標準的な光学レンズは一般的な画像条件に基づいて設計されていますが、多くの産業用および科学用システムは、より厳しい光学的および機械的制約内で動作します。標準レンズは、正しい公称焦点距離を持っていても、不適切な視野、不十分な作動距離、過剰な歪み、または互換性のない像面を生成する場合があります。取り付け直径、フランジ寸法、ネジの種類、利用可能な設置スペースなどの機械的問題により、追加の制限が生じる可能性があります。

光学機器メーカー、マシンビジョン企業、工業用検査機器サプライヤー、研究機器開発者、光学部品バイヤーにとって、これらの制限により、多くの場合、不適切な標準レンズを中心に既存のシステムを変更するよりも、カスタム光学対物レンズ アセンブリまたはカスタム レンズ交換の方が現実的になります。その目的は、単に特定の焦点距離のレンズを入手することではなく、カメラ、センサー、機械構造、動作環境との互換性を維持しながら、制御された光学性能を達成することです。

カスタム光学対物レンズアセンブリのコアパラメータの選択

カスタム光学対物レンズ アセンブリの出発点は、レンズ自体ではなく、イメージング要件です。 1 つのパラメータを変更すると他のパラメータに影響を与える可能性があるため、いくつかの光学パラメータを一緒に考慮する必要があります。

焦点距離は、物体距離と結像の関係を決定します。センサー サイズが固定されている場合、一般に焦点距離が長くなると視野が狭くなり、焦点距離が短くなるとカバーできる範囲が広くなります。ただし、焦点距離を個別に選択しないでください。必要な作動距離、対象物サイズ、センサー形式、利用可能な機械スペースを同時に考慮する必要があります。

作動距離 (WD) は、マシン ビジョンおよび検査装置において特に重要です。レンズがターゲットから一定の距離で動作する必要がある場合、光学設計はその距離で必要な視野と解像度を維持する必要があります。適切な焦点距離を備えた標準レンズであっても、設計された動作範囲が機器の形状と一致しない場合は、機能しない可能性があります。

視野 (FOV) は、センサーの寸法と必要なオブジェクト領域から計算する必要があります。大きな検査対象にはより広い視野が必要になる場合がありますが、顕微鏡検査では適用範囲よりも倍率と解像度が優先されることがよくあります。したがって、センサーサイズ、焦点距離、作動距離の関係が基本的な設計制約になります。

F/# と開口数 (NA) は、集光、回折限界、被写界深度、達成可能な解像度に影響します。 F/# が低いほど、集光能力が向上し、解像度が高くなる可能性がありますが、被写界深度が浅くなり、収差や製造公差に対するシステムの感度が高くなる可能性もあります。

解像度は単一の仕様から評価することはできません。 MTF、収差制御、歪み、センサー特性はすべて、最終的な画像に影響を与えます。高解像度検査の場合、光学設計は単に公称解像度値を指定するのではなく、センサーとターゲットの特徴に関連する空間周波数で適切なコントラストを維持する必要があります。

レンズ要素の数と種類も重要です。球面レンズは多くの従来の光学設計に実用的なソリューションを提供できますが、非球面レンズは球面収差を制御し、特定のコンパクトなシステムの要素数を減らすのに役立ちます。より複雑な対物レンズ構造では、複数の種類のレンズを組み合わせて色収差、像面湾曲、歪み、軸外性能を制御する場合があります。

光学材料の選択も設計変数です。波長と用途に応じて、材料には、Schott、CDGM、Corning などのサプライヤーの光学ガラスのほか、溶融シリカ、サファイア、CaF2、MgF2、シリコン、ZnSe、または ZnS が含まれる場合があります。材料の選択は、動作スペクトル、伝送要件、環境条件、および光学設計に対応する必要があります。

機械的インターフェースも同様に重要です。レンズの直径、ネジの仕様、フランジの位置、像面の位置、ハウジングの寸法、および取り付け機能を光学設計と調整する必要があります。レンズは光学的目標を満たしていても、機器内に正確に配置できなければ使用できません。

カスタムレンズ交換の際に確認すべき点は何ですか?

既存のレンズを交換するには、モデル番号や焦点距離を一致させるだけでは不十分です。適切なカスタム レンズの交換は、元のアセンブリの光学的および機械的特性を特定することから始まります。

主要なパラメータは次のとおりです。

• 焦点距離と倍率

• センサーフォーマットとイメージサークル

• 視野

• 作動距離

• 像面位置とバックフォーカス距離

• 絞りまたはFナンバー

• 歪みと解像度の要件

• 動作波長またはスペクトル範囲

• 光学コーティング

• レンズ直径とハウジング全体の寸法

• 取り付けネジ、フランジ、またはインターフェイス

• 設置可能スペース

これらのパラメータは、交換レンズが元の結像形状を再現できるかどうかを決定します。

たとえば、25 mm レンズを別の 25 mm レンズに交換しても、必ずしも互換性が保証されるわけではありません。交換品のイメージサークル、後部焦点距離、歪みプロファイル、または作動距離が異なる場合、カメラの視野が異なったり、焦点がずれたりする可能性があります。機械的な基準位置の小さな変化でも、像面に影響を与える可能性があります。

カスタム交換は、元のレンズが製造中止になった場合、OEM コンポーネントが入手できなくなった場合、または標準交換では既存の機器要件を満たせない場合に特に役立ちます。また、光学システムの解像度の向上、異なる波長範囲、より緊密な機械的統合、または光路の再設計が必要な場合にも適しています。

このような場合、既存のレンズを逆分析することで、新しい設計の基礎を提供できます。置換では、必ずしもすべての内部要素を複製する必要はありません。代わりに、目標は、現在のシステムの制約に対処しながら、必要な光学的動作と機械的インターフェイスを再現することです。

レンズを実際の産業用途に適合させる

アプリケーションが異なれば、光学設計の優先順位も異なります。

マシン ビジョン システムでは一般に、制御された歪み、安定した作動距離、センサー全体の十分な解像度、検査領域に一致した視野が必要です。寸法検査の場合、歪みは測定精度に直接影響する可能性があるため、公称分解能に加えて光学補正が重要になります。

産業用検査装置では、特定の空間周波数でのより高いコントラスト、制御された色収差、および画像フィールド全体にわたる一貫した性能が必要な場合があります。検査対象の特徴がセンサーのごく一部のみを占める場合、光学設計では非常に広い FOV よりも解像度とコントラストを優先することがあります。

顕微鏡や科学的イメージングでは、多くの場合、より高い倍率、より短い作動距離、より高い開口数、および収差の慎重な制御が必要です。用途によっては、設計に特定の照明波長や蛍光関連のスペクトル要件との互換性も必要な場合があります。

レーザーおよび光学機器では、波長固有の透過率、コーティング設計、ビーム形状、材料の選択など、追加の考慮事項が必要になります。可視イメージング用に最適化されたレンズが、近赤外線やその他のスペクトル範囲に適していると自動的に想定されるべきではありません。

自動化機器には、限られた設置スペース、固定された取り付け位置、振動、温度変化、再現可能な機械的位置合わせなど、別の一連の制約が課される場合があります。ここでは、光学性能と機械設計を別々のエンジニアリング作業として扱うのではなく、一緒に開発する必要があります。

カスタムレンズの価格が異なる理由

カスタム レンズのコストは、単にガラス要素の数ではなく、エンジニアリングと製造の要件によって決まります。

光学設計の複雑さは大きな要因の 1 つです。中程度の性能要件を備えたシンプルな単波長レンズは、大型センサーをカバーする広視野で高解像度の対物レンズよりも必要な要素が少なく、複雑な補正も必要ありません。

材料の選択もコストに影響します。特殊な光学材料、赤外線透過材料、溶融シリカ、またはその他の用途固有の基板は、入手可能性や処理要件が異なる場合があります。

要素の数、コーティング仕様、表面精度、センタリング公差、エッジの厚さ、機械的ハウジング、および組み立て公差はすべて、製造の難易度に影響します。組み立て中に要素が正確に位置合わせされていないと、光学的に適切に設計されたレンズでも性能が低下する可能性があるため、厳密な偏心とチルトの要件が特に重要になることがあります。

量も重要です。通常、プロトタイプの数量には、エンジニアリング、工具、セットアップ、テストのコストがかかり、より少ないユニットに分散されます。設計が検証された後は、大量生産により製造効率が向上します。

このため、購入者は単価だけではなく、完全な仕様に基づいて見積もりを比較する必要があります。有意義な比較には、光学設計範囲、材料、コーティング、機械的インターフェース、組み立て公差、検査要件、サンプル検証、および文書が含まれる必要があります。

光学設計から精密組立まで

プロのカスタム レンズ プロジェクトは通常、要件定義、光学設計、シミュレーション、公差解析、プロトタイプの製造、精密組み立て、位置合わせ、光学テストといういくつかの段階を経て進行します。

ECOPTIK は、光学部品製造における 15 年の経験を持つ光学カスタマイズ パートナーとして、このエンジニアリング指向のアプローチに従っています。その製造範囲には、球面レンズ、ドーム光学部品、マイクロ光学部品、円筒ミラー、フィルター、プリズム、窓が含まれており、レンズ組立サービスも含まれます。

材料の選択に関して、ECOPTIK は、Schott、CDGM、Corning の光学ガラスに加えて、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、シリコン、ZnSe、ZnS などの材料をさまざまな光学要件に合わせて使用​​します。

テストと検証もプロセスの一部です。 ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、Agilent Cary 7000 UMS などの機器は、光学検査や寸法検査、製品レポートの提供に使用できます。最終アセンブリは個別に許容可能なレンズの集合としてではなく、統合された光学機械コンポーネントとして評価する必要があるため、これはカスタム プロジェクトにとって重要です。

したがって、カスタム光学対物レンズアセンブリを選択する購入者、またはカスタムレンズの交換を計画している購入者にとって、最も重要な質問は、単にメーカーがレンズを製造できるかどうかではありません。メーカーは、光学要件を機械的インターフェイス、製造公差、組み立て精度、テスト、および機器の実際の動作条件と結び付けることができなければなりません。

成功したカスタム レンズ ソリューションとは、既存のシステムに物理的に適合し、必要な結像ジオメトリを再現または改善し、組み立て後に予測可能な光学性能を維持するものです。光学設計、機械的互換性、精密な組み立て、検証の組み合わせが、本物のカスタム光学ソリューションと改造された標準レンズを区別するものです。