計測自動制御学会産業論文集
Vol.10, No.16, 140/151（2011）

IMAD: 操作とその表示を統合した設計支援システムの実装
御 手

洗潔∗ ・田 中二郎∗∗

IMAD: An Implementation of Design Support System
Based on Integration of Manipulation and Display
Kiyoshi Mitarai∗ and Jiro Tanaka∗∗

A lens design is usually designed using a program based on ray tracing algorithm. In addition, lens designers
must satisfy the complicated constraints about the production of optical equipments. Therefore, when designers
perform a hand-operated design, we support that the designers change the lens shape and lens power layout, justas wanted, and do higher-level judgement for the optical performance improvement. We integrated Modificationof Design Parameters, Optical Calculation, Result Indication and Judgement of Optical Performance,
which are the four basic operations of the lens design, and implemented lens design support tool IMAD by using
this technique. Furthermore we show the eﬀectiveness of IMAD based on the result of the evaluation experiment.
Key Words: lens design, user interface, direct manipulation, animation, stacked display

ンズ設計には減衰最小二乗法（DLS）11), 12) ，遺伝的アルゴリ

1. は じ め にズム（GA）13)〜15) などの最適化手法を用いた自動収差補正プ

最近の VLSI 技術の発展とともに，CCD/CMOS などの撮像素子を用いたデジタルカメラが普及してきている．デジ
タルカメラのレンズ設計では，デジタルカメラの撮像素子の画素ピッチの微細化やデジタル画像の出力機器の 1 つである
液晶ディスプレイの大画面化などにより，スポットダイヤグ
ラムのスポットサイズ

1)〜3)

や収差

4)〜7)

を従来より小さくする必要がある．また，手振れ補正機能やズームレンズの高倍率化などエンドユーザの要望を満足させる，より高性能なレンズ設計が求められる．同様に，ほかの光学機器についても日を追うごとにレンズ性能に対するユーザの要求は高まって

ログラムを用いることが多いが，初期データの作成やローカ
ルミニマムからの脱出には手動設計が必要である．
そこで，われわれは設計の原点に立ち返り，設計者が手動設計を行う際にレンズ形状や power 配置 16) などのレンズ構
成を思い通りに変更することやよりよい性能改善のために必
要な直感的なひらめきやアイデアの実現，設計者のより高度な判断処理を促進させることを目標にした．また，設計者にとって最も自然かつ直接的な方法，たとえば芸術作品を直接手でさわって仕上げるような操作感を設計ツールで実現することを目的とした．そのために，設計者が手動設計にて行う

4 つの基本動作である設計パラメータの変更，光学計算，結いる．
通常レンズ設計は光線追跡アルゴリズム 8), 9) をベースとしたプログラムにより設計（収差補正）されるが，極めて困難な問題として知られている 10) ．このことはレンズ系が有する
設計パラメータ（たとえばレンズの曲率半径，レンズの厚さ，レンズの間隔，レンズに使用する硝子の種類など）空間の多次元性に由来している．加えて，設計者は光学機器の製造に関わる複雑な制約条件を満足する設計をしなければならない
ことも，難しさの要因の 1 つと考えられている．そのためレ

果表示，判断をディスプレイ上で統合し，直接操作感を持ったユーザインタフェース手法 17) を考案した．
本論文では，まず最初にレンズ設計プロセスの問題点を分析する．この分析結果により従来の方法やほかのシステムを鑑みたうえで，設計者の持つ直感的なひらめきやアイデア実
現の支援および設計者のより高度な判断処理を促進させるためのユーザインタフェースを設計し，その実装方法について述べる．さらに，実験対象者による設計評価実験結果および
設計実務経験者の評価をもとに手法の有効性を示す．最後に∗株式会社 ニコン
筑波大学 大学院システム情報工学研究科∗ Nikon Corporation, Shinagawa-ku, Tokyo∗∗ Graduate School of Systems and Information Engineering, University of Tsukuba, Tsukuba-shi, Ibaraki（Received August 2, 2010）

関連研究とともに本研究についてまとめる．

∗∗

2. レンズ設計プロセスの分析と問題点
本章で述べる初期データ作成，手動収差補正，自動収差補正それぞれの問題点は従来からあるレンズ設計プログラム全c 2010 SICE
TRIA 016/11/1016 ⃝計測自動制御学会産業論文集 第 10 巻

第 16 号 2011 年

141Table 1 Example of lens data
Surface No.
1
2
34

RadiusThickness Diameter Material
air60.6383.0
17.870BK7-35.4440.05
17.764air-35.877
1.5
17.736F2-147.1947−
17.613air

体に言えることである．一般的に，初期データの作成および自動収差補正では手動設計は必須であり，初期データの作成

Fig. 1 Lens layout

および自動収差補正での問題点の解決方法の 1 つは手動設計に集約される．本システムとほかのレンズ設計プログラムでの手動設計におけるユーザインタフェースの考え方の違いにレッドシートのセルへマッピングしたもの）の場合はキャラ

ついて，詳しくは 6 章の関連研究で述べる．

クタコマンド入力の場合と比べてレンズデータ全体を一覧で

2. 1 初期データ作成時の問題点
レンズ設計を行う際，手動による収差補正あるいは自動収差補正プログラムを利用するにせよ，設計を始める初期デー
タが良くないと膨大な時間をかけた設計操作/光学計算を行ってもあまり良い結果は得られない．すなわち，最初にいかに素性がよく，潜在的に優れた能力を持つ初期データを見つけることができるかがレンズ設計では重要である. そのためには，すでに設計された過去のデータの中からこれから設計する光学系の設計仕様に近いものを選び，power 配置などの光学系の持つ基本構造と性能の関係を十分に吟味する必要があ
る．初期データの作成はほとんどの場合，手動による設計で行なわれ，このステップの作業効率化が図れれば，設計時間を大幅に短縮することが可能となる．

2. 2 手動収差補正の問題点
手動で収差補正を行なう場合，設計パラメータの変更方法はキャラクタコマンド入力（特定の入力領域より実施する場合が多い）とスプレッドシート形式による入力方法がある．手動で収差補正を行う場合の第 1 の問題点はレンズデータ（Table

1）（注 1）とレイアウト図（Fig. 1）のレンズ面の面番号の対応が取れないことである．
キャラクタコマンド入力により設計パラメータを変更する
場合には必ず面番号が必要となる．Fig. 1 のようにレンズが2 枚程度であればレイアウト図より簡単に面番号を把握できる．しかしながら，数十枚とレンズ枚数が多くなるとレンズ面を数える必要がある．いったん数えたレンズ面番号を暗記すればよいという考え方もあるがレンズ構成を大きく変更したり，仮想面（注 2）を多用すると数えなおしや数え間違い，勘きるという利点はある．しかしながら，実際の設計では設計パラメータの変更の際には変更したい設計パラメータのセルにマウスを移動し，数値をキー入力して設計パラメータを変更しなければならず，本質的にはキャラクタコマンド入力方
式となんら変わらない．また，スプレッドシートの面番号のセルとレイアウト図のレンズ面は依然として対応が付かないままである．セルの面番号の値に対応するレイアウト図のレ（注 3）
ンズ面をハイライトさせる実装例（ZEMAX）
もあるが，

レイアウト図とスプレッドシートが重なってしまい見づらいといった欠点がある．以上の理由により『レイアウト図のレ
ンズ面とレンズデータの面番号の対応』については根本的に解決していない．
一方で，設計者は設計パラメータの変更により，変更前より良くなったのかあるいは悪くなったのか，現状よりさらに収差補正状態を良くするためにはどの設計パラメータを変更
すべきなのか，現状の収差補正状態から数ステップ，あるいは数十ステップ前へ戻り，光学系の構成を新しい視点から見直すべきか，あるいは，現状の収差補正状態に行きづまっているのであれば，レンズ系の構成を大胆に変更すべきである
か，といった多種多様の判断を求められている．このような設計者の置かれた状況を考えると手動設計の場合，さらに以下の問題点が考えられる．

• 設計パラメータ変更による収差値/レイアウト図の変化が把握しづらい• 収差値を壊してしまったときにすぐに戻せない• 設計パラメータの変更を何ステップも素早く戻せない
2. 3 自動収差補正の問題点違いが多くなる．レイアウト図のレンズ面に引き出し線をつ

計算機の高性能化および個人利用が一般的になったことにけて面番号を表示するという方法もある．しかし，レイアウ

より，自動収差補正プログラムを利用する機会が増えている．

ト図が見づらくなるといった欠点がある．また，スプレッド

前述した DLS や GA などの最適化手法を利用した自動収差シート形式（イメージとして Table 1 の内容をそのままスプ補正プログラムは数式を用いて，計算機上でいろいろ工夫した計算/評価を行っているが，計算結果の解釈が設計者の解釈（注 1） 小穴 純: 幾何光学, （株）新技術コミュ二ケーションズ,
pp. 228 (1986）の表 4-2 を一部改変して転載し，レイアウト図として表示したものが Fig. 1 である．
（注 2） 設計の都合上挿入する曲率ゼロの面で，面の前後の屈折率は 1.0（空気）とする場合が多い．

と一致していないことが多い．
このことは，自動収差補正プログラムが計算を進めていく（注 3） http://www.zemax.com/

SICE T. on Industrial Application Vol.10 No.16 2011142

Fig. 2 A snapshot of aberration diagram

過程で，次々に訪れる場面（設計解探索の途中の状態）での適切な判断ができず，複数の場面の前後関係やこの場面が実際のレンズ系とどのような関係にあるかを自動収差補正プロ
グラムは認識/評価することが難しいからである．これは，たとえるならば広大な樹海の中で迷子になり，進んでも進んでも元の場所に戻ってしまい，安全な遊歩道へ辿りつけない状態に似ている．
また，ローカルミニマム状態に陥ってしまうとなかなかその状態から抜け出せないという問題点がある．ローカルミニ
マム状態からの脱出には手動設計が必要となる．

2. 4 問題解決へのアプローチとシステム設計
アプローチ 本研究では，初期データ作成やローカルミニマ
ム状態からの脱出に必要な，言わば設計の原点である手動

Fig. 3 A snapshot of tool IMAD行っている．
システム設計以上のことを鑑みて，われわれが設計するユー

ザインタフェースは Fig. 3 18) に示すレイアウト図を中心としたグラフィカルユーザインタフェース（GUI）とすべきであると考えた（以降，ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースを意味する）．われわれが設計したユーザインタフェースはレイアウト図を見ていれば，設計者が行う 4 つの基本動作である，設計パラメータの変更，
光学計算，結果表示，判断の設計サイクルがスムーズに進行するように，ディスプレイ上のレイアウト図で 4 つの基
本動作を統合し，さらに直接操作感を持たせた．
レイアウト図での 4 つの基本動作の統合および直接操作感も持ったユーザインタフェースを実現するにあたって

設計を支援するユーザインタフェースを実現する．設計者

は 1 つのウインドウの中に複数のウインドウを作成するにとって最も自然かつ直接的な方法，すなわち，レンズをMultiple Document Interface（MDI）ではなく，1 つの直接手でさわるような操作感を実現したいと考えている．

ウインドウにすべての情報を表示させる Single Document

また，ひらめきやアイデアをより効果的に実現し，設計者

Interface（SDI）を採用し，複数のウインドウの重なりののより高度な判断処理を促進させることを目標としたユー
ザインタフェースを実現する．
たとえば，設計者が自動収差補正プログラムを実行中にローカルミニマム状態に陥った場合，その状態から脱するには手動設計が不可欠であり，現在の収差の値を壊してレンズ構成を変更する必要がある．そのとき設計者はレンズの形状，レンズ系を通過する光線の状態を二次元あるいは三次元の図形パターンとして視覚的に認識し，さらに収差などの評価値，レンズ群の power 配置や過去の経験などを基に高度な判断処理を行い，自動収差補正プログラムに与えるレンズデータや自動収差補正プログラムの束縛条件を変更している．
設計者は手動設計による収差補正あるいは自動収差補正プログラムを利用するにせよ，設計の最初から最後までレ
イアウト図（Fig. 1）と収差図（Fig. 2）（注 4）は必ず見ていて，つぎに行うべき事を考えている．すなわち，レンズ設計におけるすべての判断処理はレンズの形状，レンズ系
を通過する光線の状態の図形パターン，収差図をベースに（注 4） 中川治平，レンズ設計光学，東海大学出版会，pp.25 の
図 2.16 を基に著者が実装した．

操作の煩わしさを軽減するようにした．以下われわれが設計したユーザインタフェースの概要を述べる．
レイアウト図はマウスのドラッグにより生成される四角形で指定した範囲を拡大，Esc キーとマウスクリックで縮小可能とした．マウスのドラッグ操作でレイアウト図の上下左右の平行移動を可能とし，レイアウト図の細部を確認しやすくした．さらに，マウスクリックで，拡大/縮小/平行移動した状態を元の状態に戻せるようにした．レイアウ
ト図のレンズ面または面と面の間の光軸をマウスポインタ
で直接ピックすることにより，レンズ面や光軸の面間隔部分を紺色からライトブルーに変化させ面番号やレンズのエ
レメント番号を認識するようにした．また，↑ or F3 キーを押すことによりあらかじめ設定された変化量を設計パラメータに加え, ↓ or F1 キーを押せば変化量を設計パラメー
タから減ずるようにし，即座に設計パラメータの変化に応じた光学計算を行い，レイアウト図をリアルタイムに再描画すると同時に，変更している面番号の設計パラメータの数値を表示するようにした．
設計を進める上で設計パラメータの変化とともにレイア
ウト図と収差図は頻繁に表示する．レイアウト図について

計測自動制御学会産業論文集 第 10 巻

第 16 号 2011 年

143

‥‥‥

SO

0.0

1.0E20S

0.0

78.20844

S

0.0

9.995966’GLASS_A’

S

118.2323

27.34896’GLASS_B’

S-76.48913

0.3998387

STO

Fig. 5 Select erase lens operation by pull down menu‥‥‥

Fig. 4 Data which are based on CODE V

は常時表示させているが，収差図は単独あるいは同時に重ねて表示 19)（リアルタイムに描画）させる機能を持たせた．
重ね表示方法は収差図を背景に，前景にレイアウト図を重ねて表示するようにした．本システムでは情報の視認性をFig. 6 Select erase lens and operation

損なうことなく重ね表示可能としている．

3. Integration System of Manipulation and
Display（IMAD）の概要

メント番号（|| S 正整数@E 正整数 ||），設計パラメータの種類（Radius, Thickness など），設計パラメータ値の変化をリ
アルタイムに表示する．さらにその上方に Command Input

本章では前章でわれわれが考案したユーザインタフェース

Part，Manipulation Select Part，Message Display Part をを有するシステム IMAD の概要を説明する．IMAD はレン用意した．Command Input Part はレンズデータの入出力

ズ設計の基本動作である，設計パラメータの変更，光学計算，など補助的に用いるキャラクタコマンドを入力する部分であ

結果表示，判断をディスプレイ上で統合し，直接操作感を有る．Command Input Part と Working Part はフォーカス

したユーザインタフェースを特徴とする設計ツールであり，を同時に持つことができないのでフォーカスの切り替えが必以下のレンズ操作機能を備えている．

要である．切り替え方法は Tab キーあるいはマウスクリック• 曲率半径の変更• 面間隔の変更• 硝子の変更• レンズの追加/削除• レンズの移動• レンズの分割/貼り合わせ• レンズの反転• 絞り面の変更

で行い，Command Input Part が桃色だとフォーカスを持っている状態を表し，白色だと Working Part がフォーカスを持っている状態を表している．

Manipulation Select Part ではレンズ設計に必要な操作をプルダウンメニューにより選択でき，Message Display Partには入力されたレンズデータ名，エラーメッセージなどの補助的なメッセージを表示する．また，Lens Essence Display

Area には入力したレンズデータが有する，焦点距離などのこれらは Fig. 3 の Working Part のレンズ図形に対して直接光学系の本質にかかわるデータを表示している．この領域も操作され，操作された結果はリアルタイムに Working Part

Design Parameter Display Area と同様に設計パラメータのに反映される．さらに，レンズの性能評価機能として収差図変化とともにリアルタイムに変化する．

を表示することも可能である．

3. 1 IMAD の画面説明
システム IMAD は Fig. 4 に示す CODE V（注 5） 準拠のデータを読み込むと最初に，画面の Working Part にレンズ
系のレイアウト図をレンズ系の全体が Working Part に収まるように表示スケールを調整して表示する（Fig. 3）．Work-

ing Part（画面中央）はレンズ系のレイアウト図を表示し，レンズ設計作業を行う部分である．Working Part の左上はDesign Parameter Display Area である．Design Parameter Display Area には Step（1 回のキー操作で変化する設計
パラメータの量），設計操作の対象となる面番号@レンズエレ（注 5） http://www.opticalres.com/

3. 2 IMAD のレンズ構成変更方法
本節ではレンズ設計のためのレンズ構成の変更方法について説明する．レンズ構成の変更は，レンズの追加/削除，移動，分割/貼り合わせ，反転および絞り面の変更の 7 種類で行う．選択したレンズまたは仮想面に対して 7 つの変更は実施される．変更方法は 7 つとも同様（ただし，反転の場合は異なる）なので，レンズの削除を例に説明する．
（1）レンズ削除モードへの移行:
モード変更方法は 2 種類ある．1 つは LensManipulationのプルダウンメニューからの選択ともう 1 つはショートカッ
ト（Ctrl+e Ctrl+r Ctrl+a）による方法である．プルダウ
ンメニューからのレンズ削除（Erase Single Lens）選択のSICE T. on Industrial Application Vol.10 No.16 2011

144

た難点がある．
そこで本システムではレイアウト図を前景，収差図を背景に重ねて表示するようにした．オプション Overlap Display

Aberration（oda）on 状態で，Ctrl+z により背景に収差図を表示するようにし，再び Ctrl+z で背景の収差図を非表示にしている（Fig. 7）．重ね表示ではレイアウト図のレンズ図
形は紺から白へ変更することにより，レイアウト図と収差図の双方を認識しやすくした．前景は拡大/縮小/平行移動/リセット（最初にデータを読み込んだ時に表示される状態）が可能である．Ctrl+x（再び Ctrl+x でもとに戻る）により前景のレイアウト図と背景の収差図を交換可能とし，レイアウ
Fig. 7 A example of stacked display

ト図と収差図双方で拡大/縮小/平行移動/リセットが行えるようにした．さらに，レンズ系を構成する英字/数値情報であ様子をに示す（Fig. 5）．Ctrl+e Ctrl+r Ctrl+a は Ctrl をるレンズデータ（曲率半径，面間隔，硝子名，屈折率など）も押しながら e，r，a（注 6）と連続してキーを押すことにより重ねて同時に表示させるようにした．本システムでは最大 3

プルダウンメニューからの選択と同様にレンズ削除モード

種類の情報の視認性を損なうことなく重ね表示可能とした．

へ移行する．
（2）削除レンズの指定:

3. 4 拡大/縮小/平行移動/リセット
設計操作をする際に Working Part の図を拡大/縮小，上レンズ指定方法は 2 種類ある．1 つはマウスポインタをレ

下/左右の平行移動を行えるようにしている．拡大方法はマンズ面に近づけ，マウスの左ボタンをクリック（選択レンズ

ウスの左ボタンを押した状態でドラッグすると，マウスボタ

がライトブルーにハイライト）し選択する方法．もう 1 つンを押した時点でのマウスポインタの位置を始点として青いは ← または → キーを押すことでハイライトしているレン

枠が表示されるので拡大したい部分を枠内に収め，ボタンのズを順次左または右に移動させて選択する方法である．マ

リリースで青い枠内が Working Part に収まるように拡大さ

ウスポインタによる削除レンズの選択に様子を示す（Fig. 6

れる．Working Part 内でマウスの右クリックでリセットさの左側）．2 つの方法ともにレンズが選択されるとそのレンれる．

ズに属する面番号，レンズエレメント番号が Working Part

縮小については 1 回の操作で現在の表示状態から 13%（5の左上の Design Parameter Display Area に表示される．

回の操作でリセットからの線分比で約 0.5 倍）の縮小を行う（3）削除の実行:ようにした．マウスの右ボタンを押した状態でドラッグする

Alt キーを押すと削除が実行され（Fig. 6 の右側），ニューと，マウスポインタの動きに応じて Working Part 内の図はトラルモードに移行する（ただし，反転の場合は ↑ / ↓ キー

上下/左右に平行移動する．

を使用する）．

4. 実

3. 3 重ね表示
本システムの特徴の 1 つに重ね表示がある．設計時における Working Part ではレイアウト図を常に表示している．設

装

本章ではシステム内のレンズデータ構造，処理方式，IMADのプログラム構成について記述する．

計がある程度進展して，レンズの形状や像面での光線の収斂

4. 1 レンズデータ構造

状態が良くなり，レンズ形状と光線の通過状態の全体としての

光学計算，設計操作，ユーザインタフェースに影響を与えバランスが整ってくると収差が気になってくる．そのときはるシステム内のレンズデータ構造は，システムを構成する上収差図を見ることが多いが，設計パラメータの値を変更して，

で極めて重要である. 従来から用いられている面単位のデー

レイアウト図を確認し，それから収差図に切り替えるのは煩タ管理方式では曲率半径，面間隔，硝子名，屈折率などのデー雑なことである．また，設計パラメータ値の変更に対してリタ管理を配列構造で行っている．一方，レンズ単位のデータ

アルタイムに細かい収差のバランスをとりながら，さらにレ

管理方式ではレンズ単体（物面，像面，絞り，仮想面もレン

イアウト図を確認しながら設計を進めたい状況もある．方法

ズとして扱う）を 1 単位としてレンズオブジェクトを要素ととしてレイアウト図，収差図を別ウィンドウにすると見たい

する双方向リスト構造（以降リスト構造と記述）で実現してウィンドウを最前面にする必要があり，確認したいウィンド

いる．

ウを最前面にする操作が常に必要である．レイアウト図，収われわれはユーザインタフェースの実装にあたり，面単位

差図双方を縮小して Working Part 内に収まるようにして同のデータ管理方式とレンズ単位のデータ管理方式について考時に表示するという選択肢もあるが，細部が見づらいといっ察を行った．Table 2 にそれぞれのデータ構造を用いた場合（注 6） Erase の最初の 3 文字 era でレンズ削除コマンドを表している．

に期待できる，システムとしての優位性についての星取り表を示す．星取り表に示すようにリスト構造は光線追跡アルゴ

計測自動制御学会産業論文集 第 10 巻

第 16 号 2011 年

145

Table 2 Comparison of system advantage by diﬀerence of data structure```
Data structure(unit`````` to handle data) Surface unit``````
Comparison item`
Design operation
Performance of ray trace
Expansibility
Implementation cost

×
○
△
○

Lens unit Lens unit+surface unit(with delay operation)
○
×
○
○

○
○
○
△

Fig. 8 System of multiple data management

リズムとの親和性が良くない．リスト構造はレンズの追加/

よく実装できる．そしてシステムの拡張性に優れた実装を可削除などの設計操作性との相性は良いが，高速のメモリーア

能にする．

クセスには難点がある．配列構造を実現するメモリーの連続

複合データ管理方式では適宜リスト構造，配列構造双方の領域で，光線追跡アルゴリズムは威力を発揮する．しかしな

データの同期を取る必要がある．リスト構造 ⇒ 配列構造へのがら，設計操作性（データ操作性）はあまり良くない．

同期をマッピング，配列構造 ⇒ リスト構造への同期を逆マッ

そこで，それぞれの欠点を補うために，われわれは従来の面ピングと定義した．設計操作では必ず光線追跡を実行するが，単位のデータ管理方式の代わりに，レンズ単位のデータ管理を

光線追跡は配列構造のデータを使用していて，リスト構造の

主に，面単位のデータ管理を補助的に用いる複合データ管理方

データは使用していない．したがって，リスト構造に変化が式（Fig. 8）を採用した．また，レンズ 1 個をレンズオブジェ

あると直ちにマッピングを行う必要がある．一方，配列構造クトに対応させ，レンズオブジェクトは OpticalElement クに変化があっても逆マッピングはすぐに行わなくてよい．逆ラスで定義した．OpticalElement クラスは Fig. 8 に示すよマッピングを行うタイミングはリスト構造に変化があった場

うに曲率半径，レンズ厚，硝子名，屈折率，レンズ配置位置な合に行えば良い．すなわち，逆マッピングはつぎにリスト構

どのデータを規定している．1 個のレンズは OpticalElement

造の変化があるまで逆マッピング実施の遅延が許される．わクラスのインスタンス化の際，パラメータの与え方により仮想

れわれはこのことを遅延操作と呼んでいる．

面オブジェクト，1 枚レンズオブジェクト，2 枚貼り合わせレ

4. 2 処理方式

ンズオブジェクト，3 枚貼り合わせレンズオブジェクトとして生成される．レンズが 1 個，絞り 1 個のレンズ系のデータをシ

本節では Working Part での処理方式について説明する．

ステムに入力すると Fig. 8 のように 4 個の OpticalElement

Working Part（OpticalSystem クラス）は VCanvas クラス

クラスのインスタンスをリストに格納し，同時に配列データ（グラフィックツール）のサブクラスとして定義され光学計としても格納される．この複合データ管理方式により，われ算，光線描画，レンズ図形描画，レンズ/面間隔ピッキング

われが考案したユーザインタフェースおよび光線追跡は効率処理などをスケジュール化した関数 OpticalScheduler を有している．OpticalSystem クラスがインスタンス化されると

SICE T. on Industrial Application Vol.10 No.16 2011146

同時に Working Part 専用のマウスイベントスケジューラとキーイベントスケジューラが利用可能となるように実装している．マウスイベントスケジューラはマウス操作に関わる一連の処理を行い，キーイベントスケジューラはキー操作に関わる一連の処理を行う．マウスによる Working Part 内の表
示の拡大/縮小/平行移動/リセット，設計対象面選択あるいはキー操作を行うとマウス操作ではマウスイベントスケジュー
ラ，キー操作ではキーイベントスケジューラが起動し，その後直ちに OpticalScheduler を起動することで，設計操作のたFig. 9 Lens shape only in surface

めの光学計算，表示などすべての処理を直接操作感を持って
リアルタイムに Working Part 内に反映させている．また，
設計パラメータ変更モードで ↑ / ↓ キーを押し続けると連続的にキーイベントが発生し，設計パラメータの変化とともにレイアウト図や収差図の変化の様子を簡易的にアニメーションとして見ることもできる．本システムの処理はすべて，イ

lens element model (lem) の 2 つの方式を比べて設計操作の優位性について調べる．

5. 1 予備評価実験
予備評価実験では single surface model (ssm) と lens el-ement model (lem) の 2 つの方式にて実際にレンズ設計をベント駆動により処理されている．

4. 3 開発環境およびプログラム構成

行ってもらい，比較対象とした．ssm 方式と lem 方式はいず

ほかのレンズ設計ツールにおいては光学計算部分はレガシー

れも本システムで実現している．ssm 方式と lem 方式の本質言語である FORTRAN，C などで実装されていることが多い

的な違いは Character User Interface（以後 CUI と記述）とためレガシーシステムとなっている場合が多い．本システム

GUI および設計パラメータデータの実装の方法にある．詳しではレンズ面選択などはマウスポインタによる直接操作感をくは以下のようである．

持ったユーザインタフェースを用い，さらにリアルタイムに• ssm 方式

光学計算結果を表示させるためにイベント駆動方式を採用しssm 方式は独立した面が順に並んだ考え方で，レンズを 1 つている．また，レンズ単体を基本単位としたレンズオブジェのエレメント単位とは考えていない．レイアウト図ではレンクトと配列構造のレンズデータ用をいた複合レンズデータ構ズに見えるが，便宜上レンズの形で表示しているに過ぎない造を採用している．また，昨今のインターネットの普及も考（Fig. 9 は Fig. 1 に対してレンズ形状処理を行なわなかっ慮してプログラムの利用に際し，インターネット透過性をもた場合）．設計操作はすべて指定された面に対して行なわれたせることにした．上記の内容を比較的容易に実現できる言

る．CODE V などの市販のレンズ設計ツールで採用されて語として Java があり，光線追跡などの光学計算部分を含めいる．代表的なレンズ設計ツールである CODE V（注 7）にてオール Java で実装することにした．

準じた CUI 方式を模倣し，実装した．ssm 方式では CUIJava コンパイラおよび java 実行環境は javac 1.5.0 16，形式で設計を行う．また，自動描画は機能せず，CUI によJava (TM) Platform, Standard Edition Edition for Busi-

る表示更新が必要である．本システム内に擬似的に独立しness (build 1.5.0 16-b02) を使用し，実行形態はアプリケー

た面が順に並んだデータ構造をシミュレートし実装した．

ション/アプレットの双方に対応した．グラフィカルユーザ• lem 方式

インタフェースを構築するためのツールキットは Swing を使一方，lem 方式は本システムで採用したレンズ単位のデー用した．プログラムはアクション設定，イベント処理，グラ

タ構造+面データ（補助的）を有し，CUI 機能に加えて直フィックツール，GUI ツール，レンズデータ構成および入出接操作感のある GUI，表示においては SDI を特徴として

力，メイン処理，ユーティリティの７つのパッケージから構いる．

成されている．プログラムは 250 個のクラスを約 51,100 行

予備評価実験では以下の 4 項目についての精査を行うことをで定義し，実際に使用したクラスは 181 個であり，約 27,400目的とした．

行となっている．

• 課題としてのレンズ設計の難易度の設定
著者の 1 人の光学設計の経験から判断して，設計データは

5. 評

価

本章では，われわれの考案したユーザインタフェースの有効性を検証するにあたり，どのような評価実験を行えば良い

最も基本的なダブレット（レンズ 2 枚貼り合わせ構成，焦点距離は 80mm，140mm ともに F ナンバー 4 の 2 種類を用意）型をベースに予備評価実験を行うことにした．

かを検討するために，まず予備的な評価実験を行った．その• 評価項目の検討

結果に基づき実験内容を決定し，本評価実験を行った．さら

設計終了までの時間はヒントの与え方や設計スタートデーに設計実務経験者に本システムを使用してもらい，評価してもらった．この評価実験では single surface model (ssm) と（注 7） CODE V を用いた実際の設計では CUI 形式またはスプ
レッドシート形式と自動収差補正機能を併用する．

計測自動制御学会産業論文集 第 10 巻

第 16 号 2011 年

147

Table 3 A design method and the combination of the taskthat considered order

XXX
MethodXXX
XXX ssm
Pattern
Pattern A
Pattern B
Pattern C
Pattern D

task 1
task 1
task 2
task 2

lem
⇒
⇐
⇒
⇐

task 2
task 2
task 1
task 1

タにより変わる．そこで，評価実験では 1 課題あたり 1 時
間程度で終了することを目標として，設計スタートデータの与え方，レンズ設計の明確な終了条件とヒントの与え方

Fig. 10 Initial design layout diagram of task1, task2について精査した．さらに，課題に対する学習効果や慣れの影響があるかについても調べることにした．

• 実験対象者の選定
予備評価実験では ssm 方式と lem 方式での操作感の違い
やレンズ設計に要する時間をレンズ設計の経験のない人に対して行うことで，純粋にわれわれが考案した GUI の有効性を確認することにした．予備評価実験は筑波大学の研究室の 4 年生 2 人を対象として実施した．

5. 2 本評価実験
本節では，予備評価実験から得られた結果および学生へのヒアリング結果を基にして，本評価実験の手順，課題，内容，

Fig. 11 Final design layout diagram of task1, task2

対象者について述べる．

5. 2. 1 本評価実験の手順
本評価実験は以下の手順にしたがって実施した．
（1）実験概要の説明および設計ツール稼動のための WIN-

DOWS PC の設定（20 分）（2）評価実験に必要な光学の知識の説明（30 分）（3）ツールの機能説明（30 分）（4）練習データによる設計ツールのトレーニング（30 分）（5）評価実験実施要領書理解（10 分）（6）評価実験（120 分）

Fig. 12 Hint of task1, task2

5. 2. 2 本評価実験の課題
予備評価実験の結果から課題 1：波長 d 線 最大像高 6mm式と課題 1，課題 2 の組み合わせ，さらに ssm 方式，lem 方

焦点距離 100mm F ナンバー 4 ダブレット（貼り合わせ），課

式の使用順序も考慮してパターン A∼ パターン D のグルー

題 2：波長 d 線 最大像高 6mm 焦点距離 140mm F ナンバープを設け，4 つのパターンのうち A，B に実験対象者各 3 名

4 ダブレット（2 枚独立）の 2 つの課題（注 8）を設定した．課を C，D に実験対象者各 4 名を割り振った．実験対象者は所

題 1 はレンズ面数４ (開口絞り含)，面間隔 4(最終面と像面の属するグループにしたがって課題 1，課題 2 の設計終了まで

間隔は自動で決まる)，一方，課題 2 はレンズ面数 5(開口絞の時間を計測してもらった．

り含)，面間隔 5(最終面と像面の間隔は自動で決まる) となっ

Table 3 の説明をパターン A，B を例に説明する．パターており，設計パラメータは課題 2 の方が多いので収差補正能ン A は課題 1 を ssm 方式にて設計を行い，つぎに lem 方式

力は高いが，課題 1 より設計は少し難しくなる．

で課題 2 の設計を行うことを意味する．パターン B は課題 2

5. 2. 3 本評価実験の内容

を lem 方式で設計を行い，つぎに ssm 方式で課題 1 の設計

本評価実験では課題の学習効果や操作の慣れの影響を少なを行うことを示している．パターン C，D についても同様のくするために Table 3 に示すように ssm，lem の 2 つの方（注 8） 小穴純，幾何光学，新技術コミュニケーションズ，色消しダブレットの設計，pp.223–239 に記載のデータを基に課題 1，
課題 2 の設計完了データを作成した．

考え方である．

Fig. 10 に設計の課題 1，2 の設計スタートデータのレイアウト図を示す．Fig. 11 に課題 1，2 の設計完了データのレイアウト図および Fig. 13 に課題 1 の設計完了条件の収SICE T. on Industrial Application Vol.10 No.16 2011148

Fig. 13 Final design aberration diagram of task1

Fig. 14 A design mean time by the ssm method and the lem
method in pattern A∼D (exclude ssm of pattern C)

差図を示す（課題 2 についても同様の図なので省略した）．
設計課題の終了条件は課題 1 については 99mm≤ 焦点距離≤101mm，Fig. 13 に示した黄色の点線の範囲にグラフ（注 9）が収まりかつ Fig. 11 の設計完了のレイアウト図（上段）に近い形とした．課題 2 についても 139mm≤ 焦点距離 ≤141mmとなるだけで残りの 2 つの条件は同様である．本評価実験の終了目標である課題 1 つあたり 1 時間程度で終了するようにヒントを与えた．ヒントの内容は以下のようである．

XXX
MethodXXX
XXX ssm
Mean t.
Mean time oftask 1
Mean time oftask 2の 部分の曲率半径はたとえば 40.0mm<↓↑

Fig. 11 のTable 4 A design mean time by the first design (exclude thessm method of pattern C)
lem

57.7min. (pattern A) 37.4min. (pattern D)
1 person: 85.7min.，3 pepole: without
ending (pattern C)

62.0min. (pattern B)

曲率半径 <150.0mm，↓↑の部分の間隔は 2.0mm< 間隔<15.0mm にある（すべての矢印で示す部分にレンズ設計では 4 名中 3 名が設計時間制限である 4 時間を超えたため設計決定する値の存在する範囲を与えた）．↓の間隔はそれぞれ終了せずとし，Fig. 14 には正常終了した 1 名の設計時間を参

10.0mm，2.0mm，○の部分の硝子は BK7，●の部分の硝子考として載せた．パターン B は ssm 方式の方が lem 方式のは F2 とするように指示した．さらに Fig. 10 の課題１，課題

設計平均時間より短いが，t 検定の結果パターン A，パター

２のレンズ形状からそれぞれ Fig. 12 のレンズ形状にして，ン B，パターン D の ssm 方式と lem 方式での設計平均時間

Fig. 11 の最終レンズ形状，絞り，仮想面の配置となるように 5%水準で有意差は見られなかった．

設計するようにヒントを与えた．予備評価実験結果から課題

つぎに設計方式に対する課題の影響を Table 4 に示す．

あたりの設計終了までの時間は平均 1 時間程度であると見積

Table 4 は ssm 方式，lem 方式それぞれ 1 回目の設計課題だ

もっているが，4 時間たっても終了しないときは設計終了せけでの設計平均時間を表にしたものである．lem 方式では課ずという制限を設けた．

題 1 のパターンＤグループと課題 2 のパターン B グループ

5. 2. 4 本評価実験の対象者

での設計平均時間は 1 時間程度で終了しており，平均時間差

本評価実験は 22∼25 歳までの筑波大学でコンピュータサ

は 20 分ほどの差があるが設計終了時間の見積もりどうりのイエンスを専攻する 4 年生 5 名および大学院生 9 名の合計結果である．

14 名 (内 2 名は女子) を対象に実施した．本評価実験を実施

しかしながら，ssm 方式では課題 1 のパターン A グルー

するに際し，以下の 3 項目を口頭質問形式で実験対象者に確プの設計平均時間は 57.7 分であり，課題 2 のパターン C グ

認した．

ループでは 3 名が設計終了せずとなり，正常終了した 1 名も• レンズ設計は始めてであること

85 分を超えた結果であった．ssm 方式では CUI での設計に• レンズ設計は何をすることか知らないなるため設計パラメータ値の変化量を決めるのが難しく，ど• パソコンのキーボード/マウス/タッチパッドなどの操作れくらいで光学系が破綻するのかの見極めが難しくなる．まに十分慣れていること

た，設計パラメータ値の変化量を小さくすると CUI での操作

5. 3 本評価実験の結果

回数が増えてしまうため設計者の負担が増える．

4 つのパターン（A，B，C，D）別に ssm 方式，lem 方式で一方，lem 方式では設計者の負担を軽減させるための工夫の設計平均時間の結果を Fig. 14 に載せる．4 つのパターン

すなわち，われわれの考案したユーザインタフェースが有効の内容は Table 3 の通りである．パターン C の ssm 方式でに機能していることで，パターン B グループは時間内に設計（注 9） Fig. 3 の Lens Essence Display Area の中にある Eﬀective focal length(EFL) に表示される．

を完了できたと考えている．lem 方式でほかのグループの中で設計終了せずとなった実験対象者がいなかったことからも

計測自動制御学会産業論文集 第 10 巻

第 16 号 2011 年

149

設計者の負担を軽減させるための工夫が有効に働き，設計課

た，別の定年退職者 1 名は “収差など光学性能至上主義であ題に対しての設計可能な範囲が広がったと考えている．最後

るが，ユーザインタフェースの改良には興味ある．本システに，“あなたはシングルサフェースモード（ssm）の操作に習

ムは変化表（注 11）のビジュアル化であるといえる”という回答

熟していたとして，今後 ssm で設計する気持になれますか．

を得た．現役の設計実務経験者 3 名についてはすべて “使用

lem ではどうですか．”，“レンズ設計全般についての感想おしたい”という肯定的な回答を得た．本システムに欲しい機能

よび今回の評価実験全般についての感想/意見をお願いしまとしては偏芯光学系対応，MTF 計算 20) ，スポットダイアグ

す．” というアンケートの質問の回答をまとめる．

ラム計算，光学系で使用しているレンズ単体ごとのベンディ

レンズ設計は退屈で根気のいる作業で好きになれず，向いング機能などの意見があった．

ていないとほとんどの実験対象者は回答している．ssm 方式

アンケート項目 2 に対しては，自動収差補正の補助，タイのようなキャラクタコマンドベースの設計方式では設計する

プの試行錯誤，最後の詰め，収差のバランス調整，間隔修正，

気にはなれず，lem 方式であれば設計しても良いとのコメン

加工ミス対応，教育などの意見があった．また，“新人は新人

トがあった．また，ssm 方式に比べて lem 方式は大変設計し教育で使用したツールを引き続き実務設計で使用することがやすかったという意見も多数見うけられた．一方で，ssm 方多いので，現時点では教育には使用できない” という意見も式のスピード，レスポンスの良さを見抜き評価する実験対象

あった．

者もいた．

アンケート項目 3 に対して，

5. 4 設計実務経験者の評価• 改良の積み重ねでかなり使い勝手が良くなっている

設計実務経験者 7 名（定年退職者 4 名含）に対して本シス• 昔の光学設計者なので『こうだったら良いな』と考えてテムを評価してもらった．設計実務経験者はいずれも市販のいた夢の形の一つである

設計ツール，設計者の社内開発の設計ツールにて設計業務を• 実際の設計者に使ってもらうためのステップを考えて更行なってきていて，本システムのようなユーザインタフェーに良いものに仕上げて頂きたい

スを有する設計ツールでの設計経験はない．また，設計実務• 前バージョンに比べて実用的になった，設計操作の間違経験者はダブレット，トリプレット，ガウスタイプなどの代いが起きにくい

表的な光学系の基本的なタイプは知識として持っている．し• レンズデータとレイアウト図のレンズ面の対応がわかりたがって，基本的なタイプを設計課題としたのでは設計評価

やすい

実験としては成立しない．また，設計者が実務で取り組んで• リアルタイムでレイアウト図が変化していく様子は，感いる多くの課題は数ヶ月単位で設計されていて，機密に関す動的るものであるという理由から設計評価実験ではなく，本シス• 設計パラメータ変化の前後の比較もしやすい

テムを使用してもらい，その結果をアンケートとしてまとめ• ちょっと設計パラメータ変えればすぐに結果がわかるのて本システムの評価とした．

で，変化表は不要かも

設計実務経験者に評価してもらうにあたっては学生に対する評価実験で用いたバージョンに対してつぎの機能を追加した．

• ベンディング（注 10）• マウスのホイールが使えるのはとても直感的で使いやすいという回答を得た．
以上をまとめると，年配の設計実務経験者ほどユーザイン• マウスホイールによるレンズ面選択および設計パラメー

タフェースの改良には否定的な傾向にあるという評価結果とタの変更なったが，おおむねわれわれの考案したユーザインタフェー• マウスポインタの接近でレンズ面を認識

スは受け入れられたのではないかと考えられる．

設計実務経験者に対するアンケートは以下の通りである．
項目 1: あなたはこのプログラムで光学設計機能が充実すれば，光学設計ツールとして使用したいですか
項目 2: このソフトを使用するとしたらどのような段階 (フェーズ) で使用したいですか
項目 3: 評価全般についての感想/意見をお願いします

6. 関 連 研 究
レンズ設計に関して自動修正，性能評価，光学製品量産時の統計的な公差解析，画像評価などの研究は見受けられるが，レンズ設計のユーザインタフェースに関する研究の知見は得られなかった．したがって，現在利用しうる市販（デモバー

アンケート項目 1 に対して定年退職者 2 名より “光学性能がジョン含）のレンズ設計ツールのユーザインタフェースの先すべてであり，方法に関係なく収差が補正できればよく，本行例をあげ，本システムとの関連を調査し，関連研究とした．

システムのようなユーザインタフェースには関心がない”という否定的な回答を得た．別の定年退職者 1 名より “ユーザインタフェースの改良には興味がある”という回答を得た．ま（注 10）設計パラメータの変更による焦点距離の変化を吸収するために光学系の任意の面（最終面とすることが多い）の曲率半径を変化させて焦点距離を一定に保つこと．

（注 11）各十数の行/列を有する数表であり，左端の行にはレンズ各面の曲率半径，面間隔，ガラスの屈折率/分散値などの変更可能な設計パラメータを記載し，上端の列には焦点距離，球面収差などの諸収差などの補正対象項目を置き，おのおののマス目には
設計パラメータをプラス/マイナス数パーセント変化させたときの補正すべき対象の変化量を記載したもの．

SICE T. on Industrial Application Vol.10 No.16 2011

150

ADOS version 1.1（注 12），ATMOS- DEMO 8.0（注 13），

み量は ( 上限 − 下限 ) ÷ 50 に設定される．

，上

OSLO EDU Edition Revision 6.4.6（注 16）は OPT98 と同記の 4 つのレンズ設計ツールはいずれもスプレッドシートウィ

様のスプレッドシート形式のダイアログウィンドウを有してンドウのみで入力を行い，レイアウト図などの設計結果表示

いる．違いはセルにフォーカスを与えると対応するレイアウ

はスプレッドシートとは別のウィンドウで表示される．また，

ト図の面番号のレンズ面が実線から破線に変わるように実装

スプレッドシートのレンズデータの面番号とレイアウト図のされている．ZEMAX と同様に ↑ / ↓ キーまたはマウスホ

レンズの面番号が対応するような表示になっておらず，設計

イールで面選択が可能である．設計パラメータ値の変更後の時にレンズの面番号を数える (面数が多い場合や構成を変更

レイアウト図などへの結果の反映は自動で行われる．また，した場合) 必要がある．一方，本システムではマウスポイン

ZEMAX と同様に Slider 機能も有していて，必要な数だけタでレイアウト図のレンズ面を直接指定できる点や必要に応スライダーを確保できる．変更するパラメータの種類，面番

じて設計パラメータを連続的に変化させて設計したり，指定号，１回の操作の刻み量（スピンボタンで指定）を指定するされた設計パラメータ値を直接入力することも可能になって必要がある．

（注 14）MODAS Version 4.143（注 15），OPT98（簡易版）

いる．また，設計結果は自動で再描画し，リアルタイムに設WineLens3D Basic Version:1.1.6（注 17）は ZEMAX と同

計パラメータ値の変化の状態をレイアウト図などで確認でき様のスプレッドシートウィンドウ形式（設計パラメータ値のる点で大きく異なる．

変更後のレイアウト図などへの結果の反映は自動/手動が選択

CODE V 8.30 は入力インタフェースとしてコマンドモー可）で入力を行う．また，OSLO のようにスプレッドシート

ド（キャラクタコマンド入力形式）と GUI モード（スプレッのレンズデータの面番号とレイアウト図のレンズの面番号とドシート形式）を有している．コマンドモード，GUI モードの対応がわかる表示になっていない．スライダーバーはメイ

は同時に使用することができるようになっていて，フォーカ

ンウィンドウの最下部にあらかじめ 8 個設定（1 個はデフォー

スを与えることにより切り替えを行っている．コマンドモー

カス（注 18）用，残りは任意の設計パラメータが設定可能）してドでは ⟨ コマンド，面番号，入力値 ⟩ というスタイルで値のあり，設定ダイアログを表示させて，可動させる設計パラメー

変更を行う．GUI モードでは面番号に対する曲率半径，面間タの種類とスライダーバー 1 回の操作の刻み量を入力する．

隔などのセルに数値を入力し，レイアウト図のウィンドウのSYNOPSYS Version: 13.24f（注 19）は上記した 8 つのレ

左上部の execute ボタンを押すことにより設計パラメータ値

ンズ設計ツールと違ってスプレッドシートウィンドウは光学の変更を行う．レイアウト図や収差図はそれぞれキャラクタ

データの作成および設計パラメータ値の変更に特化した実装

コマンドを入力（コマンドモード）またはプルダウンメニューとなっている（小さなレイアウト図のウィンドウが表示されより選択（GUI モード）することで表示される．CODE V もるのみ）．SYNOPSYS は多くの点で本システムと似ている．

キャラクタコマンド入力可能である点を除いて上記の ADOS，

レイアウト図でレンズ面をマウスポインタでクリックするとATMOS，MODAS，OPT98 と同様に本システムとは異なる．

面が選択され，WorkSheet Lens Edit ダイアログのスライ

ZEMAX Version April 4, 2006 DEMONSTRATION

ダーバーを操作すると設計パラメータ値が変化し，レイアウ

VERSION はスプレッドシートウィンドウ形式（設計パラ

ト図などに設計パラメータ値の変更状態がリアルタイムに反メータ値の変更後のレイアウト図などへの結果の反映は手動）映される．しかしながら，スライダーバー１回の操作の刻みで入力を行い，変更したい設計パラメータのセル部分をマウス量が設定できなかったり，レンズ面選択の際のマウスポイン

ポインタで選択するとレイアウト図のその面番号に対応する

タの場所が面の存在する x 座標値の範囲（y 座標値はレンズ

レンズ面が黒から赤に変わり変更対象となる面を把握するこ面から離れていてもよい）といったあいまいな実装となってとができる．さらに，スプレッドシートウィンドウにフォー

いる点がわれわれのシステムとは違う．

カスした状態で ↑ / ↓ キーまたはマウスホイールの回転で入今まで述べたレンズ設計ツール類はすべてマルチドキュメ

力セルの場所を動かすことが可能となっている．また，Slider

ントインタフェース（MDI）の考え方に基づいて実装されてcontrol というダイアログのスライダーバーを操作し，リアルいるが，本システムではシングルドキュメントインタインタ

タイムに設計パラメータ値を変更しながら設計する機能を有フェース（SDI）を採用しているので根本的に表示の考え方している．Slider ダイアログを表示させ，変更パラメータのが違う．

種類，面番号，パラメータの範囲（デフォルトでは現在の値の 1.01 倍を範囲の上限下限値に設定）を指定する．ダイアロ
グの面指定番号とレイアウト図のレンズ面の対応は上記のよ

7. 終 わ り に
本論文では，レンズ設計プロセスである収差補正，レンズ

うな方法で行う必要がある．スライダーバー１回の操作の刻（注 12）http://www.diginaut.com/shareware/ados/（注 13）http://www.atmos-software.it/（注 14）http://www.myoptics.at/modas/（注 15）http://www.astrophotoclub.com/opt98/opt.htm（注 16）http://www.lambdares.com/（注 17）http://www.winlens.de/（注 18）集光状態の最も良い場所を探すために，像面をスライドさせておのおののポイントでの性能を評価すること．
（注 19）http://www.osdoptics.com/

計測自動制御学会産業論文集 第 10 巻

形状や power 配置などのレンズ構成を思い通りに変更するこ

第 16 号 2011 年

151

ラ工業技術研究組合（1961）とや性能改善のための高度な判断処理，アイデア実現の支援を目的として，設計者が行う 4 つの基本動作である設計パラ［著

メータの変更，光学計算，結果表示，判断をディスプレイ上で統合し，直接操作感を有するユーザインタフェース手法を考案した．また，こうしたユーザインタフェース手法を組み込んだレンズ設計支援システム IMAD を実装した．
本実装では光学設計における主表示であるレイアウト図に対してマウスポインタにより設計に必要な面番号を直接指定する GUI を採用している．さらに，キー操作により設計パラ
メータを変化させ，リアルタイムに計算結果を表示させている．また，シングルドキュメントインタフェース（SDI）を採用することで設計の評価基準である収差図，レンズデータを
レイアウト図と重ね表示させ複数のウィンドウを操作することなく上記の 4 つの基本動作をディスプレイ上で統合した．
今回行った実験対象者による評価実験および設計実務経験者の評価結果からわれわれの考案したユーザインタフェースの有効性を確かめることができた．今後は光学計算部分はほかの設計ツールとの入出力インターフェース（現在は CODE Vのみ）を充実させることで補う方針とし，ユーザインタフェー
スにおける更なる設計作業の包括的な支援を行っていきたい．
参

考

文

献

1）久保田広：応用光学，51/52，岩波書店（1995）
2）日置隆一編：光用語事典，127，オーム社（1989）
3）Warren J. Smith ：Modern Optical Engineering Second
Edition，340/353，McGraw-Hill，Inc.（1990）
4）Max Born，Emil Wolf（草川徹・横田英嗣 訳）：光学の原理
I，277/316，東海大学出版会（1988）
5）岸川利郎：ユーザーエンジニアのための光学入門，71/162，オ
プトロ二クス社（1990）
6）宮本健郎：光学入門，77/94，岩波書店（1995）
7）三宅和夫：幾何光学，77/132，共立出版（1979）
8）Donald P. Feder ：Optical Calculations with AutomaticComputing Machinery，JOURNAL OF THE OPTICALSOCIETY OF AMERICA，41-9，630/635（1951）
9）G. H. Spencer and M. V. R. K. Murty ：General RayTracing Procedure，JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA，52-6，672/678（1962）
10）高橋友刀：レンズ設計，1/13，東海大学出版会（1994）
11）松居寛：レンズ自動設計における最適化技術，オペレーション
ズ・リサーチ，45-8, 382/387（2000）
12）草川徹：レンズ光学，314/319，東海大学出版会（1988）
13）小野功，小林重信，吉田幸司：遺伝的アルゴリズムによる光学系の最適化，光アライアンス，10-4，26/31（1997）
14）佐々木邦泰：遺伝的アルゴリズムを用いたレンズ設計の自動化，北陸先端科学技術大学院大学 修士論文（2004）
15）玉村弘志：クラスタリング GA を用いたレンズ設計，北陸先端科学技術大学院大学 修士論文（2007）16）松居吉哉：レンズ設計法，77/128，共立出版（1972）
17）御手洗潔：光学系を設計するためのプログラムを記録したコン
ピュータ読み取り可能な記録媒体及び光学系設計システム（特願 2000-247864）（2000）18）M. H. Sussman：10X TWO ELEMENT EYEPIECE（U.S.
Patent 3994570）（1976）
19）御手洗潔：表示方法及びプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能記録媒体（特願 2002-007706）（2002）
20）レンズ性能研究委員会編：写真レンズとレスポンス関数，カメ

御 手

洗

者

紹

介］

潔
1986 年日本光学工業株式会社 (現 株式会社ニコン) 入社．現在に至る．その間 1995 年 4 月から
1997 年 3 月まで筑波大学大学院理工学研究科に在籍．修了．並列プログラミング，ビジュアルプ
ログラミング，ヒューマンインタフェースに興味を持つ．情報処理学会，日本ソフトウエア科学会
各会員．

田 中 二 郎（正会員）
1975 年東京大学理学部卒業．1984 年米国ユタ大学計算機科学科博士課程修了．Ph.D. in Computer Science．1993 年から筑波大学に勤務．現在，筑波大学大学院システム情報工学研究科教授．
ヒューマンインタフェースやソフトウェアシステ
ムに興味を持つ．ACM，IEEE，情報処理学会，
電子情報通信学会各会員．