Co se stane s objektivem fotoaparátu, než se dostane k senzoru?

Pořiďte fotografii.

Je to okamžité.

Světlo vstoupí do fotoaparátu, senzor ho zachytí a na obrazovce se nějakým způsobem objeví obraz.

Jednoduché, že?

No, z pohledu optického inženýra ne tak docela.

Mezi scénou v reálném světě a malými pixely na obrazovém snímači musí světlo projít překvapivě komplikovanou cestou. Je lomený, zaostřený, částečně odražený, absorbovaný, zkreslený a doufejme – po tom všem – dodán na správné místo s dostatečným kontrastem, aby byl užitečný.

Ta poslední část je dobráobjektiv fotoaparátuvydělává své peníze.

Lidé si někdy představují čočku jako kus skla, jehož jediným úkolem je „zaostřit obraz“.

Tento popis je technicky pravdivý zhruba stejným způsobem, jako je pravdivé tvrzení, že vůz Formule 1 je „vozidlo se čtyřmi koly“.

Děje se toho podstatně víc.

Všechno to začíná světlem ze scény

Než objektiv něco udělá, je tu samotná scéna.

Každý objekt před kamerou odráží nebo vyzařuje světlo. Toto světlo se šíří směrem ke kameře z různých směrů as různými vlnovými délkami.

Například červené auto jednoduše nevysílá „červené světlo“ směrem ke kameře jedním úhledným paprskem. Světlo přichází z různých částí vozidla, pod různými úhly, s různou intenzitou.

Objektiv musí vzít tuto chaotickou sbírku světelných paprsků a uspořádat ji do obrazu.

To je v podstatě úkolem optického systému:

Vezměte světlo přicházející z různých směrů a vytvořte z něj kontrolovaný obraz na snímači.

A hned je tu problém.

Světlo se přirozeně nechová tak, jak by si inženýři přáli.

Když světlo přechází ze vzduchu do skla, mění se jeho směr. Při průchodu dalším optickým prvkem se opět změní.

Tomu se říká refrakce.

Pečlivým výběrem tvaru a materiálu každého optického prvku používají designéři objektivů toto chování k řízení místa, kde se paprsky nakonec setkají.

To je důvod, proč objektiv fotoaparátu může obsahovat několik optických prvků spíše než jeden jednoduchý kus skla.

Objektiv není jeden objektiv

Podívejte se na moderní čočku fotoaparátu a možná uvidíte malý válcový předmět.

Uvnitř však může být více optických prvků.

Každý prvek má svou práci.

Některé pomáhají zaostřit obraz. Jiní opravují aberace. Některé zlepšují výkon hran. Některé pomáhají kontrolovat zkreslení nebo chromatickou aberaci.

Zajímavé na tom je, že tyto prvky nefungují samostatně.

Fungují jako systém.

Návrhář může změnit zakřivení jednoho prvku a pak bude muset upravit jiný prvek, aby kompenzoval efekt.

Změňte clonu a optické chování se může znovu změnit.

Zmenšete čočku a design bude obtížnější.

Zvětšete zorné pole a zkreslení se hůře ovládá.

Požadujte výkon F1.0 a optický designér dostane další bolehlav zdarma.

To je důvod, proč je optický design v zásadě kompromisem.

Málokdy se vám podaří maximalizovat vše současně.

Pak přichází clona

Někde uvnitř optické soustavy je clona.

Clonu si můžete představit jako „strážce brány“, který řídí, kolik světla vstupuje do objektivu.

Objektiv F1.0 má velmi velkou relativní světelnost, která umožňuje pronikání podstatně více světla do optického systému než objektiv s menší světelností.

To je zvláště důležité při zobrazování při slabém osvětlení.

Má to ale háček.

Větší clona neznamená jednoduše „lepší“.

Když otevřete clonu, více paprsků z vnějších částí optického systému se podílí na vytváření obrazu. Tyto paprsky se obecně hůře kontrolují.

V důsledku toho mohou být aberace výraznější.

To je jeden z důvodů, proč je navrhování vysoce výkonného objektivu F1.0 mnohem náročnější než pouhé fyzické zvětšení clony.

U aplikací, jako je noční sledování, se však kompromis může vyplatit.

Když je dostupné světlo omezené, může jeho nasbírání znamenat rozdíl mezi užitečným a zašuměným obrazem.

Ne každý paprsek dorazí k senzoru stejným způsobem

Zde je detail, který je zvláště důležitý při výběru objektivu pro moderní obrazový snímač:

Důležitý je úhel, pod kterým světlo dopadá na senzor.

Inženýři často mluví oChief Ray Angle, neboli CRA.

Jednoduše řečeno, CRA popisuje úhel hlavního paprsku dosahujícího různé oblasti senzoru.

Proč by nás to mělo zajímat?

Protože moderní obrazové snímače nejsou jen ploché kusy světlocitlivého materiálu, které trpělivě čekají, až je něco zasáhne.

Nad fotodiodami jsou mikroskopické struktury včetně mikročoček a dalších vrstev.

Pokud přicházející světlo dopadá pod nevhodným úhlem, zejména směrem k okraji snímače, snímač nemusí toto světlo využívat tak efektivně, jak se očekávalo.

To je jeden z důvodů, proč je shoda objektivu a snímače důležitá.

Objektiv může mít správnou ohniskovou vzdálenost a formát snímače a přesto nemusí být ideální optickou shodou.

Obrazový kruh: Zakryje objektiv skutečně snímač?

Zde je další překvapivě běžný problém.

Čočka vytváří obrazový kruh.

Senzor je umístěn uvnitř tohoto obrazového kruhu a využívá část, která připadá na jeho aktivní plochu.

Pokud je kruh obrazu příliš malý, rohy snímače nemusí přijímat dostatečné obrazové informace.

Výsledkem může být vinětace nebo dokonce viditelné tmavé rohy.

Proto záleží na formátu snímače.

Objektiv určený pro menší snímač nelze jednoduše nasadit na mnohem větší snímač a očekávat, že bude fungovat perfektně.

Můžete je fyzicky propojit.

Opticky však může být vztah spíše méně kooperativní.

To je také důvod, proč se inženýři dívají spíše na skutečné rozměry snímače, než aby se spoléhali pouze na štítky jako „1/2,7 palce“ nebo „1/1,8 palce“.

Tyto názvy formátů jsou užitečné zkratky, ale na skutečné aktivní ploše a optických požadavcích nakonec záleží.

A pak tam jsou odchylky

Zde se optické inženýrství stává o něco méně okouzlujícím.

Světlo procházející skutečnou čočkou se ne vždy zaostří přesně tam, kam chceme.

Různé vlnové délky se mohou chovat odlišně.

Paprsky procházející různými částmi čočky se mohou také různě zaostřit.

Vznikají tak různé optické aberace.

Chromatická aberace může způsobit barevné lemování.

Sférická aberace může snížit ostrost obrazu.

Astigmatismus může ovlivnit, jak jsou reprodukovány jemné detaily.

Kóma může způsobit zkreslení objektů podobných bodům, zejména směrem k okrajům.

A zakřivení pole znamená, že rovina nejlepšího zaostření se nemusí chovat tak, jak by inženýři snímače preferovali.

Žádný z těchto problémů nezní nijak zvlášť vzrušující.

Ale jsou to přesně ty věci, které určují, zda čočka vytváří ostrý obraz nebo něco, co vypadá podezřele, jako by to potřebovalo brýle.

Moderní optický design je z velké části o kontrole těchto nedokonalostí.

Obraz není všude stejně ostrý

Tím se dostáváme k jednomu z největších nedorozumění ohledně rozlišení objektivu.

Čočka nemusí nutně fungovat stejně dobře ve středu a na okraji.

Střed obrazu se obvykle ovládá snadněji.

Jak se pohybujete směrem k okraji, optický výkon může klesat.

To je důležité zejména u širokoúhlých objektivů.

Představte si bezpečnostní kameru monitorující parkoviště.

Střed obrazu může být extrémně ostrý.

Co se ale stane, když vozidlo vjede z boku?

Pokud je rozlišení okrajů špatné, může mít fotoaparát technicky snímač s vysokým rozlišením, zatímco tam, kde je to důležité, poskytuje mnohem méně užitečné detaily.

To je důvod, proč optičtí inženýři sledují výkon MTF v celém obrazovém poli, místo aby se jednoduše ptali, zda je objektiv „4MP“ nebo „8MP“.

Počet pixelů vám říká, co může snímač vzorkovat.

MTF vám pomůže říct, jak efektivně dokáže optický systém dodat detaily do těchto pixelů.

Než světlo konečně dosáhne senzoru

I po průchodu členy čočky, clonou a optickými korekcemi se světlo může setkat s dalšími složkami.

V závislosti na konstrukci kamery může optická cesta zahrnovat:

Ochranná okna

IR-cut filtry

Krycí sklo snímače

Nízkopropustné filtry

Jiné optické povlaky nebo struktury

Každý další povrch může ovlivnit optický systém.

Odraz může snížit přenos.

Špatné nátěry mohou zvýšit odlesky nebo duchy.

Tloušťka a refrakční vlastnosti součástí před snímačem mohou také ovlivnit zaostření a optický výkon.

To je zvláště důležité u kompaktních kamerových systémů, kde je vše zabalené do velmi malého prostoru.

Optický designér nemůže jednoduše říci:

"To je problém výrobce senzoru."

Na celé optické sestavě záleží.

Konečně světlo dosáhne senzoru

Po všech těchto interakcích se světlo konečně dostane k obrazovému snímači.

Senzor převádí přicházející fotony na elektrické signály.

V tuto chvíli se může zdát, že objektiv svou práci dokončil.

Vlastně zde můžete konečně vidět, zda objektiv odvedl svou práci dobře.

Pokud optický systém dodal:

 Dostatek světla

 Dobrý kontrast

 Jemné detaily

Řízené aberace

Vhodné úhly paprsku

Adekvátní pokrytí obrazu

senzor má užitečné informace, se kterými lze pracovat.

Pokud ne, systém pro zpracování obrazu má ve svých rukou obtížný problém.

Redukce šumu může snížit hluk.

Ostřením lze zvýraznit hrany.

Algoritmy AI mohou vylepšit obrázky.

Software však nedokáže dokonale obnovit optické informace, které nebyly nikdy zachyceny.

To je důvod, proč optická kvalita zůstává důležitá, i když se výpočetní zobrazování stává sofistikovanější.

Proč by výběr objektivu a snímače měl probíhat společně

Toto je pravděpodobně praktická lekce, kterou bych zdůraznil nejsilněji.

Nevybírejte nejprve senzor a pak se nenuceně zeptejte:

"Jakou čočku na to můžeme nasadit?"

U mnoha projektů by měl být výběr objektivu a snímače zvažován společně.

Inženýr musí pochopit vztah mezi:

Snímač + čočka + clona + zorné pole + zpracování obrazu + osvětlení

Změna jedné části může ovlivnit ostatní.

Menší velikost pixelu může zvýšit požadavky na optické rozlišení.

Širší zorné pole může zvýšit zkreslení a problémy s výkonem okrajů.

Větší clona může zlepšit výkon při slabém osvětlení a zároveň ztížit kontrolu aberace.

Požadavky CRA může změnit jiný snímač.

To je důvod, proč zkušení dodavatelé optiky často kladou překvapivě podrobné otázky, než doporučí čočku.

Není to proto, že by je bavilo papírování.

Obvykle se snaží vyhnout doporučení něčeho, co vypadá perfektně na papíře a zklame vás při připojení ke skutečnému fotoaparátu.

Optická cesta je ve skutečnosti řetězec rozhodnutí

Jakmile pochopíte, co se děje mezi scénou a senzorem, jedna věc bude jasná:

Objektiv fotoaparátu není jen „zaostřovací světlo“.

Řídí světlo.

Každý optický povrch, každé zakřivení, každá vzdálenost, každý povlak a každá mechanická tolerance ovlivňuje konečný obraz.

Objektiv musí nasbírat dostatek světla.

Musí to světlo správně nasměrovat.

Musí kontrolovat aberace.

Musí poskytovat dostatečné rozlišení.

Musí odpovídat snímači.

A v ideálním případě musí toto vše provést tisíckrát nebo milionkrát s konzistentním výkonem.

To je důvod, proč malá čočka fotoaparátu může obsahovat působivé množství inženýrství.

V Boshi Optics jsou optická řešení vyvíjena pro aplikace od bezpečnostního dohledu a AI vidění až po drony, automobilové zobrazování, lékařská zařízení a další zobrazovací systémy. Výrobní možnosti společnosti pokrývají zpracování optických součástí, přesné lisování, vstřikování, montáž čoček a optické testování.

Výsledný obrázek může vypadat jednoduše.

Cesta, která to stvořila, není nic jiného než.

Poslední způsob, jak o tom přemýšlet

Až se příště podíváte na specifikaci fotoaparátu a uvidíte:

8MP snímač

nepředstavujte si hned osm milionů drobných kousků detailů.

Představte si osm milionů příležitostí k záznamu informací.

Pak se zeptejte:

Co jim vlastně objektiv přinesl?

Tato otázka je mnohem blíže srdci optického inženýrství.

Protože snímač zaznamenává obraz.

Než ale snímač něco zaznamená, objektiv tomu musí dát něco, co za záznam stojí.