Proč je asférická optika všude v moderních fotoaparátech

Pokud rozeberete moderní čočku fotoaparátu, je velká šance, že najdete něco, co vypadá trochu jinak než ostatní optické prvky.

Ve středu může být tlustší.

Může mít neobvyklé zakřivení.

A na rozdíl od běžného sférického povrchu čočky jeho zakřivení nesleduje jednoduchou kouli.

Toto jeasférický člen objektivu.

Asférická optika se nyní nachází ve všem, od kamer smartphonů a kompaktních bezpečnostních kamer po automobilové zobrazovací systémy, drony, kamery se strojovým viděním a profesionální fotografické objektivy.

Nebylo tomu tak vždy.

Co se tedy změnilo?

Krátkou odpovědí je, že moderní fotoaparáty požadují od objektivů mnohem více a přitom se zmenšují.

A fyzika bohužel nesouhlasila, aby to bylo snadné.

Sférická čočka je ve skutečnosti pohodlný kompromis

Začněme tradičním přístupem.

Sférický povrch čočky je založen na kouli.

Díky tomu je povrch relativně jednoduchý na výrobu.

Ale je tu problém.

Světelné paprsky procházející různými částmi kulové čočky se ne vždy sbíhají přesně ve stejném bodě.

Paprsky v blízkosti optické osy a paprsky procházející vnější částí čočky se mohou zaostřovat odlišně.

Toto produkujesférická aberace.

Obraz bude méně ostrý, zejména při použití objektivu s velkou clonou.

Pro kompenzaci problému můžete přidat více optických prvků.

A historicky přesně to designéři objektivů dělali.

Ale teď máte jiný problém:

Více prvků znamená více prostoru, větší hmotnost, více povrchů, větší složitost výroby a potenciálně vyšší náklady.

Nakonec někdo položí jasnou otázku:

Proč nezměnit tvar samotného povrchu čočky?

Zde se asférická optika stává užitečnou.

Čím se liší asférický povrch?

Kulová plocha má konstantní poloměr zakřivení.

Asférický povrch nikoliv.

Jeho zakřivení se postupně mění od středu směrem k okraji.

To může znít jako malý geometrický rozdíl.

Opticky je to velmi užitečné.

Pečlivým řízením tvaru povrchu mohou designéři zajistit, aby se světelné paprsky sbíhaly mnohem kontrolovanějším způsobem.

To umožňuje asférickému prvku korigovat optické aberace, které by jinak vyžadovaly několik konvenčních sférických prvků.

Jednoduše řečeno:

Místo přidání dalšího skla k vyřešení problému můžete někdy změnit tvar skla.

To je jeden z hlavních důvodů, proč se asférická optika stala tak důležitou.

Skutečná výhoda není jen „ostřejší“

Lidé často popisují asférické čočky jako způsob, jak zlepšit ostrost.

To je pravda, ale neúplná.

Větší výhodou jesvoboda optického designu.

Asférický povrch může inženýrům pomoci spravovat několik optických charakteristik v závislosti na designu.

Mohou zahrnovat:

Sférická aberace

 Kóma

 Astigmatismus

 Zkreslení

Výkon v terénu

Celková velikost objektivu

To je u kompaktních fotoaparátů nesmírně důležité.

Moderní kamerové moduly se často potřebují vejít do velmi těsných mechanických prostorů a přitom stále poskytovat:

Široká zorná pole

Velké otvory

 Vysoké rozlišení

Dobrý výkon hrany

Pokoušet se dosáhnout toho všeho pomocí pouze konvenčních sférických prvků může být extrémně obtížné.

Asférická optika dává konstruktérovi další nástroj.

A někdy může jeden dobře navržený asférický povrch vykonat práci, kterou by jinak muselo vykonat několik běžných povrchů.

Proč širokoúhlé fotoaparáty milují asférickou optiku

Širokoúhlé objektivy jsou obzvláště náročné.

Jak se zorné pole zvětšuje, světlo vstupuje do optického systému ze stále různých úhlů.

Udržet tyto paprsky pod kontrolou je těžší.

Zkreslení se stává obtížněji zvládnutelné.

Okrajový výkon je obtížnější udržovat.

To je jeden z důvodů, proč se asférické prvky tak často objevují u širokoúhlých fotoaparátů.

Zvažte kompaktní bezpečnostní kameru.

Výrobce může chtít široké zorné pole, malé rozměry objektivu, vysoké rozlišení a dobrý výkon při slabém osvětlení.

Tyto požadavky táhnou optický design různými směry.

Širší clona pomáhá shromažďovat světlo.

Širší zorné pole zvyšuje pokrytí.

Menší balíček pomáhá integraci produktu.

Ale každé z těchto rozhodnutí vytváří optické problémy.

Asférické povrchy mohou pomoci návrhářům najít fungující rovnováhu.

Proč smartphony dělaly asférickou optiku ještě důležitější

Smartphony jsou pravděpodobně nejsnáze pochopitelným příkladem.

Fotoaparát smartphonu je malý.

Přesto výrobci očekávají, že bude produkovat snímky, které by před dvaceti lety vypadaly pozoruhodně z mnohem většího fotoaparátu.

Jednoduše není dostatek fyzického prostoru pro vyřešení každého optického problému přidáním velkého množství konvenčních skleněných prvků.

Řešením je vysoce optimalizovaný optický design.

Asférické povrchy mohou poskytnout podstatnou korekci ve velmi kompaktním balení.

Stejný princip platí pro další miniaturní zobrazovací systémy.

Bezpečnostní kamery, vestavěné moduly vidění, automobilové kamery, drony, roboty a chytrá zařízení čelí podobnému tlaku:

Více optického výkonu na menším fyzickém prostoru.

Asférický ale neznamená „automaticky lepší“

To je důležitý bod.

Asférický člen objektivu není automaticky nadřazený sférickému.

Je to designový nástroj.

Špatně navržený asférický povrch může stále produkovat špatný optický výkon.

A použití asférického prvku nevylučuje potřebu spravovat:

Chromatická aberace

 Zkreslení

Výrobní tolerance

Zarovnání

Výkon nátěru

Tepelné chování

Celý optický systém musí stále spolupracovat.

Ve skutečnosti mohou asférické povrchy někdy činit výrobu a kontrolu kvality náročnější, protože geometrie povrchu je složitější.

Takže skutečný úspěch není jednoduše:

"Použili jsme asférickou čočku."

To je:

"Použili jsme správnou optickou geometrii k vyřešení správného problému."

Ve výrobě je teorie zajímavá

Je velký rozdíl navrhnout asférickou plochu na počítači a vyrobit jich důsledně tisíce.

Požadovaný profil povrchu musí být vyroben přesně.

Prvek je pak nutné správně sestavit.

I dobrá optická konstrukce může ztratit výkon, pokud jsou výrobní tolerance špatně kontrolovány.

To je důvod, proč výrobci optiky jako napřOptika Boshije třeba zvážit design a výrobu společně.

Moderní optická výroba může zahrnovat přesné lisování, zpracování optických součástí, montáž, kontrolu rozměrů a testování optického výkonu.

Čím náročnější je optický povrch, tím důležitější je řízení procesu.

Větší důvod Asférická optika je všude

Proč tedy vidíme asférickou optiku v tolika moderních fotoaparátech?

Protože se fotoaparáty vyvinuly.

Jsou menší.

Senzory jsou schopnější.

Zorná pole jsou širší.

Otvory jsou větší.

Požadavky na rozlišení jsou vyšší.

A kamery se umisťují do stále omezenějších prostředí.

Dron nemůže nést obrovský objektiv.

Robot potřebuje kompaktní moduly vidění.

Vozidlo potřebuje kamery, které se vejdou do pečlivě navržených krytů.

Smartphone nemá téměř žádného místa nazbyt.

Asférická optika dává optickým inženýrům další míru svobody při řešení těchto problémů.

Nejsou kouzelnou přísadou.

Jsou prostě jedním z nejužitečnějších nástrojů moderních optických designérů.

A vzhledem k tomu, jak moc nyní od tak maličkých fotoaparátů požadujeme, bychom za ně asi měli být vděční.