水中環境における画像撮影要件と光学的課題に関する技術的概要

プール清掃ロボットは、移動、感知、視覚認識を組み合わせ、移動しながら清掃作業を行います。多くの人がこれらのロボットといえば、ブラシ、モーター、ろ過システムを思い浮かべますが、 カメラレンズ 正確な水中監視と意思決定を可能にする最も重要なコンポーネントの 1 つです。

1. プールロボットに水中ビジョンシステムが必要な理由

最新のプール清掃ロボットには通常、少なくとも 1 つのカメラ モジュールが搭載されています。

カメラにはいくつかの機能があります:

• プールの壁、角、底面を観察する
• ナビゲーションとルート計画の支援
• ゴミ、汚れ、繰り返し清掃が必要な箇所の検出
• 階段、排水溝、プールの付属品などの障害物を避ける
• リアルタイムフィードバックやリモート監視をサポート

よく設計された 水中レンズ ロボットは、反射、濁り、または照明が不安定な環境でも信頼性の高い画像情報を収集できます。

2. 水中撮影特有の光学的課題

空気とは異なり、水は光の振る舞いを大きく変えます。

屈折と視野の損失

水は屈折率が高いため、有効視野 (FOV) が減少します。

これを補うために、水中レンズには非常に広い視野角が必要になることがよくあります。

光の吸収と散乱

水は光をより速く吸収し、浮遊粒子は光を散乱させます。

これは、明瞭さ、コントラスト、色の正確さに影響します。

表面からの反射

壁や水面により、強いハイライトやグレアスポットが生じることがあります。

圧力と露出

コンポーネントは、長期間の浸水、水圧、化学物質への暴露 (塩素、海水、洗浄剤) に耐える必要があります。

これらの条件により、水中の光学設計は通常の監視カメラや民生用カメラとは根本的に異なります。

3. 水中レンズ設計における主要なパラメータ

（1）焦点距離（EFL）

焦点距離が短いほど視野が広くなります。

水中での使用では、屈折による狭まりに対抗するために、非常に短い焦点距離 (例: 0.98mm～2mm) が必要になることがよくあります。

（２）絞り（F値）

F 値を低くすると (F1.6～F2.0 など)、特にプールの底や日陰の部分など、薄暗い状況での明るさが増します。

（3）視野（FOV）

広角撮影が必須です。

プールロボット用の一般的な水中レンズの到達距離は次のようになります。

• 水平: 150°～180°
• 垂直: 150°～180°
• 対角線：最大200°

このようなパノラマ FOV により、ロボットは死角を最小限に抑えながら周囲を把握できます。

（4）光学構造（例：2G3P）

ハイブリッド レンズ構造は、ガラスとプラスチックの要素を組み合わせてバランスをとります。

• 歪み補正
• 重さ
• 熱安定性
• コスト効率

ガラス要素により耐久性が向上し、水中での光学的な変形が減少します。

（５）コーティングと透過率

高い透過率（例：Tavg ≥ 90%）は、次の点で重要です。

• 光損失の低減
• 濁った水の中での視認性の向上
• 色の忠実性を維持

コーティングは、傷や化学物質への曝露を防ぐのにも役立ちます。

（6）センサーの互換性

水中レンズは通常、Sony IMX390 などのセンサーと組み合わせて使用​​され、次のような機能を提供します。

• ハイダイナミックレンジ
• 優れた色再現
• 低光量感度
• 連続運転の安定性

（7）防水性と環境保護性

IP67 や IP68 などの保護レベルは、次の場合に不可欠です。

• 水の浸入を防ぐ
• 曇りを避ける
• 長期浸水中でも透明度を維持

-20°C ～ +70°C の動作温度範囲により、季節の変化に応じてパフォーマンスが保証されます。

4. プール清掃ロボットの応用シナリオ

水中レンズはロボットのさまざまな機能に貢献します。

• ナビゲーションのためのプールジオメトリのマッピング
• 微粒子や汚れの斑点の検出
• 壁や斜面に対するロボットの位置の監視
• 破片や表面の状態を分類するAIアルゴリズムをサポート
• 安全性の向上、衝突リスクの低減

広い視野と安定した水中撮影により、ロボットはより効率的かつ自律的に動作することができます。

5. 水中光学設計の将来動向

プール掃除ロボットがさらに進化するにつれて、水中レンズは次の方向に進化し続けます。

• より高い解像度で物体検出を向上
• 低照度画像の改善
• 耐薬品性を高めるより耐久性の高い素材
• 強化された防曇・反射防止コーティング
• AIベースのビジョンシステムとの統合

これらの改良により、ロボットは住宅と商業の両方のプール環境に適応できるようになります。