[論文レビュー] Lens Factory: Automatic Lens Generation Using Off-the-shelf Components

Libin Sun, Brian Guenter+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2015

Advanced optical system design参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

Lens Factory は、オフザシェル光学素子のみを用いて、高機能でカスタムマルチエレメントレンズを自動設計するシステムであり、コストを数千ドルから200ドル未満に、設計時間を数週間から数日間にまで削減する。離散的組み合わせ探索と連続最適化を組み合わせ、単純な初期パターンから新たなレンズ構成を進化させることで、専門知識がなくても高品質な光学系を設計可能にする。

ABSTRACT

Custom optics is a necessity for many imaging applications. Unfortunately, custom lens design is costly (thousands to tens of thousands of dollars), time consuming (10-12 weeks typical lead time), and requires specialized optics design expertise. By using only inexpensive, off-the-shelf lens components the Lens Factory automatic design system greatly reduces cost and time. Design, ordering of parts, delivery, and assembly can be completed in a few days, at a cost in the low hundreds of dollars. Lens design constraints, such as focal length and field of view, are specified in terms familiar to the graphics community so no optics expertise is necessary. Unlike conventional lens design systems, which only use continuous optimization methods, Lens Factory adds a discrete optimization stage. This stage searches the combinatorial space of possible combinations of lens elements to find novel designs, evolving simple canonical lens designs into more complex, better designs. Intelligent pruning rules make the combinatorial search feasible. We have designed and built several high performance optical systems which demonstrate the practicality of the system.

研究の動機と目的

• イメージング用途におけるカスタムレンズ設計の高コスト、長期のリードタイム、および高い専門知識の壁を解消すること。
• コンピュータグラフィックス、ビジョン、VR分野の非専門家が、光学の訓練なしに高機能なカスタムレンズを設計できるようにすること。
• Zemax や Code V のような高価で特許を取得したレンズ設計ツールに依存しないようにし、アクセス可能な部品を用いて設計プロセスを自動化すること。
• オフザシェル部品の組み合わせ探索と連続最適化を組み合わせることで、従来の設計カテゴリを超えた新規で高機能なレンズシステムを生成する可能性を検証すること。
• VRヘッドセットやビュー・カメラなどの実世界の応用分野において、実用的で再現可能なレンズシステムを実証すること。

提案手法

• システムは、標準的なレンズ設計（例：トリプレット、ダブル・ゴースト）を最適化の出発点として用いる。
• 離散的最適化フェーズでは、オフザシェルレンズ素子の組み合わせ空間を探索し、反復的に素子を置き換えたり分割したりすることで、新たな候補設計を生成する。
• 各候補に対して、視野全体にわたる像のシャープネスを最大化するために、空気ギャップの距離を連続的に最適化する。
• 有望でない設計経路を早期に除外するための知的プルーニングルールを用い、組み合わせ探索を計算的に実行可能にする。
• 最適化後、システムは3Dプリントによるレンズハウジングを生成し、歪みおよび色収差補正のための後処理用のレンズデータを提供する。
• 設計段階で、人間の視覚系を10mmの角膜距離を持つ理想のカメラとしてモデル化し、実世界の光学的制約を模擬する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オプティクスの専門知識が不要な完全自動化システムが、オフザシェル部品のみを用いて高機能でカスタムマルチエレメントレンズを生成できるか？
• RQ2 離散的・連続的最適化のハイブリッド戦略は、従来の設計カテゴリを超えた新規なレンズ構成を発見するのにどの程度有効か？
• RQ3 後処理技術は、Lens Factory で設計されたシステムにおける残存する光学的収差をどの程度補正できるか？
• RQ4 このシステムは、VRヘッドセットで使用される商業用単一素子レンズを上回るシャープネスと色収差制御を実現できるか？
• RQ5 粗い商業用レンズ部品をシステムレベル最適化に用いる際の実用的制限は何か？

主な発見

• Lens Factory は、レンズ設計コストを数千ドルから200ドル未満に、リードタイムを10〜12週間から数日間にまで削減した。
• システムは、Oculus Rift DK2 用に2素子レンズを成功裏に設計・プロトタイピングし、ソフトウェア補正なしで元の単一素子レンズを上回るシャープネスと色収差制御を実現した。
• Oculus Rift の新しいレンズシステムは、視野の縁に近い部分まで高い像質を維持し、認識される解像度を顕著に向上させた。
• 新しいレンズにおける色収差は極めて小さく、実質的に消失しており、ソフトウェア事前処理を行っても依然として残存する色収差を示す元のレンズとは対照的である。
• システムは、マイクロフォーサーズカメラ用および非平行プロジェクション・ビュー・カメラ用に、機能的で高機能なレンズを生成し、広範な適用可能性を示した。
• CADファイル、ソースコード、設計詳細の公開により、コミュニティによる再現と配布が可能となり、複数の研究グループで正常に展開された。