アサーマルマシンビジョンレンズとは何か
レベッカ・シャボニュー
アサーマルイメージングレンズは、耐久性に優れ、極端な温度変化に耐え、メージングレンズが必要である理由が標準的な市販レンズで起こりがちな性能の変化を最小限に抑える。

わかる。
イメージングアセンブリは、一連のマシンビジョンやイメージングシスとができる。式 1は、線形熱膨張係数ガラス素子を配置した複数の集合体テム向けに開発された、標準的な市販（ CLTE ）である。これとは別に、面積が、より大きな金属鏡筒の中に収納さのイメージングレンズは、温度制御さ膨張係数や体積膨張係数が存在するれた構造をとるため、極端な温度変化れた環境や、温度変化がわずかな用途が、そのすべてをCTEと呼ぶ。CLTEは、にさらされるマシンビジョンシステムにおいて、適切に機能する。しかし、最も一般的に使用される形式である。

を設計する際には、その他の影響も考温度の極端な変化や広範囲な変化にさらされる高性能ビジョンシステムにおいては、温度依存の性能変化を最小限

1 dL
αL＝
1 dT察する必要がある。
熱デフォーカスは、レンズシステムの動作温度範囲における屈折率の変化に抑えることのできる、アサーマル化

式 1 線形熱膨張係数は、物質の長さと物質のサイズ変化の両方に直接関係したイメージングレンズが、良い選択（ L ）と、その代表長さに沿った温度勾する。

肢である。

配の逆数（ d L/d T ）に依存する。

例えば、加熱されたレンズ鏡筒は膨各変数は以下のとおりである。

張し、素子の頂点と頂点の間隔が離れ・ CTLE は、一般的に記号αL で表記るため、いくらかのディセンター（中され、温度の逆数の単位（ 1/℃）で心ずれ）やロール（回転）が生じる。こ

規定されるれによってガラス物質の屈折率が変化

アサーマル化とは
アサーマル化とは、オプトメカニカ
ルシステムに極端な温度や温度変化に対する十分な耐久性を持たせるための・ L は、物質の長さし、そのすべてが組み合わさって、温プロセスを指す。また、そのプロセス

・d L/d T は、長さに対する温度勾配度変化に伴うレンズシステムの焦点位を施したオプトメカニカルシステムをの逆数置に影響を与える（図 2 ）。その他の要表す語でもある。

この式により、温度の極端な変化や因としては、光学収差、焦点距離、チ物質は、温度変化に応じて膨張／収広範囲な変化にさらされる高性能ビジップ、チルト、ディセンターの変化な縮する。この物質の大きさの変化（図1）ョンシステムに、温度依存の性能変化どがある。

は、熱膨張係数（ CTE ）によって表すこを最小限に抑えるためのアサーマルイ

アサーマル化の種類
温度による焦点距離の変化を最小化するためのアサーマル化は、アクティブまたはパッシブに行うことができる。
これらの用語は、許容可能な動作条件を維持するための調整を行うために必要な、補償操作の種類を指す。
パッシブなアサーマル化は、熱光学効果（ Thermo-Optic Effect：TOE ）と、物質の CTE の差の両方を利用し、屈折率とサイズの両方の変化を補償する

図１ 温度（ T ）が変化すると、物質の長さ（ L ）は、その物質の線形熱膨張係数（ CLTE ）に基づいて変化する（本稿の図はすべて、エドモンド・オプティクス社提供）

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ように物質を光学系の設計に組み込むことによって、行われる。異なる物質を組み合わせることにより、ユーザーの介入や外部の電気機械的支援を加える必要なく、特定の温度範囲において温度が変化しても焦点距離を固定させることができる。パッシブなアサーマ
ル化は、技術的要素が少ないため、一般的にスペースや重量に制約のある用途により適した製品が製造される。
アクティブなアサーマル化では、補助的なハードウエアや筐体の追加が必要になる可能性がある。それらは、レ

図２ 温度変化によってレンズの屈折率と位置が変化することで、レンズの焦点距離が変化する

ンズシステムの焦点を「アクティブ」に補償または修正するか、あるいは、設計焦点距離にレンズシステムを維持するための加熱または冷却機能を提供する。前者の場合は所望のシステム焦点位置で、後者の場合は温度設定点で、光学素子を安定化させるために、アクティブシステムに対するフィードバック制御ループが必要である。アクティ
ブなアサーマル化には、より一般的な光学物質が使用され、動作温度範囲の広いアプリケーション環境での使用に対するより高い耐久性が得られるが、一般的にサイズはより大きく、実装コストはより高くなり、また、何らかの形で電力を供給する必要がある。

性能確認方法
アサーマルレンズの性能の確認には、米ゼマックス社（Zemax）の「Zemax
OpticStudio 」 や 米 シ ノ プ シ ス 社

図３ 焦点距離150mm のアサーマルイメージングレンズの -10℃と +50℃における MTF 性能（ Synopsys ）の「 CODE V 」などのレンズ設計ソフトウエアに、CAD ソフト不正確である場合が多い。

トベンチで記録する。固定焦点距離のウエアを組み合わせて、イメージング所定の温度範囲における性能指標をレンズを含む、ほとんどのイメージンレンズの光学機械性能と光熱性能のシ規定するイメージングレンズメーカー

グレンズに対して、取得できる最も有ミュレーションまたはモデル化を行うは、最先端の熱性能テストチャンバの用 な パ ラ メ ー タ は、 変 調 伝 達 関 数のが一般的である。熱効果のシミュレ中でのレンズ試験で収集したデータに（ Modulation Transfer Function：ーションを行えば、レンズ設計の熱変よって、その性能を保証することがでMTF ）である。MTF は、レンズが生化に対する反応について、いくらかのきるはずである。テストチャンバの環成する画像のコントラストの変化を、知見が得られるが、これらのシミュレ境温度を変化させながら、1 つ以上の空間周波数または解像度の関数としてーションは範囲がかなり限られていて、重要な動作パラメータの変化を、テス表す、光学伝達関数である。製造工程

V I S I O N S Y S T E M S D E S I G N J A P A N April 20249準型のイメージングシステムコンポー
ネントを損傷する恐れのある環境因子を含む製造施設もある。そのような因子としては、極端な温度以外に、衝撃、振動、ウォッシュダウン用の高温／高圧洗浄水などがある。溶接やレーザ材料加工の検査においても、イメージングシステムが過酷な温度にさらされる可能性があるため、アサーマル化したシステムを、専門家は推奨する。
過酷な環境におけるイメージングシ
図４ 商用提供されている独トライオプティクス社（ TRIOPTICS ）の MTF テストステーションにおけるイメージングレンズの試験

ステムの需要は高まっており、それらのシステムには、さらに厳しい性能要件が課される。極端な温度や変化する温度に対応するには、温度変化に対して設計補償によって感度が抑制されているか、シールドされているビジョンシステムが必要である。このようなアサーマル化要件は、標準の市販イメージングレンズの限界を超えており、カスタムソリューションが必要であることを意味する場合が多い。アサーマル化は、さまざまな保護等級のイメージングレンズに適用可能で、その中には、

図５ 宇宙分野で使用されるイメージングレンズは、広範囲の温度変化に耐えられるようにアサーマル化する必要がある

他よりもコストのかかるものや、標準のレンズよりも長い試験時間を要するものもある。そのため、一から設計さにおけるイメージングレンズの MTF機（ Unmanned Aerial Vehicle：UAV ）れたカスタムイメージングレンズに対の測定には、図 4 のようなテストステやドローンによる航空宇宙イメージンしてアサーマル化を検討するほうが、ーションが使用される。MTF 曲線かグ、監視、過酷な工場環境における製標準または市販のイメージングレンズ

らエンドユーザーは、指定範囲の任意造などがある。例えば、UAV は、大を改良するよりも一般的に容易であの温度におけるレンズ性能を予測する

気圏の高い高度を飛行して調査を行う

る。どのようなアプリケーション環境ことができる。他の種類のレンズに対ため、激しい温度変化にさらされる可においても、エンジニアが、すべてのしては、その他のパラメータの解析が能性がある。UAV ドローンは農業にシステムレベルのアプリケーション要必要になる場合がある。例えば、テレおいて、作物の健康状態と生産量の調件を理解し、レンズメーカーと緊密でセントリックレンズの場合は、主光線査を目的とした利用が増加している。

明確なコミュニケーションを維持する角度の変化を解析する必要がある。

ファクトリオートメーションはこれことが重要である。そうした手順に従まで常に、マシンビジョンが最も多くうことで、性能仕様を満たすカスタム利用される市場の 1 つで、中には、標レンズを確保することができる。

アサーマルイメージングレンズの応用分野
アサーマルイメージングレンズが最適となる応用分野としては、無人航空

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著者紹介
レベッカ・シャボニュー（ Rebecca Charboneau ）は、米エドモンド・オプティクス社（ EdmundOptics ）の光学エンジニア。

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