皆様は「光学設計」という言葉をご存知でしょうか？光学設計とは、レンズやミラーなどを組み合わせて光学系全体を設計することです。あまり知られてはいませんが、日常生活から産業分野まであらゆる分野で、世界トップレベルである日本の光学設計技術が用いられているのです。ここでは、光学設計の特徴や種類、構成要素、用途まで、まとめて解説いたします。

光学設計とは

光学設計とは、レンズやミラーなどを組み合わせて光学系全体を設計することを指します。その多くはレンズ自体の設計になりますが、反射鏡やプリズムなども含めた設計も含まれるため、レンズ設計ではなく「光学設計」という一般的な呼び方が多くされています。

光学設計という業務には、実現したい機能・性能に応じて光学系の仕様そのものを検討・設定する仕様設計（要件定義）のステージと、その仕様に基づいて材料や形状を具体化する詳細設計のステージの２つのステージがあります。

仕様設計のステージでは、その光学系を搭載する機能ユニットとしての要求仕様を、光学系や受光素子等、個々の機能要素部品の仕様へと変換／配分します。個々の仕様を合わせると、もとの機能ユニットの要求仕様を満たせるように光学系の仕様も適切に設定します。光学系には焦点距離やFナンバー等、独特の仕様項目があり、光学の専門知識が必要となります。

詳細設計のステージでは、配分した光学仕様をもとに、レンズやミラー等光学部品の枚数、面の形状や厚さ、各部品の配置等を最適化します。その際、光学部品の加工性や保持・固定方法も考慮しながら設計を進めます。

このように、光学設計は光学の知識と設計スキルは当然ですが、受光素子や光源等の要素部品、材料や加工法、機構設計といった幅広い知識が必要となるレベルの高い設計となっています。 日本の光学設計は、第２次大戦後のカメラ産業の隆盛と共に大きく技術躍進し、その技術をもとに、カメラ以外の様々な分野へも適用を広げ、世界最高水準のレベルとなっています。

光学設計の種類

光学系は光を制御する機能部品ですが、大きく２種類に分類する事ができます。一つは結像光学系、もう一つは照明・集光光学系です。この２種では光学設計の指標や手法が異なります。

結像光学系は、文字通りに、物体から出てきた光を受光素子上に結像させる機能を持ちます。受光素子としては、デジタルカメラのイメージセンサのように多くの画素からなる固体撮像素子が多いですが、望遠鏡のように人の眼（網膜）の場合もあります。設計指標としては像の先鋭度やコントラスト、歪があります。

一方、照明・集光光学系は、室内照明や舞台のスポットライト等、光源から発した光を対象物に適切に投射する機能が求められ、照明光の均一性や集光性等、照度の分布が指標となります。集光光学系には、太陽光集光用のパラボラミラーのように、受光器と共に用いる場合もあります。

このように光学設計は大きく２種類に分類されますが、光学系の用途で光学設計を分類すると様々な光学設計があります。以下はほんの一部ではありますが、用途ごとに光学設計の種類をまとめてみました。

光学設計の種類：

●物体撮像用 光学設計（デジタルカメラ、スマートフォン用など）
● 物体認識用 光学設計（OCR、セキュリティなど）
● 測距用 光学設計（LiDARなど）
●投影用 光学設計（プロジェクター、ステッパーなど）
● 均一照明用 光学設計（デスクライトなど）
● 眼視用 光学設計（ルーペ、メガネ、顕微鏡、望遠鏡・双眼鏡など）
● エネルギー集光用 光学設計（太陽光集光、レーザー加工機、医療機器など）
●医療機器等

光学設計はこれら用途で異なります。例えば、物体撮像用光学設計と物体認識用光学設計は似ていますが、
前者は様々な物体を様々な照明環境や距離で撮影できる光学系の設計であるのに対し、後者は特定の物体を特定の照明環境や距離に限定して
高い性能が求められる光学設計となります。

また、用途と目的が同じであっても、製品によって求められる光学設計は異なります。例えばルーペと顕微鏡は人の眼で小さいものを拡大して観察するという点は同じですが、拡大率と適用シーンが大きく異なっており、要求性能やサイズ、価格等、光学設計に求められる内容も大きく異なります。

光学設計を構成する要素

光学設計というものは、目的に合わせて様々な構成要素を取り扱います。
例えば、下記のようなものが構成要素として挙げられます。

● レンズ材料：プラスチック、ガラス、赤外線透過材など
● 光学素子：レンズ、ミラー、プリズム、回折格子など
● コーティング：金属ミラー、多層膜フィルターなど
● 光源：ハロゲンランプ、LED、レーザーなど
● 受光素子：イメージセンサ（CMOS,CCD）など

これらの要素を最適に取り扱うことで、様々な光学設計をすることができます。

光学設計技術ナビを運営する株式会社トヨテックでは、お客様の使用環境やご要望に沿って、最適な光学設計と高精度な製造技術の両面からサポートしております。

光学設計の方法

光学設計にあたっては、光学設計専用のソフトを用います。これにはレンズやミラー面を通過する光線を、スネルの法則を適用して追跡する機能が備わっており、たくさんの光線を追跡する事で、結像状態や集光状態を評価できます。

さらに、この評価量をターゲットにして、レンズやミラー面の形状やレンズの厚さをコントロールする機能を用いて設計を進めます。もちろん、適切に光学設計を進めるためには、光学の知識やソフト使いこなしのスキルが必要なのは言うまでもありません。

光学設計技術ナビを運営する株式会社トヨテックでは、光学設計には、Zemax、CodeⅤというアプリケーションソフトを使用しております。

光学設計の用途

皆様の日常には、様々な光学設計が用いられている製品で溢れています。例えば、多くの方が肌身離さず持っているスマートフォンのカメラは、薄肉軽量化、性能、価格などのあらゆる仕様を高度に最適化させる光学設計が用いられている代表的な製品です。 その他では、メガネ、カメラ、防犯カメラ、コピー機、自動運転、医療機器など、日常生活の範囲でも多くの分野で光学設計技術が用いられています。

さらに産業分野になると、公共交通機関、倉庫、センサ、電子顕微鏡、さらには宇宙分野になると最先端の光学設計が用いられており、さらなる科学技術の発展に寄与しています。
また、5GやCASEといった高度な技術進歩の真っ最中であり、これからの社会では光学センサ及び光学系のニーズはさらに高まると予想されています。

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