用途に合わせた内視鏡レンズの選び方

内視鏡のレンズは難しい仕事をしています。照明や位置が厳しく制限されている空間で、近距離で役立つ画像を生成しながら、狭い機器に適合する必要があります。

したがって、内視鏡レンズの選択は、単に利用可能な最小の直径や最も広い視野を選択するだけの問題ではありません。広いシーンをキャプチャするレンズでは、オブジェクトごとに表示される詳細が少なくなる場合があります。特定の作動距離に合わせて最適化された設計では、はるかに近いまたは遠いオブジェクトを許容可能な焦点に維持できない場合があります。機械的な制限によって、設計者が利用できる光学構成も制限される可能性があります。

アプリケーションが医療画像処理、工業用検査、または別の形式の内部可視化のいずれであっても、最良の出発点は、カメラが何をどのような条件で明らかにする必要があるかを定義することです。

1. 検査タスクと対象を定義する

まず、内視鏡が何を観察する必要があるかを説明します。目標は、表面の傷を検査すること、空洞を検査すること、小さな特徴を特定すること、または内部空間の全体像を提供することですか?ターゲットとタスクによって、どの画像特性が最も重要かが決まります。

欠陥検査システムの場合、可能な限り広範囲のシーンをキャプチャすることよりも、細部を区別する能力の方が重要な場合があります。空洞またはパイプ内のナビゲーションでは、より広い範囲をカバーすると便利な場合があります。一部のアプリケーションでは両方が必要になるため、妥協したり、別のカメラ アーキテクチャが必要になる場合があります。

対象物の材質や表面についても記載します。反射性の高い、透明な、暗い、またはテクスチャのあるオブジェクトは、同じ照明の下でも異なる動作をする可能性があります。内視鏡が液体中または保護窓の後ろで操作される場合は、そのことを早めに伝えてください。光路は通常の航空ベースのセットアップと必ずしも同等ではありません。

ターゲットの写真、利用可能なスペースのスケッチ、許容可能な画像と許容できない画像の例は、多くの場合、短い仕様書だけよりも役に立ちます。

2. 視野: レンズはどのくらい見えるか?

視野 (FOV) は、レンズによって捉えられるシーンの角度範囲を示します。内視鏡アプリケーションでは、広い視野角により、ユーザーは器具をあまり動かさずに周囲のエリアをより多く見ることができます。

ただし、カバー範囲が広いほど自動的に優れているわけではありません。センサーの解像度が固定されたままの場合、シーンが大きくなると、小さな特徴全体に残るピクセルが少なくなる可能性があります。非常に広角なデザインでも歪みが発生する可能性があり、視覚的な向きには許容できるかもしれませんが、形状を正確に評価する必要がある場合にはあまり適していません。

FOV を指定するときは、要件が水平、垂直、斜めのいずれであるかを明確にしてください。同じレンズでもセンサーの寸法が異なるとカバー範囲が異なる場合があるため、センサーの形式またはモデルを明記してください。ターゲットが定義された距離で画像内に収まる必要がある場合は、ターゲットの寸法と作動距離も指定します。

レンズ先端、ターゲット、必要な可視領域を示す簡単な図は、光学設計者が提案された視野が適切かどうかを判断するのに役立ちます。

3. 被写界深度と作動距離は関係している

作動距離は、レンズまたは明確に指定された基準点からターゲットまでの距離です。被写界深度 (DOF) は、定義された条件下で画像が許容範囲内に鮮明に保たれる対象物距離の範囲を表します。

これら 2 つのパラメータについては一緒に議論する必要があります。狭い距離範囲用に最適化されたレンズは、意図した検査ポイントで詳細を提供できますが、ターゲットが近づいたり遠ざかったりすると、有用性が低くなります。被写界深度が深いほど、距離変動に対する耐性が向上する可能性がありますが、その結果は光学設計、絞り、センサーの解像度、および許容可能なシャープネスを定義するために使用される基準によって異なります。

内視鏡の場合、公称作動距離、予想される最も近いターゲット距離、および使用可能な状態を維持する必要がある最も遠い距離を提供すると役立ちます。機器が近くの表面とより広い空洞の両方を検査する必要がある場合は、推奨距離を 1 つだけ指定するのではなく、そのように指示します。

実際の動作範囲を説明せずに「大きな DOF」を要求することは避けてください。数値的な距離範囲またはいくつかの代表的なターゲット位置により、要件の評価とテストが容易になります。

4. 光メディアが重要な理由

空気中で使用するように設計された光学システムは、水や液体が満たされた環境など、別の媒体で使用すると動作が異なる場合があります。周囲の媒体の屈折率は、光学界面での光の曲がり方を変化させ、焦点、見かけの視野、その他の結像特性に影響を与える可能性があります。

これは、内視鏡が水中検査や、前面の光学面が空気とは異なる媒体と接触するその他の用途を目的としている場合に特に重要です。レンズを空気中でテストするだけでは、意図した環境での最終的な動作を完全には予測できない可能性があります。

用途を説明する際には、レンズが空気中、水中、または透明な保護窓の内側で動作するかどうかを指定してください。わかっている場合は、窓の材質と厚さを含めます。システムを水没させる場合は、関連する作動距離と、画質を評価する必要がある条件を定義します。

適切なテスト設定は、実際的な最終アプリケーションをできるだけ反映する必要があります。特殊なプロジェクトの場合、光学チームと顧客は、サンプルの承認前に、基準媒体、ターゲット距離、フォーカス手順、および画質の許容基準について合意する必要があります。

5. 直径と機械設計により光学ソリューションが制限される可能性があります

内視鏡レンズは多くの場合、厳しいサイズ制約の下で動作します。利用可能な外径と全長は、収容できる光学素子の数、レンズの組み立て方法、イメージ センサーや周囲のハウジングとの接続方法に影響します。

より小さな直径は、孤立した目的物ではありません。視野、画質、被写界深度、照明、製造の実現可能性とのバランスを取る必要があります。技術的に可能な設計であっても、パフォーマンス、アセンブリの複雑さ、またはコストのトレードオフが必要になる場合があります。

最大外径、利用可能な長さ、センサーの位置、取り付けインターフェイス、およびフロントチップの制限事項を提供します。内視鏡に照明ファイバーまたは LED が含まれている場合は、それらの位置とそれらのために確保されているスペースを含めます。これらのコンポーネントは、機械的レイアウトとターゲットに到達する光に影響を与える可能性があります。

寸法を記入した図面が理想的ですが、明確なスケッチは最初の実現可能性の議論をサポートします。どの寸法が固定されており、光学的なトレードオフが必要な場合にどの寸法を調整できるかを特定します。

6. 解像度、照明、画像のコントラスト

レンズは、意図したタスクに十分役立つ詳細を提供する必要がありますが、センサーと照明も最終的な画像に影響を与えます。高解像度センサーは、不十分な光学コントラスト、不十分な焦点、動き、または不十分な照明を補うことはできません。

内視鏡イメージングでは、照明用のスペースが限られていることがよくあります。明るさはシーン全体で変化する可能性があり、反射面によってハイライトが作成され、細部が見えにくくなる可能性があります。したがって、レンズ、センサー露出、照明ジオメトリ、および画像処理はシステムとして評価される必要があります。

画質を定義するときは、解決する必要がある特徴、ターゲットの距離、およびパフォーマンスが最も重要な画像の領域について説明します。最小機能サイズや定義された画質テストなどの測定可能な要件がある場合は、それを共有してください。そうでない場合は、代表的な画像を提供し、現在のシステムで表示できないものを説明してください。

メガピクセルのラベルのみに依存することは避けてください。 Practical evaluation with the intended sensor, illumination, and target is essential before approving a lens for production.

7. レンズメーカーに問い合わせる前に準備するもの

生産的な検査には、完成した光学処方箋は必要ありません。アプリケーションを評価するには十分な情報が必要です。

可能な場合は次のものを準備します。

アプリケーションとターゲットの種類

センサー モデル、アクティブな寸法、またはデータシート

必要な水平、垂直、または対角の FOV

・公称作動距離範囲と許容作動距離範囲

必要な被写界深度または最小フィーチャーサイズ

・最大レンズ径と製作可能長さ

・作動媒体、保護窓、環境条件

照明の配置と波長（該当する場合）

・試作数量、生産予定数量、目標コスト、スケジュール

既存の内視鏡モジュールがある場合は、サンプル画像または物理的なリファレンスによって、何を変更する必要があるかが明確になる場合があります。現在の長所と限界を特定します。おそらく、画像が 1 つの距離でのみ鮮明であるか、先端が大きすぎるか、シーンの範囲が不十分である可能性があります。

この情報は、既存のレンズを適用できるかどうか、またはカスタマイズされた光学設計を考慮する必要があるかどうかを判断するのに役立ちます。

結論: 実際の検査条件から始める

内視鏡レンズの選択は、光学性能と物理的制約のバランスを考慮して行われます。視野、被写界深度、作動距離、周囲の媒体、センサー特性、照明、および機械的寸法を一緒に定義する必要があります。

最も有用な仕様が必ずしも最長であるとは限りません。これは、エンジニアが実用的なソリューションを評価するのに十分な実際の検査タスクを明確に説明したものです。

ボシ光学Shanghai Silk Optical Technology Co., Ltd. の一部である同社は、カスタマイズされた内視鏡関連光学機器を含む、イメージング用途向けの光学製品を開発および製造しています。新しいプロジェクトの場合は、センサー情報、機械的エンベロープ、作動距離範囲、ターゲット シーン、および対象となる動作媒体を共有します。

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