カメラレンズ

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背景

カメラレンズは、人間の目の動作を再現しようとする発明です。目のように、レンズは画像を見て焦点を合わせ、その色、鮮明さ、明るさをカメラを通して写真フィルムに伝えます。 これは、私たちの記憶のように、処理と将来の使用のために画像を記録します。レンズは光学ガラスまたはプラスチックでできています。それらは、共通の点で合流または収束するように、光線を屈折または曲げることによって光線の焦点を合わせます。

単純なレンズはその中心を通してよく「見えます」が、端の周りのその視界はぼやける傾向があります。ぼやけ、色の変化、線の歪み、オブジェクトの周りの色のハローは、収差と呼ばれるレンズの欠陥によって引き起こされます。一部の収差は、片面または両面を非球面に成形することで、単純なレンズで補正できます。非球面曲線は、球の曲率のように一定に保たれるのではなく、放物線の曲線のように変化します。カメラレンズは、単純なレンズを、さまざまな形状と分離距離のレンズであるレンズ要素と呼ばれるレンズのグループに置き換えることで、収差の影響を軽減します。視力の矯正が進むにつれて、レンズはより複雑になります。レンズはまた、開口部のサイズ（光が通過できる開口部）とそれが「見る」角度の範囲に応じて、より複雑になります。レンズのデザインは、眼鏡技師の芸術とかなりの実験に依存していました。今日、コンピュータープログラムは、レンズ要素の形状と間隔を調整し、それらが相互に及ぼす影響を判断し、レンズ製造のコストを評価することができます。

レンズ要素は通常、その形状によって記述されます。凸レンズは外側に湾曲しています。両凸レンズは両側で外側に湾曲し、平凸レンズは片側が平らで、反対側が外側に湾曲しています。凹レンズ、両凹レンズ、平凹レンズもあります。要素は必ずしも対称である必要はなく、一方の側がもう一方の側よりも大きく湾曲する可能性があります。レンズのエッジに対してレンズの中央を厚くすると、光線が収束または集束します。エッジが厚く、中央が薄いレンズは光線を分散させます。複雑なカメラレンズには、特別にグループ化された多数の要素が含まれています。要素の構成、形状、およびグループ化の組み合わせにより、個々の要素の光を曲げる特性が最大化され、目的の画像が生成されます。レンズは、フィルムまたは焦点面に近づけたり遠ざけたりすることで焦点が合わせられます。レンズをねじることができ、レンズのケーシングに機械加工されたスパイラルネジ山に沿ってレンズ要素が出入りします。レンズをひねると、ケーシング上の目盛りも移動し、最適な焦点の距離が示されます。

絞りまたは絞りはレンズの特殊な部分です。単純なカメラでは、ストップは固定ストップまたはレンズの前に恒久的に設置された黒い板金のリングです。ボックスカメラ、スタジオカメラ、およびヨーロッパ製の一部のカメラは、スライドストップを使用します。これは、レンズの前面を溝の間でスライドする金属片です。それは開口部である異なるサイズの2つ以上の穴を持っています。可変ストップ付きのレンズには、レンズマウントの外側に機械加工されたリングがあり、Fストップ番号が印刷されています。このリングを回すと、ダイヤフラムを開閉できます。この虹彩絞りは、さまざまな光の状態に合わせて調整できるという点で、目の虹彩とよく似ています。

コンパクトカメラのレンズは、通常、私たちの目が見ているように画像の写真を撮る通常の焦点距離を持つ汎用レンズです。特別な目的のために設計されたレンズは、より高度なカメラで使用されます。望遠レンズは双眼鏡や望遠鏡のように機能します 遠くの画像を近くに表示します。広角レンズを使用すると、画像がより遠くに表示されます。パノラマレンズは、広角の広い風景を撮影するのに便利な特殊な広角レンズです。一部の使い捨てカメラにはパノラマレンズが装備されています。魚眼レンズも特殊な広角レンズで、意図的に画像を歪ませ、中央部分を拡大し、外側の画像の細部を圧縮します。魚眼レンズは、地平線から地平線までのビューのように非常に広い角度をカバーします。もう1つの特殊用途のレンズは、「ズーム」レンズとも呼ばれる可変焦点レンズです。可動レンズ要素を使用して焦点距離を調整し、被写体に近づいたり遠ざかったりします。これらのレンズは複雑で、12〜20個のレンズ要素が含まれている場合があります。ただし、1つの可変焦点レンズが他の複数のレンズに取って代わる場合があります。一部のコンパクトカメラには、ズーム、望遠、または広角機能が制限されています。一眼レフ（SLR）カメラは、写真家がファインダーを通してレンズと同じビューを見ることができるように作られています。これにより、写真家は、さまざまな交換レンズの柔軟性を備えたフィルムに表示される画像を計画することができます。

歴史

カメラレンズは、他の目的のために開発された光学レンズから進化し、カメラと写真フィルムとともに成熟しました。 1568年、ヴェネツィアの貴族ダニエルバルバロは、カメラボックスの穴にレンズを置き、画像の鮮明さと焦点を調べました。彼の最初のレンズは老人の凸眼鏡からのものでした。天文学者のヨハネスケプラーは、1611年にバルバロの実験について、単一レンズと複合レンズについて説明し、画像の反転について説明し、凸レンズと凹レンズをグループ化して画像を拡大することで詳しく説明しました。

1800年代、最初のボックスカメラには、ボックスの開口部にレンズが取り付けられていました。レンズは、ボックスの背面にある感光プレート上の画像を反転させました。レンズを開くためのシャッターはありませんでした。代わりに、レンズキャップを数秒以上取り外してプレートを露出させました。プレートの感度を改善するには、露出を制御する方法が必要でした。レンズの近くに挿入するために、異なるサイズの開口部を備えたマスクが作成されました。絞りを制御するために虹彩絞りも開発されました。その金属箔は互いに開閉して、直径を変えることができる円形の開口部を形成します。

1841年、ウィーンのジョセフ・ペッツヴァルは、絞りの速いポートレートレンズを設計しました。以前は、ダゲレオタイプカメラ用に作られたレンズが風景写真に最適でした。ペッツバールレンズを使用すると、ポートレートを10倍速く撮影でき、写真がぼやける可能性が低くなりました。 1902年、ポールルドルフは、これまでに作成された中で最も人気があると考えられているツァイステッサーレンズを開発しました。 1918年に、彼はプラズマレンズを製造しました。これは、これまでに製造された中で最高のカメラレンズである可能性があります。ルドルフの直後に、ミニチュアカメラに最適なシャープで高速なレンズを設計したマックスベレークが続きました。

レンズの歴史におけるその他の重要な発展には、レンズコーティング技術、希土類ガラスの使用、およびコンピューターによって可能になった計算方法が含まれます。キャサリンB.ブロジェットは、1939年に、反射を取り除き、光の透過を改善するために、石鹸膜でレンズを薄くコーティングする技術を開発しました。 1インチの厚さ。

デザイン

カメラレンズの設計は、それを使用する写真家を特定することから始まります。市場が特定されると、レンズ設計者は、光学的および機械的材料、光学的設計、機械部品の適切な製造方法、およびオートフォーカスレンズの場合はレンズとカメラの間のインターフェースのタイプを選択します。マクロレンズ、広角レンズ、望遠レンズなど、さまざまなカテゴリのレンズには規則やパターンがあるため、一部の設計面は標準化されています。材料の進歩により、設計者は多くの課題に直面します レンズ要素と呼ばれるレンズのグループは、さまざまな形状と分離距離で、カメラレンズを構成します。 。レンズのデザインは、眼鏡技師の芸術とかなりの実験に依存していました。今日、コンピュータープログラムは、レンズ要素の形状と間隔を調整し、それらが相互に及ぼす影響を判断し、レンズ製造のコストを評価することができます。ただし、オプション。エンジニアは、素材を選択する際に、写真家の最終的なコストを考慮しながら、コンポーネントにはさまざまな金属を、レンズにはさまざまな種類のガラスやプラスチックを考慮する必要があります。

設計者が設計を完了すると、そのパフォーマンスはコンピューターシミュレーションによってテストされます。レンズメーカーに固有のコンピュータプログラムは、レンズがレンズ操作の範囲で画像の中央と端にどのような種類の画像または画像を生成するかを設計者に伝えます。レンズがコンピューターシミュレーションテストに合格したと仮定すると、最初に選択されたパフォーマンスの基準が再度見直され、レンズが特定されたニーズを満たしていることを確認します。実際の性能をテストするためにプロトタイプが製造されています。レンズは、さまざまな温度と環境条件の下で、すべての絞り位置で、ズームレンズのすべての焦点距離でテストされます。さまざまな光と影のフィールド条件と同様に、実験室のターゲットチャートが撮影されます。一部のレンズは、耐久性をチェックするための実験室テストで急速に経年劣化します。

オートフォーカス（AF）モジュールはさまざまなカメラ本体で機能する必要があるため、レンズが自動的に焦点を合わせる場合は、追加の設計作業が必要です。 AFモジュールには、ソフトウェアと機械の両方の設計が必要です。これらのレンズは機能が複雑であり、ソフトウェアが各レンズに合わせて微調整されているため、これらのレンズで広範なプロトタイプテストが実行されます。

原材料

レンズ自体の原材料、コーティング、カメラレンズのバレルまたはハウジング、およびレンズマウントについては、以下の製造セクションで説明します。

製造
プロセス

レンズ要素の研削と研磨

• 1光学ガラスは、専門業者からレンズメーカーに供給されています。通常、それは要素が切り取られる「プレスプレート」またはスライスされたガラスプレートとして提供されます。ガラス要素は、ファーストステップグラインダーであるカーブジェネレーターマシンによって凹面または凸面の形状に成形されます。その形状の仕様に到達するために、レンズは水中で粒子を研磨することによってレンズが粉砕される一連のプロセスを経ます。レンズが精製されるにつれて、研磨粒子は各ステップで小さくなります。曲線の生成とその後の研削は、光学材料の脆弱性、柔らかさ、および酸化特性に応じて速度が異なります。

  研削および研磨後、レンズの外縁がレンズの中心線または光軸に対して円周上で完全になるように、要素が中心に置かれます。プラスチック製または接着ガラスと樹脂製のレンズは、同じプロセスで製造されます。非球面のレンズを作るために接着材が使われ、これらのレンズは「ハイブリッド非球面」と呼ばれます。これらのレンズの非球面は、センタリング中に完成します。

コーティングレンズ

• 2成形レンズは、材料を酸化から保護し、反射を防ぎ、「設計されたスペクトル透過」またはカラーバランスと表現の要件を満たすためにコーティングされています。レンズ表面はコーティング前に注意深く洗浄されます。コーティングを施す技術とコーティング自体は、メーカーのレンズの主なセールスポイントであり、慎重に守られた秘密です。コーティングの種類には、金属酸化物、軽合金フッ化物、真空プロセスによってレンズやミラーに塗布される石英の層などがあります。最高の色と光の透過率を得るために、何層ものコー​​ティングを施すことができますが、過度のコーティングはレンズを通過する光を減らし、その有用性を制限する可能性があります。

バレルの製造

• 3バレルには、さまざまなレンズ要素と外観をサポートするシャーシが含まれています。金属製のマウント、溝、レンズの可動部分は、レンズの性能にとって重要であり、非常に特定の公差で機械加工されています。レンズマウントは、真ちゅう、アルミニウム、またはプラスチックでできています。ほとんどの金属バレルコンポーネントは、ダイキャストおよび機械加工されています。金属製のマウントは長持ちし、寸法を維持し、より正確に機械加工でき、必要に応じて分解して要素を交換できます。プラスチック製のマウントは、より安価で軽量です。バレルがエンジニアリングプラスチックでできている場合、それは射出成形の非常に効率的で正確な方法によって製造されます。バレルの内面もコーティングされており、バレルを保護し、内部反射やフレアを防ぎます。

レンズの組み立て

• 4絞りやオートフォーカスモジュールなど、レンズの他の部分はサブアセンブリとして製造されます。虹彩絞りは、薄い金属板から切り出された湾曲した葉で構成されています。金属箔は2枚のプレートで固定されています。 1つのプレートは固定され、もう1つのプレートは移動し、スライドピン用のスロットがあります。これらは、Fストップリングを回すときに、リーフをバレルに向かってスライドさせてダイヤフラムを開くか、中央にスライドさせて開口部を閉じます。レンズマウントがバレルの端に取り付けられると、絞りアセンブリは所定の位置に固定されます。オートフォーカスも追加され、光学素子が配置され、レンズが密閉されます。最終組み立て後、レンズを調整し、厳密に検査します。光学分解能、機械的機能、オートフォーカス応答の設計基準を満たしている必要があります。レンズは、衝撃、落下、振動にさらすことによってテストすることもできます。

品質管理

レンズ製造への取り組みは企業によって大きく異なります。 産業用ロボットを含む完全自動化を使用するものもあります s製品を作るために、他の人は大きな組立ラインを使用し、さらに他の人は手作りに誇りを持っています。ただし、レンズの製造には、製造方法に関係なく、品質と精度が不可欠です。入ってくる材料とコンポーネントは、品質とエンジニアリング仕様への準拠について厳密に検査されます。自動化されたプロセスも常に検査され、公差チェックを受けます。職人技は、長年の訓練を受けた熟練した職人によってのみ行われます。品質管理とストレステストは各製造ステップに組み込まれており、要素とコンポーネントは精密な機器で測定されます。一部の測定デバイスはレーザー制御されており、レンズ表面またはレンズのセンタリングで0.0001ミリメートル未満の偏差を検出できます。

未来

カメラレンズは多くの分野で新しい開発を楽しんでいます。最低コストで最高の写真を求める消費者の関心は、シンプルで効果的なレンズを備えた使い捨てカメラにつながりました。プロの写真家や高性能双眼鏡や望遠鏡などの特殊用途向けのレンズは、従来の素材よりも感度が高く、高価で、入手が難しいエキゾチックで「好ましくない」メガネで作られています。これらは、単純なレンズのように色を分散させるのではなく、レンズを通過する光のすべての色を結合して最良の画像を生成するため、「異常分散」材料と呼ばれます。水やその他の液体も光を曲げます。科学者は、異常に分散し、通常のガラスの層間に閉じ込められて、エキゾチックな光学ガラスと同じ画質を生成できる液体を特定しました。通常のまたは「好ましい」ガラス（低コストおよび作業性のために好ましい）は、柔軟なシリコーン接着剤で液体の周りに接着されます。結果として得られる「液体レンズ」は、プロ品質のレンズのいくつかの要素を置き換える可能性があります。また、液体がガラスの欠陥を埋めるため、必要なコーティングとレンズ研磨の量が削減されます。レンズのコストが削減され、光透過特性が向上します。米国、日本、ヨーロッパのレンズメーカーは、近い将来、液体レンズの製造を準備しています。