在庫品オプティクスを用いてデザインする際の5つのヒント

著者: Jeremy Govier

次期設計プロジェクトに在庫品のオプティクスを利用すると、数多くのメリットが生まれます。予算的あるいは時間的制約によって、特注品のオプティクスを利用するオプションが選択できない場合、在庫品のオプティクスを利用してそのデザイン要件に適合させることができます。在庫品のオプティクスを用いた設計を容易にするのに役立つ、ちょっとしたヒントをいくつか紹介します。

1. シンプルに

紙面上で近軸理論による設計を始め、単位共役比と無限共役比デザインの光学グループに分けましょう。次に、ZemaxやCode V、或いは他の光線追跡ソフトウェアにあるレンズデータライブラリを用いて設計を最適化しようとする前に、各グループに必要となる焦点距離を求めます。近軸理論式を用いて、必要とする焦点距離を求め、その焦点距離を実現する在庫品レンズを選定します。あなたが使用している光線追跡ソフトウェアには、市販されている在庫品レンズを収録したライブラリが入っており (Figure 1)、選定したレンズを用いてレンズの配置を最適化することができます。もしライブラリの中にそのレンズが含まれていない場合は、レンズメーカーが公開しているレンズ設計データを活用してソフトウェア内にそれを入力することができます。EOのTECHSPEC® レンズ製品は、大抵のレンズライブラリの中に収録されています。また当社のウェブサイト上にはZemax ファイルを用意しています。

Figure 1: Zemax にあるレンズライブラリ

2. 単色で行く

可能であるなら、LEDやレーザーのような単色光源を使いましょう。光学フィルターを用いて、単色を用いるシステムにアレンジしても構いません。単色または狭帯域の光を用いることで、デザインの複雑性がかなり軽減されます。大まかな指標として、光源の波長帯域を50nm以下に減らすことができれば、単レンズ複数枚でデザインを完結できるのが一般的です。色収差の解消は、デザインを行う上でその難易度を引き上げてしまうため、広帯域光源を必要としないのなら、あなたのデザインはとてもシンプルなものとなります。

3. 収差補正に在庫品のサブアッセンブリパーツを利用する

アクロマティックレンズ (ダブレットレンズ) や顕微鏡用対物レンズ、マシンビジョン用レンズ、レンズ複数枚構成のリレーレンズやその他のサブアッセンブリパーツといった在庫販売品を用いることで、あなたのアプリケーションで真に必要な補正要件、例えば色や画角、大口径といったファクター、を達成することもできます。これらのサブアッセンブリパーツの光学設計データが各メーカーから開示されている場合、多くの場合においてそのデータが光線追跡ソフトウェア内のライブラリに収録されています (Figure 2)。設計データが開示されていない場合は、その製品を近似するために近軸面を用いることができます。

Figure 2: EO のマイクロビデオレンズ (#58-204)の光学設計データ

4. 固定オプションを検討する

試作品を製作する段階で、特注のハウジングを発注/製作する際の時間や費用を節約するため、在庫販売品の固定オプションを検討してみましょう。光学ケージシステムは、光学系を組み立てるのが容易で、使用者が光学部品間の間隔を調整する際に数多くの自由度を提供してくれます。在庫販売品のケージシステムの多くは、汎用的な光学部品サイズを固定でき、顕微鏡用対物レンズやCマウントカメラ用レンズ、またその他のサブアッセンブリパーツを固定する製品もラインナップしています。

5. 能力を発揮する場所にその部品を用いる

平凸や平凹レンズ、両凸や両凹レンズ、アクロマートレンズといった在庫販売品のレンズは、狭い視界や小さな開口向けに最適化されています。これらの部品は、さほど大きな光線入射角を持たないシステム内に実装された時に最良に機能します。例えば、高倍率リレー光学系を設計する際は、開口数の大きなリレー空間側にはレンズ複数枚で構成された複雑な設計のサブアッセンブリパーツを用い、対する開口数の小さな空間側にはアクロマートレンズ1枚を用います。一例として、15X のシステム (Figure 3) は、20Xの無限補正対物レンズを対物側に配置し、f=150mmのアクロマティックレンズ1枚を像側に配置しており、収差の十分に補正されたシステムに仕上がっています。

Figure 3: 在庫販売品の部品を用いて素早く組み上げた 15X マイクロスコープ