産業用画像処理の場合、可視光用に設計されたレンズは、紫外線範囲では自動的に同じ性能を発揮できません。波長が短くなるにつれて、可視スペクトルでうまく機能する光学材料でも、吸収が強くなり、透過率が低下し、色誤差が生じ、画像が劣化する可能性があります。センサーに到達する UV 信号がすでに制限されている場合、表面反射も大きな問題となります。

このため、最適な UV レンズを選択するには、焦点距離やレンズの価格を比較するだけでは不十分です。使用波長、光学材料、透過率、開口数、視野、センサー形式、作動距離、収差補正、コーティング設計、および機械的安定性をすべて一緒に考慮する必要があります。マシンビジョン、精密測定、科学画像処理、および UV 検査システムの場合、レンズはカメラと対象物間の単なる機械的インターフェイスではなく、信号チェーンの一部です。

UVレンズは何をするのですか?

UV レンズの基本的な機能は、物体または UV 照明源から紫外線を収集し、それを光学システムを通して伝送し、使用可能な UV 信号をカメラ センサーに集束させることです。ただし、これを効率的に達成することは、可視光を集光することよりもはるかに困難です。

UV レンズでは、まず、目的の波長範囲で適切な透過率を持つ材料を使用する必要があります。たとえば、UV 溶融シリカは、近紫外および深紫外領域まで有効な透過率を提供するため、UV アプリケーションに広く使用されています。一方、CaF2 は、必要な波長がさらに深紫外に及ぶ場合に特に価値があります。したがって、材料の選択は一般的な仕様ではなく、アプリケーションの波長と直接的な関係があります。

レンズは色収差や幾何収差も制御する必要があります。 UV 波長は可視波長とは異なる屈折挙動を持ち、UV 光学設計に利用できる実用的な材料の数はさらに限られています。これにより、従来の可視光光学ガラスで達成できる補正、絞り、焦点距離、スペクトル範囲の同じ組み合わせを得ることがより困難になります。深紫外対物レンズに関する研究では、色収差を補正する際には材料の分散と波長依存の屈折率が重要であることが実証されています。

表面処理も重要な要素です。バルク材料が必要な波長を透過する場合でも、空気とガラスの各界面で反射損失が生じる可能性があります。したがって、反射防止コーティングは実際の動作帯域を中心に設計する必要があります。ある UV 範囲に対して最適化されたコーティングが、別の範囲にわたって同等の透過率を提供すると自動的に想定されるべきではありません。たとえば、特殊な UV 光学系では、220 ～ 450 nm などの定義された帯域に最適化された多層コーティングが使用される場合があります。

これは、UV レンズと従来の可視光レンズの基本的な違いの 1 つです。光学システムは、単純に UV 波長に拡張するのではなく、UV 波長を中心に設計する必要があります。

産業システムに最適な UV レンズとは何ですか?

1. UV 透過率は実際の作業帯域と一致する必要があります

透過率は、単一のピーク透過率値からではなく、動作波長範囲全体にわたって評価する必要があります。

365 nm 付近で動作するシステムには、266 nm、248 nm、193 nm、またはそれ以下で動作するシステムとは異なる材料要件があります。 UV 溶融シリカは多くの UV 用途に一般的に使用されていますが、CaF₂ は従来の材料が透過性を失う深 UV 用途ではますます重要になっています。たとえば、公開されている光学材料データは、UV 溶融シリカが約 195 nm までの実用的な選択肢であることを示していますが、CaF2 は UV のさらに奥まで広がっています。

したがって、調達においては、単に「このレンズは UV を透過しますか?」という質問ではなく、より有益な質問となります。しかし：

どの波長で、どのような透過率で、どのような光路長を通過し、どのようなコーティングを施したのでしょうか?

2. 解像度は UV センサーに一致する必要があります

カメラのメガピクセル数だけを基準にしてレンズを選択すべきではありません。光学解像度は、アプリケーションに必要なピクセル ピッチと空間詳細をサポートするのに十分である必要があります。

たとえば、高解像度の UV カメラと過剰な球面収差、色収差、または像面湾曲を含むレンズを組み合わせた場合、有用な追加の詳細を生成できない可能性があります。逆に、実際の解像度要件を大幅に超える光学設計は、最終的な測定を改善することなく、コストと複雑性を増大させる可能性があります。

したがって、焦点距離、F/#、センサーサイズ、作動距離、物体サイズは 1 つの光学系として考慮する必要があります。 F/# が小さいほど収集される光が増加し、UV 照明が弱い場合には有益になる可能性がありますが、収差制御がより厳しくなる可能性もあります。適切な妥協点は、必要な被写界深度、解像度、照明レベル、測定精度によって異なります。

3. FOV と作動距離により実際の画像ジオメトリが決まります

マシンビジョンや検査装置では、多くの場合、公称焦点距離よりも視野の方が重要です。

適切な焦点距離を備えたレンズは、画像フィールド全体で十分な解像度を維持しながら、必要なオブジェクト領域をカバーする必要があります。作動距離は、機械的な統合、照明の形状、筐体の設計、検査対象のコンポーネントへのアクセスのしやすさにも影響します。

精密測定の場合、歪みとフィールド依存の分解能が特に重要になります。レンズは視覚的に鮮明な中央画像を生成する場合がありますが、それでもフィールドの端付近で許容できない測定誤差が発生することがあります。このため、レンズの仕様には、画像中心の性能のみに依存するのではなく、フィールド全体の光学要件を含める必要があります。

UV 光学材料とコーティング: 溶融シリカと CaF₂

UV 溶融シリカは、強い UV 透過性、良好な光学的均一性、低い熱膨張、および実用的な製造可能性が必要とされる場合に一般的な選択肢です。これは、深紫外領域にまで及ぶ UV イメージングおよび光学システムで広く使用されています。

CaF₂ はより広範囲の深紫外透過を提供し、動作波長がさらに下に移動するにつれて有利になる可能性があります。また、色収差の管理を支援するために、マルチマテリアルの光学設計にも使用されます。ただし、CaF₂ は結晶材料であり、製造および取り扱いに関する考慮事項が溶融シリカとは異なります。その光学的動作により、特に要求の厳しい深紫外システムでは、波長とアプリケーションに依存した設計上の考慮事項が導入される可能性があります。

したがって、重要な決定は、実際の波長、光パワー、環境条件、必要な解像度、および設計アーキテクチャに基づいて行う必要があります。すべての UV イメージング アプリケーションに自動的に正しい選択となる単一の UV マテリアルはありません。

コーティングの選択も同じ原則に従います。 UV AR コーティングは、動作帯域、入射角、基板材質、および必要な透過率に基づいて指定する必要があります。広帯域アプリケーションの場合、コーティング アーキテクチャは、1 つの波長のみを最適化するのではなく、ターゲット範囲全体にわたって透過率のバランスをとる必要があります。

レンズをカメラおよび UV 光源に合わせる

UV レンズ、カメラ センサー、および照明源は、単一のイメージング チェーンとして扱う必要があります。

まず、発光または照明の波長を特定します。 365 nm LED 光源、254 nm 光源、および 193 nm UV システムでは、レンズの材質とコーティングに非常に異なる要件が課されます。

次に、カメラセンサーのスペクトル応答を確認します。センサーのターゲット波長での感度が限られている場合、レンズの透過率を高めるだけではシステムレベルの信号の問題を解決できません。

センサーのフォーマットとピクセルピッチによって、必要なイメージサークルと光学解像度が決まります。焦点距離と作動距離は視野を確立しますが、F/# は集光と被写界深度に影響します。低信号 UV 検査では、光源、対象物、レンズ、センサー間の光損失によって利用可能な信号が減少するため、効率的な光子の収集が特に重要になります。

機器メーカーの場合は、機械的な互換性も早期にチェックする必要があります。マウントの寸法、レンズバレルの安定性、熱膨張、耐振動性、フォーカシング機構、および環境シーリングはすべて、長期的なキャリブレーションと画像の一貫性に影響を与える可能性があります。

UV レンズが実用的な価値を発揮する場所

産業用ビジョンでは、UV イメージングにより、可視照明下では区別するのが難しい表面の特徴や欠陥を明らかにすることができます。レンズは、選択された UV バンドを透過しながら、十分なコントラストと空間ディテールを維持する必要があります。

精密測定では、幾何学的歪み、フィールドの均一性、色彩効果、再現性が重要になります。一般的な紫外観察用に選択されたレンズは、紫外光を透過するため、寸法測定には適さない場合があります。

欠陥検査では、優先順位が信号効率と分解能に移る場合があります。小さな汚染、コーティングの欠陥、表面の凹凸、または材料の違いには、適切な波長の選択、照明の形状、および光学解像度の組み合わせが必要になる場合があります。

科学画像および研究システムの場合、波長範囲はより狭く、光学設計はより特殊化される場合があります。深紫外アプリケーションでは、材料の透過率、表面品質、コーティング性能、および収差補正に対して非常に厳しい要件が課される可能性があります。光学研究では、深紫外対物レンズの色収差を制御するために溶融シリカと CaF₂ などの組み合わせを使用することが実証されています。

最適な UV レンズの選び方

実際の UV レンズ選択プロセスは、製品カタログではなくアプリケーションから始める必要があります。

1. 波長を定義する: 最小、最大、および主な動作波長を確立します。

2. 材料の透過率を確認する: 基板が実際の帯域全体にわたって適切な透過率を提供していることを確認します。

3. センサーを指定する: センサーの形式、ピクセル サイズ、スペクトル応答、および必要な解像度を考慮します。

4. FOV と作動距離の計算: 検査システムに必要な焦点距離とイメージサークルを決定します。

5. F/# 要件を設定します。集光、被写界深度、収差制御、利用可能な照明のバランスをとります。

6. 光学補正を評価する: 有効視野全体の歪み、色収差、像面湾曲、および解像度を確認します。

7. AR コーティングを確認する: コーティングが意図した UV 波長範囲向けに設計されていることを確認します。

8. 機械的安定性を検討する: 振動、温度変化、取り付け、焦点合わせ、および長期的な寸法安定性を考慮します。

9. カスタマイズを検討する: 標準レンズが波長、FOV、解像度、作動距離、機械的要件を同時に満たせない場合は、カスタム光学設計の方が適切な場合があります。

ECOPTIK: 精密用途向けのカスタム UV レンズ開発

ECOPTIK は15 年間光学部品製造技術を研究しており、産業用ビジョンおよび精密測定システム向けにカスタマイズされた光学ソリューションを提供しています。同社の光学製造ポートフォリオには、ドームレンズ、球面レンズ、マイクロ光学部品、円筒ミラー、フィルター、プリズム、窓、レンズアセンブリが含まれます。

UV アプリケーションの場合、ECOPTIK は、Schott、CDGM、Corning などのサプライヤーの光学材料だけでなく、UV 溶融シリカ、CaF₂、MgF₂、サファイア、Si、ZnSe、ZnS などの特殊材料も使用しています。したがって、材料の選択は、基板を分離されたコンポーネントとして扱うのではなく、必要なスペクトル範囲および光学アーキテクチャに合わせて調整できます。

ECOPTIK はレンズ組立サービスも提供しており、ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、Agilent Cary 7000 UMS などの機器を光学的および寸法評価および製品レポートに使用しています。これは、透過率、光学性能、寸法精度、機械的統合を一緒に考慮する必要がある UV レンズ開発へのより完全なアプローチをサポートします。

OEM およびシステム インテグレータにとって、最終的には、光学設計が実際の波長、センサー、視野、作動距離、解像度、照度、および環境要件に対応するレンズがベスト UV レンズとなります。適切に設計された UV レンズは、紫外線を透過するだけではなく、使用可能な光信号を保存し、イメージング システム全体に必要な一貫性を備えた測定可能な画像情報に変換します。