193.5 mm	150 mm	133.5 mm	108.8 mm	90 mm	75 mm	-
MVL100M23	183 mm	177 mm	138 mm	122 mm	100 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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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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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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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 Lens	Focal Length	Design Format	No Spacer		1 mm Spacer (CMSP100)		5 mm Spacer (CML05)		10 mm Spacer (CML10)		20 mm Spacer (CML05 with CML15)
Camera Lens	Focal Length	Design Format	Minimum Object Distance	Magnification	Minimum Object Distance	Magnification	Minimum Object Distance	Magnification	Minimum Object Distance	Magnification	Minimum Object Distance	Magnification
MVL8M23	8 mm	2/3"	120 mm	0.07	30 mm	0.2	-	-	-	-	-	-
MVL12M23	12 mm	2/3"	150 mm	0.08	70 mm	0.16	-	-	-	-	-	-
MVL12M1	12 mm	1"	300 mm	0.04	93 mm	0.12	-	-	-	-	-	-
MVL12M43	12 mm	4/3"	100 mm	0.1	48 mm	0.19	-	-	-	-	-	-
MVL16M23	16 mm	2/3"	200 mm	0.08	110 mm	0.14	-	-	-	-	-	-
MVL16M1	16 mm	1"	300 mm	0.05	134 mm	0.11	-	-	-	-	-	-
MVL25M23	25 mm	2/3"	200 mm	0.12	150 mm	0.16	73 mm	0.31	-	-	-	-
MVL25TM23	25 mm	2/3"	100 mm	0.24	79 mm	0.28	46 mm	0.44	29 mm	0.63	-	-
MVL25M1	25 mm	1"	300 mm	0.08	200 mm	0.12	83 mm	0.28	-	-	-	-
MVL25M43	25 mm	4/3"	150 mm	0.15	115 mm	0.19	56 mm	0.35	31 mm	0.55	12 mm	0.96
MVL35M23	35 mm	2/3"	200 mm	0.18	175 mm	0.21	115 mm	0.32	81 mm	0.46	51 mm	0.73
MVL35M1	35 mm	1"	300 mm	0.12	243 mm	0.15	138 mm	0.26	91 mm	0.4	-	-
MVL50M23	50 mm	2/3"	200 mm	0.3	190 mm	0.32	160 mm	0.39	135 mm	0.48	105 mm	0.65
MVL50TM23	50 mm	2/3"	100 mm	0.46	91 mm	0.48	76 mm	0.58	64 mm	0.7	49 mm	0.94
MVL50M1	50 mm	1"	500 mm	0.11	424 mm	0.13	269 mm	0.2	189 mm	0.3	124 mm	0.5
MVL75M1	75 mm	1"	1000 mm	0.078	858 mm	0.091	553 mm	0.14	389 mm	0.21	251 mm	0.34
MVL75M23	75 mm	2/3"	1200 mm	0.07	1010 mm	0.08	630 mm	0.13	440 mm	0.2	285 mm	0.34
MVL100M23	100 mm	2/3"	2000 mm	0.05	1700 mm	0.06	1060 mm	0.1	740 mm	0.15	480 mm	0.25