テレセントリックレンズ

テレセントリックレンズは、入射瞳または射出瞳、あるいはその両方が無限遠にある特殊なタイプの光学レンズ（多くの場合、対物レンズまたはカメラレンズ）です。テレセントリックレンズの像の倍率は、結像対象物とレンズ間の距離、像面とレンズ間の距離、あるいはその両方に影響されません。^{[ 1 ]}この特殊な光学特性はテレセントリック性と呼ばれます。^{[ 2 ]}テレセントリックレンズは、精密な光学的二次元測定、複製（例：フォトリソグラフィー）、および像の倍率や光の入射角に敏感なその他の用途に使用されます。

レンズをテレセントリックにする簡単な方法は、絞りをレンズの焦点のいずれかに配置することです。^{[ 3 ]}これにより、視野内の物体点からレンズを通過して像を形成する光線は、光軸に平行な光線（絞りの中心を通る主光線を含む）のみになります。市販のテレセントリックレンズは、光学性能を向上させるために複数のレンズ要素を含む複合レンズであることがよくあります。テレセントリック性は、これらのレンズ要素自体の特性ではなく、レンズ内の絞りの位置によって確立されます。絞りは、レンズを通過する光線を選択的に通過させ、遮断し、平行光線の特定の選択によってレンズがテレセントリックになります。

レンズがテレセントリックでない場合、それはエントセントリックかハイパーセントリックのいずれかになります。一般的なレンズは通常エントセントリックです。特に、独立した絞りを持たない単レンズはエントセントリックです。このようなレンズでは、光軸から外れた任意の点から発せられる主光線は、レンズの前方でも後方でも光軸と平行になることはありません。テレセントリックでないレンズは、レンズからの距離が異なる物体に対して倍率が変化します。エントセントリックレンズは、遠くにある物体ほど倍率が小さくなります。同じ大きさの物体でも、遠くにあるほど小さく見えます。ハイパーセントリックレンズは、遠くにある物体ほど大きな像を生成します。

テレセントリックレンズには、物体空間テレセントリック、像空間テレセントリック、またはバイテレセントリック（ダブルテレセントリックとも呼ばれる）があります。物体空間テレセントリックレンズでは、像の大きさは物体距離によって変化しません。また、像空間テレセントリックレンズでは、像の大きさはレンズからの像側距離によって変化しません。

物体空間テレセントリックレンズは、入射瞳（レンズの絞りの像で、レンズの手前の光学系によって形成される）が無限遠にあり、内中心レンズの透視投影ではなく正射投影を提供します。物体空間テレセントリックレンズには作動距離があります。この距離にある物体はピントが合い、カメラのフランジ焦点距離にあるイメージセンサー上に鮮明に結像されます。これより近い、または遠い物体はピントが合わずぼやける可能性がありますが、距離に関係なく同じ大きさになります。

テレセントリックレンズは、焦点距離とF値が同じ通常のレンズよりも大きく、重く、高価になる傾向があります。これは、テレセントリック性を実現するために必要な追加部品があることと、物体空間テレセントリックレンズの最初の要素が、少なくとも撮影対象物の最大サイズと同じ大きさでなければならないことが理由です。物体空間テレセントリックレンズの前面要素は、カメラマウントよりもはるかに大きい場合がよくあります。集光量を増やしたり被写界深度を浅くするために絞りを大きくしてレンズを大きくするエントセントリックレンズとは対照的に、直径が大きい（ただしそれ以外は同じ）物体空間テレセントリックレンズは、小さいレンズよりも明るくはありません。テレセントリックレンズは、その用途の特性上、通常の写真用レンズよりも解像度が高く、より多くの光を透過することがよくあります。

市販の物体空間テレセントリックレンズは、倍率、作動距離、最大イメージサークルまたはイメージセンサーサイズによって特徴付けられることが多い。真のテレセントリックレンズには、焦点面の位置を調整するためのフォーカスリングはない。しかし、市販のテレセントリックレンズの中には、フォーカスリングを備えているものもある。これは、作動距離と倍率をわずかに調整するために使用できるが、テレセントリック性は若干失われる。メーカーによっては、レンズの光学品質と、レンズの収差によって達成できる最大光学解像度を表すために、センサー解像度またはピクセルサイズを指定することがある。

物体空間テレセントリックレンズは、視野全体にわたって倍率と視野角が一定であるため、計測用途に使用されます。計測用途では、マシンビジョンシステムが、視野内の物体の正確な距離や位置とは独立して、物体の正確なサイズと形状を決定する必要があります。

物体を背面から照明する場合にテレセントリック効果を最適化するために、テレセントリック（またはコリメート）照明器として追加のイメージ空間テレセントリックレンズを使用することができます。この照明器は、多くの場合LED光源から平行な光の流れを生成します。

像空間テレセントリックレンズは、射出瞳（絞りの像が光学系によって形成される位置）が無限遠にあり、レンズとフィルムまたはイメージセンサー間の距離に関係なく、常に同じサイズの像を生成します。これにより、レンズは物体や試料からの光を異なる距離に集光しても、像のサイズを変えることなく集光することができます。像空間テレセントリックレンズは、物体空間テレセントリックレンズの逆であり、その逆もまた然りです。

イメージ空間テレセントリックレンズの後の主光線（開口ストップの中心を通過する光線）は常に光軸に平行であるため、これらのレンズは光の入射角に敏感なアプリケーションでよく使用されます。干渉ベースの色選択ビームスプリッターやフィルター、ファブリ・ペロー干渉計は、イメージ空間テレセントリック性が使用されている2つの例です。もう1つの例は、イメージセンサーのピクセル間のクロストークを最小限に抑え、センサーの量子効率を最大化することです。フォーサーズシステムは当初イメージ空間テレセントリックレンズを必要としましたが、センサーの改良により、入射角の要件は緩和されました。^{[ 4 ]}イメージ空間テレセントリックレンズによってすべてのピクセルが同じ角度で照射されるため、フィールド位置に関係なく放射照度が同じである必要がある放射測定および色測定アプリケーションにも使用されます。

バイテレセントリック（またはダブルテレセントリック）レンズでは、入射瞳と射出瞳の両方が無限遠に位置します。そのため、観察対象物までの距離やイメージセンサーとレンズ間の距離が変化しても倍率は一定に保たれ、モノテレセントリックレンズよりも高精度な物体サイズ測定が可能になります（つまり、測定結果は物体やイメージセンサーの位置誤差の影響を受けにくい）。

両焦点レンズはアフォーカルレンズであり、有効焦点距離がなく、その基本点が定義されていないことを意味します。^{[ 5 ]}このようなレンズでも像は形成されますが、像の大きさや位置は、一般的なレンズで使用される式とは異なる式を使用して計算されます。^{[ 6 ]}

市販のバイテレセントリックレンズは、視野全体にわたって高解像度で正確な測定を行うために、画像歪みと像面湾曲を極めて低く抑えるように最適化されていることが多い。これらのレンズは、10枚以上のレンズ要素で構成されていることが多い。

光学素子を多数備えた大型で重いバイテレセントリックレンズは、半導体デバイスの大量生産のために半導体ウェハ上に印刷または加工するための電気回路のテンプレートをコピーする光学リソグ​​ラフィーで一般的に使用されています。これは、わずかな画像歪みや配置誤差が製造されたデバイスの機能に重大な影響を与える可能性があるためです。^{[ 7 ]}