映像計測機の光学系に影響を与える多くの要因の中でも、レンズの歪みと作動距離の変動は、見落とされがちではあるものの、計測精度に大きな影響を与える2つの要素である。本稿では、これらのメカニズムと制御方法について分析する。
1. ズームレンズの倍率依存性歪み
光学歪みとは、レンズ結像時に実際の像点位置と理想的な像点位置との間に生じるずれであり、周辺部と中心部の倍率の不一致として現れる。糸巻き型歪みは周辺部の寸法を大きく見せ、樽型歪みは周辺部の寸法を小さく見せる。
ズームレンズの歪みは倍率によって変化するため、各倍率ごとに個別にキャリブレーションを行う必要があります。標準グリッドプレートまたは標準サイズの部品の画像を撮影し、各領域の歪みを計算して、測定ソフトウェアが自動的に適用する補正マトリックスを生成します。低倍率でキャリブレーションを行った後、オペレーターが高倍率に切り替えると、歪み曲線が異なるためマトリックスは適用されなくなり、系統誤差が発生します。倍率を切り替えた後は、必ずソフトウェアが現在の倍率に対応する補正パラメータを読み込んでいることを確認してください。
2. 作動距離が倍率に及ぼす影響
作動距離とは、レンズ前面から加工対象物の表面までの距離のことです。一般的な非テレセントリックレンズの場合、作動距離が変化すると実際の倍率も変化します。つまり、レンズが加工対象物に近づくほど、倍率は高くなります。
段差のある表面や深い空洞など、高さの異なるワークピースを測定する場合、Z軸を移動させて異なる高さにある特徴に焦点を合わせる必要があり、そのたびに作動距離が変化します。ソフトウェアによる補正を行わない場合、高さの異なる特徴には縮尺誤差が生じます。高い位置にある特徴（レンズが近い位置にある場合）は実際よりも大きく測定され、低い位置にある特徴（レンズが遠い位置にある場合）は実際よりも小さく測定されます。平面ワークピースはすべての特徴が同じ高さであるため、ほとんど影響を受けませんが、3次元形状や複数の高さを持つ形状の測定では、この影響を無視することはできません。
3. テレセントリックレンズソリューション
テレセントリックレンズは、主光線を平行に保つ特殊な光学設計を採用しており、作動距離の変化が倍率に与える影響を排除します。つまり、ワークピースの高さが変化しても、特定の形状は画像内で同じサイズを維持し、倍率のずれを根本から解消します。バイテレセントリックレンズは、物体空間と像空間の両方で主光線を平行に保つため、視野全体にわたってより均一な倍率と低い歪みを実現します。
JATENのビデオ計測システムを例にとると、公式製品資料に記載されているように、 JTDIM-200とJTDIM3020はどちらもテレセントリック光学構造を採用しています。JTDIM3020は、高さの変化や端の位置でも目に見える画像の歪みがない超低歪みのバイテレセントリックレンズを搭載し、20メガピクセルのCCDセンサーを2基搭載することで、高精度な輪郭および表面計測のための光学基盤を提供しています。
4. テレセントリックレンズの適用上の限界
テレセントリックレンズの主な欠点は視野が狭いことです。視野径は前玉群の有効開口径によって制限されるため、より大きな形状を測定するには、より大型で高価なレンズが必要になります。したがって、テレセントリックレンズは小型から中型の精密形状の測定に最適です。大型で平面的な形状の測定には、倍率ごとの歪み補正機能を備えた従来のズームレンズで十分です。
5．使用上の推奨事項
光学システムの正しい使用には、各倍率で個別に歪み補正を行い、適切なデータを呼び出すこと、三次元形状を測定する際に作動距離の影響に注意すること、形状のサイズと精度要件に応じてレンズの種類を選択すること、レンズの緩みや汚染による誤差を避けるためにレンズの清浄度と取り付け状態を定期的に確認することが含まれます。
詳細については、以下を参照してください。
https://www.jatentech.com/product/video-measuring-machine-jtdim3020
https://www.jatentech.com/product/jtdim-200-video-measuring-system