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Ruggedized Imaging Lenses

概要

 

イメージングレンズを過酷な環境下で用いる際には耐久化が要求される

 

耐久化にも種類がある

 

新興的アプリケーションではより先進的な耐久化が求められる

 

耐久化の要件: 画像の位置ずれを減らしてポインティング安定性を維持

過酷な環境内で用いられるイメージングレンズは、標準的レンズに求められる以上の特別な要件が求められます。FAやロボット工学、また工業用検査に用いられるレンズは、振動や衝撃、また温度変化やコンタミに晒されることがしばしあります。レンズの耐久化は、こうした過酷な環境においてもレンズが使用できるように取り計らうことから、ロボット工学やオートメーション、そして自動化システムといった新興市場での世界的ニーズの高さも相まって、重要性が特に増しています。耐久化や頑丈、或いは耐環境をうたったレンズの多くは、衝撃や振動からのレンズのピントずれを防いだり、コスト低減目的のための産業用目的の耐久化 (Industrial Ruggedization) が行われています。この耐久化は、メカ機構を簡略化することで行われます。しかしながら、産業用目的の耐久化は、イメージングシステムのキャリブレーションを維持しなければならない要求の最も厳しいアプリケーションでは役不足になります。よりロバストな耐久化のタイプに、レンズによる画像の位置ずれを抑え、衝撃や振動からレンズを真に守る耐久化 - 安定化目的の耐久化 (Stability Ruggedization) があります

産業用目的の耐久化 – 主要なメリット = コスト削減

産業用目的の耐久化では、レンズのメカ機構を可変絞りから固定絞りに、またピント調整時にレンズ系が回転しない二重ねじ式鏡筒をシンプルな一重ねじ式とクランプやナット、或いは止めビスといったロック機構に差し替えて簡略化します。この可動パーツの点数削減は、レンズの製造コストを削減するだけでなく、標準的なイメージングレンズに比較して安定性を向上させます。弱い衝撃や振動時において、レンズのピントずれを置きにくくします。しかしながら、過剰に強い衝撃や振動では、鏡筒内に固定された各レンズ素子が芯ずれを起こす可能性があり、それが画像の位置ずれとなって現れます。画像の位置ずれが起きると、物体がイメージセンサー上の不適な位置に像を結ぶことになります (Figure 1 と Figure 2 を参照)。

Unperturbed system where object crosshair is mapped to the image crosshair
Figure 1: 被写体に十字線パターンを用いてマッピングした不動のシステム
Perturbed system where lenses are decentered within the barrel resulting in pixel shift in which the optical pointing stability changes. Object crosshair is mapped to a different place on the image, which is enough to disrupt system calibration.
Figure 2: レンズ素子が鏡筒内で位置ずれして光学的なポインティングの安定性が変化するシステム。被写体の十字線パターンは像面の異なる場所にマッピングされ、システムのキャリブレーションを損ねる。

代表的アプリケーション:

  • 一旦システムをセットアップしたら、その後は何も変えないような状況
  • コストを抑えなければならないシステム

メリット:

  • 標準的なイメージングレンズに比べてコストを削減
  • 弱い衝撃や振動時に標準的なイメージングレンズに比べてピントずれが起きにくい
  • 複数のレンズ間で高い性能再現性

デメリット:

  • 衝撃や振動によって画像の位置ずれが起こる可能性あり
  • レンズを強い衝撃から保護しない
  • 柔軟性の欠如: 絞りの調整を容易に行えない
  • レンズのピント調整が標準的なイメージングレンズほどスムーズではない

安定化目的の耐久化 – レンズを衝撃や振動から真に保護

安定化目的の耐久化は、産業用目的の耐久化に比べて、より強い衝撃や振動からレンズを保護してくれます。また、光学的なポインティングとポジショニングも維持します。安定化目的の耐久化がなされたレンズは、可変絞りの排除やシンプルなピント調整機構といった産業用目的の耐久化に採用したメカ機構の簡略化と同じ簡略化が図られています。しかしながら、それに加えて、光学系を構成する個々のレンズ素子全てを鏡筒内の所定の位置に接着固定し、素子の位置がずれないようにしてあります。これにより、強い衝撃や振動下においてのピントずれを防ぐだけでなく、キャリブレーションの行われた画像システムで必要となる画像の位置ずれ (画素シフト) も防いでくれます。画素シフトの除去が画像性能にどのような影響を与えるかをFigure 3 と Figure 4に紹介します。安定化目的の耐久化は、キャリブレーションが一旦行われた装置を別の場所に移動した時でも、そのキャリブレーションを失うことなく使用することを可能にします。耐久化をうたった大抵のレンズは産業用目的の耐久化が行われたレンズであり、安定化目的の耐久化で加えられたメリットが備わっていません。

標準的イメージングレンズ
Ruggedized Lenses Line Art
Figure 3: 画素シフトは、画像システムが衝撃や振動を受けた時に生じます。画像システムが揺れるとカメラセンサー上に像を結んだ画像も揺れるため、得られた画像が異なる画素上に毎回シフトする結果を引き起こします。画素シフトは、画像システムが揺れた時にレンズ鏡筒部内に配置した各レンズ素子が位置ずれすることによって起こり、物体の像が画面上でシフトする結果を引き起こします。上の画像では、青色に塗られたレンズ素子が鏡筒部内で動き、センサー上の画像が動いていることがわかります。
安定化目的の耐久化が行われた Cr シリーズレンズ
Ruggedized Lenses Line Art
Figure 4: 安定化目的の耐久化がされたレンズでは、標準的イメージングレンズと比較すると、画素シフトが最小化されます。画像システムが衝撃や振動によって揺れると、内部のレンズ素子は鏡筒部内で静止したままになり、センサー上の画像も結果的に静止したままになります。個々のレンズ素子が接着固定されているため、画面上の物体のシフトが取り除かれます。上の画像では、青色に塗られたレンズ素子が鏡筒部内で静止し、センサー上の画像が動いていないことがわかります。

代表的アプリケーション:

  • キャリブレーションが行われたイメージングシステム
  • 計測 & ゲージ
  • 3D 立体視
  • ロボット工学 & センシング
  • 自動化システム
  • オブジェクトトラッキング
Typical Applictions

メリット:

  • 衝撃や振動時に画素シフトなし
  • 産業用目的の耐久化が行われたレンズよりもより強い衝撃から保護
  • 複数のレンズ間で高い性能再現性

デメリット:

  • 柔軟性の欠如: 絞りの調整を容易に行えない
  • レンズのピント調整が標準的なイメージングレンズほどスムーズではない

Webinar: イメージングレンズの耐久化の種類 (英語音声のみ)

Edmund Optics® のイメージングビジネスユニットディレクターのGreg HollowsによるWebinarです。イメージングレンズの耐久化の種類について学習しましょう。

安定化目的の耐久化が行われたエドモンド・オプティクスのレンズ

エドモンド・オプティクスは、安定化目的の耐久化を施したレンズや、レンズの耐久化をご要望に応じて特注対応するイメージングレンズメーカーです。こうしたレンズは、衝撃や振動を含む過酷な環境に対して、また自動運転やビジョンガイドのロボット工学、計測やゲージ、更にはオブジェクトトラッキングを始めとしたキャリブレーションの行われた画像アプリケーションに理想的です。

TECHSPEC® Cr (Compact Ruggedized) シリーズ レンズ

 

安定化目的の耐久化を行い、衝撃や振動後の画素シフトを最小化

 

個々のレンズ素子を接着固定し、光学的ポインティング安定性を確保

 

簡略化したピント調整機構と広範な固定絞りオプション

 

ステンレス製のC型ロッククランプ装備

よくある質問 (FAQ)

FAQ  耐久化の種類に関する追加情報はありますか?
安定化目的および産業用目的の耐久化に関する追加情報は、アプリケーションノート 「イメージングレンズの高耐久化」、或いは本ページ下部にある技術資料内のホワイトペーパーでご覧いただけます。
FAQ  私のアプリケーションでは、貴社が販売する耐久化レンズの規格品とは異なる仕様のものを必要とします。特注可能ですか?

はい。エドモンド・オプティクスは、経験に長けた光学設計者と機械設計者がいます。また、あなたのアプリケーションに必要なレンズを試作し、お届けする世界屈指の製造設備があります。より詳しい情報は、当社の技術サポートエンジニアにご連絡ください。

FAQ  現在、エドモンド・オプティクスの違うイメージングレンズ製品を使用しています。そのレンズを耐久化することは可能?

はい。レンズの耐久化は可能です。また鏡筒部の部分修正や作動距離の調整、フィルターや液体レンズの実装、絞りの交換といった他の修正も可能です。より詳しい情報は、当社の技術サポートエンジニアにご連絡ください。

FAQ  耐久化したレンズ規格品のZemax 光学設計データは入手可能?
はい。光学設計データ申請フォームを提出ください。技術サポートエンジニアからご連絡差し上げます。
FAQ  耐久化の際に防水仕様にすることは可能?
外来保護目的の耐久化 (Ingress Protection Ruggedization) が別のタイプの耐久化として可能です。レンズをOリングかRTVシリコンでシールドすることで防水、防塵、防曇仕様にしています。EOは外来保護目的の耐久化を採用した耐久化レンズ、TECHSPEC® HEO シリーズ M12 μ-Video™ レンズを在庫販売しています。外来保護目的の耐久化に関する更なる情報は、アプリケーションノート 「イメージングレンズの高耐久化」をご覧ください。

参考資料

アプリケーションノート

理論的説明や公式、図解などを網羅した技術情報やアプリケーション実例です

イメージングレンズの高耐久化
読む  

映像情報

シンプルなヒントから製品のメリットを紹介するアプリケーションベースの実演までを網羅したビデオコンテンツです。

Webinar: イメージングレンズの耐久化の種類 (英語音声のみ)
鑑賞する  

ホワイトペーパー

ダウンロード可能な詳細なホワイトペーパーです。

投稿記事

エドモンド・オプティクスが執筆した業界紙向けの技術論文・記事やEOのエンジニアチームやマネジメントスタッフからの投稿記事です。

"Lens sees clearly even through shock and vibration" by Jessica Gehlhar and Cory Boone - Design World (英語文献)
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お問い合わせください

あなたが直面している光学的アプリケーションの制限因子は何でしょう? 次に解決しなければならない問題は何でしょうか? 当社に今すぐご連絡ください。当社のエンジニアチームが相談に応じ、あなたのアプリケーションの質問に対するソリューションを検討していきます。

 

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