髙木秀明61

吉備国際大学研究紀要（医療・自然科学系）
第29号，61−68，2019

マイクロレンズアレイを用いた
文化財非破壊分析用プローブ開発のための先行調査
髙木秀明

A preliminary survey of development of a probe using micro-lens arrayfor non-destructive analysis in conservation science
Hideaki TAKAGIAbstract
A preliminary survey of development of a probe for analysis in rough surfaces of culturalproperties was undergone to applicate a micro-lens array（MLA）as a condenser. MLAs
have been used in the field of video equipment such as liquid crystal projectors and oflithography in industry of semiconductor. MLAs are also expected to down-size chemical
analysis such as lab-on tips techniques. Firstly, written letters on a name card weremagnified by MLA and the images were observed with the naked eye. The MLA wasplaced closed to the name card and matrixes of chrome masks of itself were observed.
Secondly, an USB camera was adopted to record results of observations as digital images.
In the case of the use an MLA, each micro-lens magnified these letters, respectively andstaggered images were obtained. In addition, gone counterclockwise 45-degree MLA showed
the images like the right-upward letters. In the case of the use of two MLAs and there
was the distance of 5 mm between them, none of these letters were record at the focused
position and the matrixes of the chrome masks were record the closed to the name card. To
promote the further development need to adopt instruments to precise a distance between
two MLAs and to adopt a method of photo-detection quantitatively.
Key words：micro-lens array, observation with the naked eye, record by digital still camera
キーワード：マイクロレンズアレイ，目視観察，画像取得

１．はじめにものである。）は，サブミリメートルの直径をもつレンズが配列され，そのアレイサイズが10mm角程マイクロレンズアレイ（市販されているものの多度である。撮像素子や光検出素子と組み合わせるこくは，直径が100〜300µmのレンズが正方配列したとにより，素子ごとにレンズをもたせることができ

吉備国際大学外国語学部〒700-0931 岡山県高梁市伊賀町8
School of Foreign Language, Kibi International University
5-5, Okudanishi-machi Kita-ku, Okayama, Japan（700-0931）

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マイクロレンズアレイを用いた文化財非破壊分析用プローブ開発のための先行調査るため，撮影後に焦点合わせの画像処理を行うこと

ム製マスク（マイクロレンズ以外の部分の光を遮断ができる［１］。マイクロレンズアレイと似た光学素する），円形（レンズ径146µm）平凸型マイクロレ子でマクロな光学素子としてフライアイレンズがあンズ，Fill Factor（曲線因子74.5%），正方格子配列，。

レンズピッチ=150µm，f=5.2mmの仕様をもつソーり，光を均等に照射する機器に利用されている

［２］そして同じような目的でマイクロアレイレンズが，映像機器のプロジェクターや半導体工業でのリソグラボジャパン製を使用した。
USBカメラは，1/2.5インチCMOSカメラ（有効ラフィーにも利用されている［３］。微小な空間で分画素数2592×1944（500万画素））L-835

析化学的な実験を行い，分光学的測定も行えるよ製を使用した。

ホーザン

うになるなど新しい光学素子としても注目されてUSBカメラのレンズは，L-802＋L-819（作動距いる［４］。特に，天文学の分野では，シャック－ハ

離53mm），L-802+L-818（作動距離85mm）ホーザ

ルトマン方式の光の波面センサーに採用されていン製を使用した。

る［５］。

そ し て，Macbook AirのWindows10環 境 下 に

本著者は，文化財非破壊分析などサンプリングが不可能な固体試料の表面分析を行ってきている。絵

HOZAN USB cam software Ver 2.0をインストール
し，静止画を取得した。

画などの文化財の素材分析を行う際，平坦化などの調整が不可能な凹凸のある表面に光を照射し，発生（2） 方法する反射光や蛍光を検出して材料分析を行ってい被写体モデルとして名刺をUSBカメラの作動距る。一定方向に向いた光を取得するため，光の量が離に置き，焦点を合わせその一部を撮影した。マイ検出する機器に対して不足していたり，本来集光すクロレンズアレイをカメラのレンズの先端から名刺べき光が検出できない方向に向いていたりする場合の間を行き来させ，画像がどのように変化するかをがある。マイクロレンズアレイを用いてこれらの光観察した。マイクロアレイレンズは，一つのマイクを効率よく集光できれば，表面を傷つけるサンプリロレンズが平凸レンズの形状をしている。１）マイングなしであるいは短時間でより精度のよい分析がクロレンズアレイを１枚使用し，被写体側に凸にできるのではないかと考えている。

した状態。２）マイクロレンズアレイを２枚使用

今回，マイクロレンズアレイを１枚もしくは２枚し，２枚の間隔は，３mmの厚さとなるように上質組み合わせて使用し，光の集光効果を目視観察や紙を重ね，マウントのレンズウィンドウと同じ寸法による画像の記録を行う先行的なにくり抜き，マスキングテープでマウントに固定しUSBカメラ

［ 注１］

実験結果の考察を行った。

５mmとした。固定する際のレンズの向きは，次のとおり，２−ａ）凸側がお互いに外向きになるよう

２．実験（1） 機器
マイクロレンズアレイは，Ø25.4 mm（Ø１インチ）に，２−ｂ）凸側がそれぞれ名刺側に向くように，２−ｃ）凸側が互いに内側に向き合うようにして撮影した。なお，２枚の格子配列は，平行になるようにした。

マウント（レンズウィンドウの開口部［９mm×９条件２－ａ）から２－ｃ）で取得した画像（図２－mm］）付きレンズアレイ（アレイサイズ10mm×a－１から図２－c－２）は，本著の印刷の都合上，10mm×1.2mm），溶融石英（300～1100nm），クロMicrosoft Windows 8.1に付属のアプリケーション，髙木

秀明

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フォトにて明るさ50，コントラスト50に画像補正し，点，名刺から約５mm離した地点，ピントを合わし掲載している。

レンズを左に45°回転させて撮影した。ピントがあった地点では，被写体はモノクロ印刷された黒色の文

３．結果（1） 目視観察
マイクロレンズアレイを被写体モデルの名刺に近字であるが，それらの文字の輪郭が回折した画像となった（図１b）。名刺から約５mm離した画像も大きな差がなかった（図１c）。45°回転させると文字が右上がりとなった画像が得られた（図１d）。

づけ，レンズ越しに目視で観察をしてみたところ，レンズマウントが名刺に接触するところまで近づけ

２）マイクロレンズアレイを２枚用いて撮影るとレンズ内に黒い格子状の模様を確認できた。こ

目視観察の結果からもレンズを２枚重ねることでれは，レンズの直径が146µmの円形レンズが150µm

光の透過率が低下し，暗い画像となった。マイクロのピッチの格子状に整列しており，レンズを除いたレンズの凸面の３つの組合せ方法による画像取得の部分はクロムマスクされており光が透過しないため結果は以下のとおりとなった。

である。２枚のマイクロレンズアレイを重ねて観察した。レンズはマウントされているため，マウント表面からレンズ面までは1.5mmの深さがある。重２−ａ）凸側がお互いに外向きになるように重ねた場合なっている面では，レンズ間が，３mm離れているレンズを２枚に組み合わせ，ピントが合う位置でことになる。２枚重ねると，透過率が低下するため，撮影したところ文字の部分がモザイク状になった。

レンズを通した名刺の白い部分は暗くなった。前章

先述のマイクロレンズアレイを１枚用いた時は，文の２−（2）方法の節で述べた，２−ａ）から２−ｃ）

字を読むことができたが，今回の場合は，文字を読までの３つの条件で，レンズを通して被写体を目視むことは不可能であった（図２−a−１）。名刺にレ観察したが，方法間で変化は認められなかった。たンズを密接させた場合（この時は，ピントが合うとだし，マイクロレンズが格子状に整列しているため，ころとなった。）は，クロムマスクによって光が透

マイクロレンズアレイを左に45°回転させると像も過しない部分は黒い点が格子状に現れた（図２−a歪んだ。90°になると格子と平行になるために，回−２）。文字の判読への影響は，画面全体が暗くなっ転前と同じになった。

た，黒い点以外はなかった。レンズによる拡大や縮小の効果はほとんど観察されなかった。

（2） USBカメラを用いた画像取得
目視の状態を記録するため，USBカメラを用いて，方法で述べた１）と２）の条件で画像取得した。

２−ｂ）凸側がそれぞれ名刺側に向くように重ねた
場合組み合わせたレンズをピントの合う位置で撮影し１）マイクロレンズアレイを１枚用い，被写体側を凸にして撮影
マイクロレンズアレイをUSBカメラのレンズ（作動距離53.2mm，視野7.4×5.6mm）に接触した地点
から名刺までの間を移動させ，ピントがあった地た画像（図２−b−１）および名刺に密接させて撮影した画像（図２−b−２）の両者は，それぞれ先の２−ａ）で得られた画像と大差はなかった。

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マイクロレンズアレイを用いた文化財非破壊分析用プローブ開発のための先行調査２−ｃ）凸側が互いに内側に向き合うように重ねた
場合画像に大きな違いが見られなかった。通常サイズのレンズの場合，２枚以上の平凸レンズを使用する場組み合わせたレンズをピントの合う位置で撮影し合は，それぞれの焦点距離（今回は２枚とも同じ。）た画像（図２−c−１）および名刺に密接させて撮に応じて，レンズ間の距離を一定にし，凸側の向き影した画像（図２−c−２）の両者は，それぞれ先によって集光効果に違いが見られるが今回は，大きの２−ａ），２−ｂ）で得られた画像と大差はなかっな差が見られなかった。

た。

通常サイズの平凸レンズで見られるような集光効果の変化が観測できなかったため，目視観察やUSB

４．考察
マイクロレンズアレイ上にあるレンズ１個を平凸カメラによる観察だけではなく，実験精度を上げるための機器を使用し，光を定量的に検出する方法を考慮するなどの研究を発展させる必要がある。

レンズとして焦点距離や光路を考慮しながら，格子配列したレンズアレイを通した被写体の像の変化とレンズ配置を検討した。

５．まとめ１枚のマイクロレンズアレイを用いた場合は，被直径が150µmの平凸様のレンズが正方配列したマ

写体の名刺の文字が拡大され，レンズ１個あたりイクロレンズアレイが凹凸のある表面で反射したさ拡大された画像がUSBカメラ上で合わさった像とまざまな方向に向いた反射光を効率よく集光できるなった。赤・緑・青の輪郭が確認できることから可能性を調査するための基礎実験を行った。具体的も，光の回折や干渉が起こっているものと推測してには，マイクロレンズ１枚を通して被写体の目視観いる。マイクロレンズアレイを45°回転させると像察およびUSBカメラによる観察，２枚重ねた場合，も歪むことから，マイクロレンズごとに集光された凸側の方向の組合せごとの観察結果を考察した。

光がUSBカメラに届いていることも推測される。

マイクロレンズアレイ１枚を用いた場合，被写体２枚のマイクロレンズアレイを重ねた場合，１枚は幾分拡大された像が得られたが，隣り合ったマイの場合に比べて，像への影響が大きくなった。被写クロレンズが拡大した像の重なったような結果と体にレンズを密接した場合は，拡大効果はほとんどなった。２枚重ねて用いた場合は，凸側に向きに関なく，マイクロレンズアレイのもつクロムマスクの係なく，１枚の時よりも像の確認が困難な重なりの部分を映し出しており，USBカメラでレンズ部分を仕方となった。

拡大したような結果となった。２枚の組合せ方も凸

集光効果のさらなる検討のため，レンズ間距離の側をお互いに外側向き，凸側が２枚とも被写体向き，実験精度を向上，光を定量的に検出する方法の検討

凸側がお互いに内向きとしたが，それぞれ得られたなどが必要となる。

髙木秀明

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図１a

マイクロレンズアレイ１枚を置く前の画像

図１d

 SBカメラと名刺の間にピントの合う場所
Uにマイクロレンズアレイを反時計回りに45°回転して置いた時の画像

図１b

 SBカメラと名刺の間にピントの合う場所
Uにマイクロレンズアレイを置いた時の画像

図２−０ マ イクロレンズアレイ２枚を置く前の画像

図１c 名
 刺 か ら ５mmマ イ ク ロ レ ン ズ ア レ イ をUSBカメラ側に離した時の画像

図２−a−１ ２
 枚のマイクロレンズアレイの凸側がお互いに外向きになるように重ね，ピントの合う場所に置いた場合（明るさ50，コントラスト50に調整後）

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マイクロレンズアレイを用いた文化財非破壊分析用プローブ開発のための先行調査

図２−a−２ ２
 枚のマイクロレンズアレイの凸側がお互いに外向きになるように重ね，名刺に密接するように置いた場合（明るさ50，コントラスト50に調整後）

図２−b−１ ２
 枚のマイクロレンズアレイの凸側が両方とも名刺側を向くように重ね，ピントの合う場所に置いた場合（明るさ50，コントラスト50に調整後）

図２−b−２ ２
 枚のマイクロレンズアレイの凸側が両方とも名刺側を向くように重ね，名刺に密接するように置いた場合（明るさ50，コントラスト50に調整後）

図２−c−１ ２
 枚のマイクロレンズアレイの凸側が両方ともお互いに内側を向くように重ね，ピントの合う場所に置いた場合（明るさ50，コントラスト50に調整後）

髙木

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謝辞
本研究の一部は，平成29年度吉備国際大学共同研究費の補助を受けた。ここに感謝申し上げる。

図２−c−２ ２
 枚のマイクロレンズアレイの凸側が両方ともお互いに内側を向くように重ね，名刺に密接するように置いた場合（明るさ50，コントラスト50に調整後）
注［注１］マイクロレンズは，CMOSカメラの受光素子部分にも採用されている場合がある［６］．CMOSカメラのマイクロレンズと間に干渉（光学でいうところの「光の干渉」の意味ではない）の有無を検討する必要がある
が，今回の報告では，目視観察の記録として撮影を行った．画像ファイルをビュワーで観察した結果との間には大きな相違はないと判断している．

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敬介・大木裕史・武田光夫・森伸芳・谷田貝豊彦 編［２］中村荘一・藤江大二郎

編

学部品』 オプトロニクス社［３］
（a）西澤紘一

光学技術の事典

第６章フライアイレンズ，ロッドレンズ

朝倉書店

黒田和男・荒木2014年．

P137-143 『レンズ基礎からわかる光2015年．

著 「3.2 マイクロオプティックスにおける分布屈折率レンズ

b. レンズアレー，c. 平板マイクロレンズアレー」 pp.262-264

辻内順平・黒田和男・大木裕史・河田聡・小嶋忠・武田光夫・南節雄・谷田貝豊彦・山本公明編

最新

光学技術ハンドブック（b）中村荘一・藤江大二郎

編

第４章分布屈折率

ニクス社

朝倉書店

2002年．

P126-127 『レンズ基礎からわかる光学部品』 オプトロ

2015年．

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Biomed. Opt. Lett., 2013, 18（3）, 030501.
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（d）S. Nagelberg, L. D. Zarzar, N. Nicolas, K. Subramanian, J. A. Kalow, V. Sresht, D. Blankschtein, G.
Barbastathis, M. Kreysing, T. M. Swager, M. Kolle, Reconfigurable and responsive droplet-based
compound micro-lenses, Nature Commun., 2017, 8（14673）,1-9.
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［５］河野嗣男

著 「14.2 波面計測技術 b. シャック－ハルトマン方式」 p594

河田聡・小嶋書店

2002年．

［６］（a）菊 地 晃 司
pp.180-181
朝倉書店

忠・武田光夫・南節雄・谷田貝豊彦・山本公明

著 「43. 固 体 撮 像 素 子編

辻内順平・黒田和男・大木裕史・

最新光学技術ハンドブック

朝倉d. マ イ ク ロ レ ン ズ，f. CMOSイ メ ー ジ セ ン サ ー の 構 造 と 特 徴 」

黒田和男・荒木敬介・大木裕史・武田光夫・森伸芳・谷田貝豊彦

編

光学技術の事典2014年．

（b）森 伸芳 著 「５. 性能評価表 e. 像の照度分布とCRA」 p53 黒田和男・荒木敬介・大木裕史・武田光夫・
森伸芳・谷田貝豊彦

編

光学技術の事典

朝倉書店

2014年．