テレセントリックレンズ

テレセントリックレンズは、物体の距離または視野範囲での位置にかかわらず一定の倍率を保てるよう設計されています。物体の位置にかかわらず物体の寸法に変化はないので、この特性はマシンビジョンにおける計測に適しています。

テレセントリックレンズの種類
テレセントリックレンズの性能を得るためには、すべての主光線(軸外の物点から開口絞りの中心を通る光線)が像側、物体側、あるいは両側で光軸に対して平行でなければなりません。物体側テレセントリックレンズの場合、主光線はレンズの物体側(物体空間)において光軸に対して平行となります。これは、レンズの前側焦点面で開口を絞ることにより実現し、その結果、入射瞳が無限遠になります。主光線が入射瞳の中心を透過するので、レンズの物体側の主光線は光軸に沿って平行となります。物体側テレセントリックレンズの例が図1に描かれています。

像面側テレセントリックレンズの場合、主光線はレンズの像面側(像空間)において光軸に対して平行となります。これは、レンズの後側焦点面で開口を絞ることにより実現し、その結果、射出瞳が無限遠なります。主光線が射出瞳の中心を透過するので、レンズの像面側の主光線は光軸に沿って平行となります。両側テレセントリックレンズの場合、前側と後側焦点面が重なる位置に開口絞りが配置され、入射瞳と射出瞳が共に無限遠になるように設計されています。両側テレセントリックレンズの倍率は像ならびに物体の位置に影響されることはありません。図2は、テレセントリックレンズを通る光線の追跡例で、主光線がどのようにシステムを透過するか示しています。

標準的なレンズ
標準的なレンズでは入射瞳と射出瞳は無限遠にはないため、主光線が光軸に対して平行にはなりません。この場合、レンズの倍率は物体までの距離ならびに視野範囲での位置によって決まります。図3は、標準レンズの光線追跡例です。主光線が像面ならびに物体側の光軸に対して斜めになっています。図2ならびに図3のレンズはともに同じ仕様のレンズを使用しています。しかし、開口絞りの位置に相違があります。

画像例
図4はテレセントリックレンズで撮像した写真、図5は、標準的なレンズで撮像した写真です。テレセントリックレンズで撮像した画像では、2つのネジが光軸に沿って約45 mm離れているのにもかかわらず、同じ高さに見えます。標準的なレンズで撮像した画像では、2つのネジの高さが違って見えるので、マシンビジョンにおいては不正確な寸法が測定されます。

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図4:0.128倍率のテレセントリックレンズMVTC23013(旧製品)で撮像した2つのキャップスクリュ。 同じサイズのものが同じ物体面にあるように見えますが、実際は光軸に沿って約45 mm離れています。

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図5:カメラレンズMVL7000で撮像した同規格のキャップスクリュ。離れているキャップスクリュの投影誤差によって正確な高さの寸法が得られません。