液体レンズについて

液体レンズは、レンズのピント合わせを機械的な動きではなく電子的に行うことで、イメージングシステムの被写界深度 (DOF) の制限を克服可能にします。これは、物体に高低さがあったり、作動距離が変化するアプリケーションにとっておきのソリューションとなります。この種のアプリケーションに対する従来のソリューションは、電動ズームレンズの使用や被写体を物理的に位置変更することでした。従来のレンズのDOFを増加させる別の方法は、レンズの絞りサイズを小さく絞り、Fナンバーを増加させることです。しかしながら、これは解像力やイメージングシステムを通過する光の量を低下させてしまい、フレームレートと画質を低下させます。液体レンズを実装することで、イメージングシステムはピント合わせを電子的に行え、カメラから対象物までの距離にかかわらず、フレームレートや画質を妥協する必要性をなくします。

ガラス製の従来の光学レンズと同様に、液体レンズは一枚構成の光学素子ですが、その形状を変えることのできる光学液体材料を用いています。ガラス製レンズの焦点距離は、ガラスの材料とその曲率半径に依存します。液体レンズにも同じ基本原理が適用されますが、液体レンズは曲率半径を変えることで焦点距離を変えられる点で独特です。曲率半径の変化を電子制御で行い、ミリ秒オーダーで瞬時に変化させます。この技術を持つメーカーは、液体レンズの曲率半径と屈折率の制御を行うためにエレクトロウェッティングからポリマーの形状変更、そして音響光学チューニングに至るまでのテクノロジーを利用しています。

大抵のイメージングレンズは、複数枚のレンズ素子で構成されています。なぜなら、一枚構成のレンズ系だと十分な結像性能が得られないためです。同じ理由から、液体レンズ単独で使用することもお勧めできません。しかしながら、液体レンズをレンズ複数枚構成のイメージングレンズ内に実装することで、液体レンズの速度と柔軟性を上手く活用することができます。近密と無限遠の両方へのピント調整をミリ秒単位で行える能力を持たせることで、検査対象物のサイズや液体レンズからそこに至るまでの距離が異なる場合 ? 例えばバーコードリーダーや梱包品の選別、セキュリティー、素早い自動化など、複数の距離でのピント合わせが求められるアプリケーションに最適な選択肢にします。液体レンズは、素早いピント合わせを必要とする広範なアプリケーションに対してイメージングシステムの柔軟性を最大化するのに用いることができます。

Figure 1:レンズの公式は、レンズの焦点距離を計算するのに用いることができる。この式は、焦点距離が屈折率 (n) と曲率半径 (R) に依存していることを表している。焦点距離 (f) は、より屈折率の高いガラスを用いることで短くすることができ (右上図)、また曲率半径 (R) を変えることでも短くすることができる(右下図)。液体レンズは、レンズのRの大きさを電子制御することで機能する。

可変フォーカス液体レンズを固定焦点レンズに実装する

TECHSPEC^® Cx シリーズレンズは、ユニークなモジュール型3ピースデザインを採用する固定焦点レンズです。前側と後側のレンズ素子は独立した別々のハウジング内に固定されているため、レンズ中央の開口絞り部に容易にアクセスできます。これにより、ユーザーが可変フォーカス液体レンズをCxレンズの開口絞り部に簡単に実装できるようになります。様々な焦点距離をラインナップするTECHSPEC^® Cx シリーズレンズは、液体レンズの電子式オートフォーカスによる作動距離調整と、マルチエレメントレンズとしての画質性能を同時に提供します。以下の各ステップ毎の図は、可変フォーカス液体レンズをCx シリーズレンズ内にどのように取り付けるかを説明します。当社のCx シリーズレンズに関するより詳細な情報は、製品ページをご覧ください。

可変フォーカス液体レンズ
モデル:	Arctic 25H0		Arctic 39N0
開口径 (mm):	2.5		3.9
屈折力範囲 (ジオプター):	-5 ~ +13		-5 ~ +15
直径 (mm):	9.4		15.2
全厚 (mm):	3.5		5.2
レンズ単体の商品コード/価格 (税別)	#34-282	￥12,350	#34-283	￥16,250
開発キットの商品コード/価格 (税別)*	#34-284	￥103,350	#34-285	￥103,350

*開発キットは、液体レンズ、駆動用エレクトロニクス、ケーブル、ソフトウェアから構成されます

ステップ 1： Cx レンズの焦点距離を選択し、その焦点距離のレンズと互換性のある可変フォーカス液体レンズや液体レンズホルダーを選定する。あるいは、単純に、Cxレンズと、それに互換性のある可変フォーカス液体レンズと同レンズホルダーで構成されたCx シリーズ液体レンズキットを選択する。

ステップ 2： 可変フォーカス液体レンズを液体レンズホルダー内に取り付ける。次に、両アイテムをCx レンズの鏡筒中央部内に組み込む。詳しい手順は、ウェブサイト上でダウンロード可能なPDFマニュアルで確認可能。

ステップ 3 - オプション 1： 液体レンズを搭載したCx シリーズレンズを PixeLINKR USB 3.0 オートフォーカスカメラに装着する。このカメラは、ドライバーとオートフォーカスのソフトウェアによってシームレスな実装を可能にする。

ステップ 3 - オプション 2： 標準的なCマウントカメラと組み合わせて使用。この場合、ドライバーが含まれていないため、液体レンズドライバーを別に購入する必要あり(ドライバーは液体レンズ開発キットの中に付属)。

Optotune フォーカス・チューナブルレンズを固定焦点レンズに実装する

Optotune フォーカス・チューナブルレンズは、Cマウントハウジングのものが利用できます。適切なねじ変換アダプターを用いることで、Optotune フォーカス・チューナブルレンズをTECHSPEC^® Cシリーズ固定焦点レンズやCiシリーズ固定焦点レンズの前側 (対物レンズ側) に簡単に取り付けることができます。既存の固定焦点レンズに液体レンズを装着することは、大きな被写界深度を求めるアプリケーションに対して有用となります。液体レンズは、イメージングレンズの焦点範囲全体にわたり電子的なピント合わせを可能にします。以下のステップ毎の表は、適切なイメージングレンズ、アダプター、及び液体レンズの組み合わせをセンサーサイズ別に紹介しています。なお液体レンズは、固定焦点レンズの前に配置されるため、開口が制限されて口径食 (像のケラレ) が起こることも考えられます。口径食に関するより詳細な情報は、センサーへの周辺光量 – ロールオフ (周辺減光)と口径食 をご覧ください。