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マシンビジョンシステムの見栄えの再現
解析概要
マシンビジョンシステムでは、対象物の形状や寸法だけでなく、表面の光沢や質感も検査精度に大きく影響します。そのため、実機で評価する前に、対象物がカメラにどのように映るかを確認することが重要です。
本事例では、Ansys Zemax OpticStudioのノンシーケンシャルモードを用い、対象物表面の反射・散乱特性を考慮した光線追跡を実施します。これにより、照明条件や表面特性の違いがカメラ画像に与える影響をシミュレーションし、マシンビジョンシステムにおける対象物の見え方を評価します。
背景/課題
モノの見え方
人間の眼やカメラは、物体の形状や色だけでなく、表面の質感も捉えています。例えば、金属やガラスのように光沢のある素材と、紙や樹脂のようにマットな素材は、一目で区別できます。このような質感の違いは、光学的には「反射」と「散乱」によって説明できます。例えば、透明なガラスは表面が滑らかなため、入射光が一定の方向に反射し、観察角度によっては強いハイライトが生じます。その結果、表面にツヤがあるように見えます。一方、すりガラスの表面には微細な凹凸があるので、入射光がこの凹凸によってさまざまな方向へ散乱し、特定方向への反射光が弱まり、光沢感が抑えられます。そのため、同じガラスでもマットな質感として認識されます。
「モノを見る」をシミュレーションする
一般的な光学設計では、カメラレンズの結像性能や照明機器の配光特性などをシミュレーションで評価します。しかし、光学シミュレーションでは、こうした性能評価に加えて、「人やカメラから見たときに製品がどのように見えるか」を再現することも可能です。物体の見え方は、表面で生じる反射や散乱といった光の振る舞いによって決まります。これらの光学特性をモデル化し、光線追跡によって計算することで、製品の質感や外観を仮想環境上で再現できます。製品開発では、性能要件を満たすだけでなく、利用者にどのように見えるかを事前に評価することも重要です。光学シミュレーションによる見栄え評価を活用すれば、試作前の段階から製品の外観や質感を確認でき、完成度の高い製品開発につなげられます。
そこで本事例では、OpticStudioのノンシーケンシャルモードを用いて、反射・散乱特性を考慮した光線追跡を行い、マシンビジョンシステムから見た対象物の見え方や質感を解析する方法をご紹介します。
設計の仕様
観測対象と撮像系
本事例で扱うモデルの構成を図1に示します。モデルは、「白色光源」、「撮像カメラ」、「3つの球体」、「球体を設置する板」で構成されています。球体と板の材質にはMIRRORを設定し、入射した光をすべて反射させます。反射光のうち、上方に配置したカメラレンズモデルに入射した光が、レンズ後方のディテクタに到達し、解析対象となる画像を形成します。また、光源は白色ですが、各球体はそれぞれ異なる反射特性を持ちます。これにより、カメラが3つの球体をそれぞれ異なる色として認識する様子を再現します。
図1 : シミュレーションモデルのイメージ
観測対象表面の反射特性
球体で反射する光の波長を制御するため、3つの球体にはそれぞれ異なるコーティングを設定することで反射特性を再現します。図2に、今回使用した3種類のコーティングの分光反射特性を示します。例えば、赤色のプロットで示した「Red」コーティングは、約0.60 μm以上の波長域で高い反射率を示します。そのため、このコーティングを施した球体からの反射光では、主に赤色成分が撮像カメラに到達し、カメラ画像上で球体が赤く見えます。同様に、各球体へ異なる分光反射特性を持つコーティングを適用することで、反射光の波長成分を制御し、カメラ画像上で異なる色として識別できるようにします。
図2 : 波長別反射率コーティングデータ
観測対象表面の散乱特性
さらに、色の違いだけでなく、球体表面のマットな質感も再現するため、3つの球体に散乱特性を設定します。これにより、球体に入射した光は球体の表面で散乱を伴って反射します。今回は図3で示すような、散乱光の角度分布がガウス分布となるガウシアン散乱を設定します。散乱角度が広いほど表面はよりマットに見え、散乱角度が狭く正反射方向に集中するほど、ツヤのある見え方になります。
図3 : ガウシアン散乱のイメージ
解析結果
実際のモデル
図4に、本事例の解析に使用したモデルを示します。図中には表示されていませんが、矩形の平面を白色光源としてモデル化し、そこから球体に向けて光線を出射します。球体表面で散乱した光のうち、右上に配置した撮像カメラへ到達した光を追跡することで、対象物の見栄えを再現します。
図4 : 実際の解析モデル
また、白色光源は図5に示す条件で設定しています。色温度は6500 K、波長数は50、波長範囲は0.38～0.78 μmです。
図5 : 光源の設定
結果の評価
光線追跡の結果を図6および図7に示します。図6は色味や質感の見え方を再現した画像、図7は放射照度分布です。両者を比較すると、中央の緑色の球体が特に明るく、奥の青色の球体が暗く見えます。放射照度分布でも、中央の球体は放射照度が高く、奥の球体は低いことが確認でき、見た目の明るさと対応しています。また、球体を設置した板は明るく白く見えますが、この傾向も放射照度分布と一致しています。
図6 : 見栄えの結果
図7 : 放射照度の結果
まとめ
本事例では、OpticStudioのノンシーケンシャルモードを用い、観測対象物表面の反射特性と散乱特性を考慮した光線追跡を行いました。これによりマシンビジョンシステムから見た対象物の色の違いと質感といった外観を再現できます。また、見栄えを再現した画像と放射照度分布を比較することで、画像上の明るさを定量的な解析結果と対応付けて評価もできます。このような解析は、照明、撮像系、対象物の表面特性を含めたシステム全体の検討に活用でき、試作前の段階で検査画像の見え方を確認するうえで有効です。