【図解】レンズ検査装置とは？レンズの基礎、製造工程を解説

【図解】レンズ検査装置とは？レンズの基礎、製造工程を解説

2025/4/2

１．はじめに

小さいころ虫眼鏡を使って昆虫のような小さなものを見て感動した、望遠鏡で遠くの山や海を見て感動した、このような体験をお持ちの方は多いと思います。
大きくなっても、ルーペで文献を調べる方もおられるでしょう。虫眼鏡や望遠鏡で、小さなものを大きく見せる魔法は、レンズのなせる技です。

レンズのもっと身近なものは、眼鏡でしょう。眼鏡が世に現れたのは、１３世紀と言われています。顕微鏡や望遠鏡は１６世紀に入ってからです。
そして現在の２１世紀。今では、顕微鏡や望遠鏡のように小さいものを見るという使い方から、カメラやプリンターで写し出すレンズ、ＣＤの読み書きで使うレンズなど、多くのものにレンズは使われています。

このコラムでは、レンズの役割とともに、高精度を維持するため、レンズに必要な検査装置についてご紹介します。

また、レンズ検査装置をラインに追加して、

・省力化、省人化してコストダウンしたい
・生産性アップして売上を上げたい
・人的ミスを減らして品質価値を高めたい
・どのメーカーの検査装置を使えば効率的かわからない

場合は、関東最大級のロボットSIer、FAプロダクツまでお問い合わせください。
レンズ検査装置の導入が得意な技術者が、最適なご提案をさせていただきます。

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２．レンズとは？

（１）ヒトの眼

最も身近なレンズと言えば、それは、人間の眼です。図１に簡略的に描いた眼の構造を紹介します。

眼のレンズの役割をするものは、水晶体です。角膜もレンズの凸レンズの役割を担い、合成レンズの役割を持ちます。
虹彩は絞りの役目を果たします。水晶体で集められた光は、網膜に映し出され、視神経を通して脳で認知されます。

（２）レンズの基本性質

レンズの基本性質として、物体から出た光がレンズを通してどう進むか、という性質を図２で紹介します。

物体の頂点から出た光は、実像の頂点に達します。
平行に進んだ光は、焦点を通って結像し、レンズの主点を通った光は直線的に進み、焦点を通ってレンズに入った光は、平行に進んで結像します。

レンズの役割は、光を屈折させることです。屈折はスネルの法則に従って曲がって進み、結像します。
光の屈折は、ある物質から別の物質に進んだときに起こります。

レンズを作る物質が不純物があると、その不純物の数だけ屈折することになり、レンズとしての機能が果たせません。
そのため、レンズを構成するガラスなど原料の純度は非常に高い精度が要求されます。

（３）カメラのレンズの役割

製造現場では、製品の製造が終了したときに、必ず外観検査が行われます。
その時に使われる検査装置の多くが、ＣＣＤカメラを使った外観検査装置です。

図３では、カメラを使った検査がどのように行われるかを紹介します。

カメラで検査物を捉えると、レンズで物体からの光を集光し、眼の網膜に当たるＣＣＤへ写し出します。

ＣＣＤはカメラの解像度に応じた光情報の格納箇所、例えば、１０８０×１４４０ピクセルのように細分化された検査物の情報格納箇所です。
ＣＣＤに格納された情報データは、画像処理装置に転送され、検査物の画像としてモニターに映し出され、また、解析のために加工されます。

３．レンズの製造工程とは？

この章では、レンズの製造工程について紹介します。
レンズはガラスの素材から作られるものと、プラスチック素材から大量生産として作られるものがあります。

（１）レンズの製造工程

図４は、ガラス素材から作られるレンズの製造工程のイメージです。

レンズの製造工程の例として図４で紹介しています。
製造メーカーによって独自の工程が加えられ、精度の維持、高品質化がなされます。

◆ 図４のレンズの製造工程説明

ガラスの素材を溶かし、その後ブロックを製造します。
ブロックをレンズの設計形状となるように荒削りされます。このとき使われる工具が、カーブジェネレータです。
砂かけの工程では、荒削りしたレンズを砂やダイヤモンドペレットを使い、削ります。この工程では、レンズを複数枚治具に貼り付けて、同時に削っていきます。
次の工程がレンズ製造のメインとなる研磨です。この工程で、設計通りにレンズ曲面がなるように丁寧に仕上げます。
研磨が終わると、芯とりと言って、レンズの上下端を削ります。
レンズ面に反射防止の薄い膜をコーティングします。この工程で使われる装置が、真空蒸着槽です。
完成したレンズは、出荷前に検査されます。ここで使われるのが、人の目視とレンズ検査装置です。

（２）大量生産レンズの生産工程

図５で紹介するレンズの製造工程は、プラスチックを原料としたレンズの製造です。

ＣＣＤ装置で読み書きするレンズやスマートフォン用のレンズなどは、大量に短納期で生産する必要があります。
プラスチックからレンズを生産する技術とともに、大量生産できる技術と装置が開発されました。

◆ 図５のレンズの製造工程説明

レンズ設計から金型が製作されます。
金型に、射出成型という方法で原料が供給され、レンズが製作されます。射出成型では、原料のプラスチックは金型内に押し込まれ、金型が圧着されてレンズができます。
反射防止のためのコーティングがされます。
検査装置による出荷前の検査です。

４．レンズの検査とは？

（１）レンズの用途

レンズの用途の種類は、どれだけあるでしょうか。
カメラ、望遠鏡、顕微鏡などはすぐ思いつきますが、その他となると、行き詰まるのではないかと思います。
表１にレンズの用途について紹介します。

表１　レンズの用途

種類	概要
メガネ	近視は凹レンズ、遠視は凸レンズ、老眼は凸レンズ、乱視はシリンドリカルレンズを使います。
カメラ	一眼レフカメラ、デジタルカメラがあります。カメラのレンズは複数枚、凸レンズと凹レンズ、の組み合わせで使います。
望遠鏡	凸レンズと凹レンズを組み合わせる望遠鏡がガリレオ式、凸レンズを組み合わせるのがケプラー式があります。
顕微鏡	接眼レンズと対物レンズを組合せ、それぞれの倍率の積によって拡大率が決まります。
スキャナー	原稿台のの文字をミラーを使いレンズで集光し、ラインセンサーに送りディジタル化します。
レーザープリンター	半導体レーザーを、コリメータレンズでポリゴンミラーに送り、ミラーで反射したレーザー情報を、球面レンズを通して感光ドラムに送ります。
ＣＤ読み取り機	光ディスク装置は、レーザービームでディスク上の突起に記録されたデータを非球面レンズを通して読み取ります。
半導体製造	半導体はウェーハ上に回路を記録して製造されます。ウェーハ上への記録は、２０枚を超えるレンズを組み合わせた投影レンズを通して記録されます。

レンズを使った製品は、表１で紹介した以外にもいろいろな種類があります。
１つの種類でも、製造方法によって使われるレンズの種類や技術が違います。

（２）レンズ外観検査装置

さらに、レンズの種類だけでなく、大きさも巨大なものから微細なものまでさまざまです。

このような多くの種類のレンズありますが、レンズを製造する過程で共通な工程の１つが、レンズ検査装置を使った検査です。

レンズの検査について、紹介しましょう。
図６で紹介する検査は、レンズの外観検査装置のイメージです。

レンズの欠陥の種類を表２で紹介します。

表２　レンズ欠陥例

欠陥例

スクラッチ（キズ）

くぼみ

気泡

端部欠け

コーティング傷

割れ

異物付着

図６で示すように、レンズの外観検査では、表２のような欠陥をＣＣＤカメラで撮影し、画像処理装置に送り解析します。
レンズの欠陥は非常に微細なもので、欠陥を検出してもどのような種類で、その原因は何かを突き止める必要があります。

そのために、画像解析のソフトは数値解析・過去のデータ解析などの高度な技術が必要です。

（３）レンズＭＴＦ検査装置

図７で紹介するレンズ検査装置は、レンズのＭＴＦ検査装置です。

ＭＴＦとは、Modulated　Transfer　Function　で、変調伝達関数と訳されます。

伝達関数とは、制御回路などでおなじみの用語ですが、入力系が出力系に移るときの特性を示すものと解釈できます。
レンズで言えば、被写体の情報をレンズを通して、フィルムやＣＣＤに送るときの特性と言えます。その特性がＭＴＦ特性です。

そのため、伝達関数ＭＴＦが分かっていれば、被写体がどのような色・模様・大きさであっても、写し出されるものから、どれだけ正確に被写体を写しているかが分かります。

レンズによって写し出される像は、レンズによるコントラストの情報がいかに正確かが分かれば、想定できると言われています。

つまり、レンズの性能はほぼコントラスト性能に集約できるということです。
そのため、レンズのＭＴＦ特性は、コントラスト情報に基づいて決定されます。

図７の写像Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ模様や色合いが違いますが、レンズのＭＴＦ特性によって決まるということになります。

このＭＴＦを測定するもの、レンズの実力測定とも言えますが、それがＭＴＦ検査装置です。

5．レンズ検査装置導入のご相談はFAプロダクツへ

レンズは眼を真似ることから始まり、今では、眼の機能をはるかに超えて超精密な半導体を製造する「眼」までに進化してきました。
レンズの製造は、酸化ケイ素という地球に広く存在する石の素材から、純度の高いガラスへと製造することから始まります。
ここから微小で超精密な球面加工する技術と光学分野を完全に克服した技術で、今のメガネやカメラという身の回りの製品が生まれてきたと言えます。

もう一つ、レンズを使った製品を安心して使えるためには、レンズの検査装置の果たした役割も大きく、超精密なレンズにも対応できているということが、それを証明しています。
こうした製造や検査の技術が確立した背景には、たくさんの失敗と挫折があったと思い浮かびます。それを克服したノウハウがレンズに係るメーカーには蓄積されています。

レンズに係る仕事で行き詰まることも多いと思いますが、そんな時はノウハウを蓄積しているメーカーの力を借りることで、新たなアイディアが生まれることでしょう。

各種検査装置の導入をご検討の際は、お気軽にFAプロダクツまでご相談ください。

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