Czy plastikowe obiektywy do aparatów są naprawdę gorsze od szklanych?

Jeśli zapytasz kogoś, który obiektyw jest lepszy – plastikowy czy szklany – prawdopodobnie otrzymasz bardzo pewną odpowiedź.

Szkło. Oczywiście.

Brzmi rozsądnie.

Szkło sprawia wrażenie premium.

Szkło sprawia wrażenie ciężkiego.

Szkło sprawia wrażenie czegoś, co powinno znaleźć się w drogim układzie optycznym.

Tymczasem plastik brzmi jak materiał użyty do wykonania jednorazowego pudełka na drugie śniadanie.

Jednak inżynieria optyczna rzadko jest tak prosta.

Prawda jest taka:

Soczewki plastikowe nie są automatycznie gorsze od soczewek szklanych.

Są to różne materiały, mające różne zalety i ograniczenia.

W zależności od aparatu plastik może być mądrzejszym wyborem inżynieryjnym.

Po pierwsze, „plastik” nie oznacza zwykłego plastiku

Kiedy ludzie słyszą „plastikowa soczewka”, często wyobrażają sobie tani, przezroczysty kawałek plastiku.

Tworzywa optyczne stanowią odrębną kategorię.

Materiały takie jak polimery klasy optycznej można projektować tak, aby zapewniały kontrolowane właściwości refrakcyjne i mechaniczne odpowiednie do zastosowań w obrazowaniu.

Można je również wytwarzać ze złożonymi geometriami optycznymi.

Jest to szczególnie ważne, ponieważ wiele nowoczesnych obiektywów do aparatów kompaktowych wykorzystuje wysoce zoptymalizowane formowane elementy optyczne.

Zatem prawdziwe porównanie nie jest następujące:

Szkło vs tani plastik.

To jest:

Szkło optyczne a optyczne materiały polimerowe.

To o wiele bardziej interesujące pytanie.

Dlaczego szkło ma tak dobrą reputację

Szkło jest stosowane w układach optycznych od wieków i nie bez powodu.

Szkło optyczne ma kilka ważnych zalet.

Może zapewnić doskonałą stabilność optyczną i szeroki zakres właściwości refrakcyjnych.

Szkło jest również stosunkowo stabilne w temperaturze w porównaniu z wieloma polimerami.

W wymagających zastosowaniach obrazowania, w których wydajność optyczna musi pozostać wysoce przewidywalna w zmieniających się warunkach środowiskowych, szkło może być niezwykle cenne.

Jest to jeden z powodów, dla których wysokowydajne systemy fotograficzne, naukowe, przemysłowe i niektóre samochodowe systemy optyczne mogą wymagać znacznych ilości szkła.

Ale szkło ma swoje wady.

Jest cięższy.

Przetwarzanie może być droższe.

Złożone kształty mogą wymagać bardziej skomplikowanych procesów produkcyjnych.

A produkcja skomplikowanych geometrii optycznych na dużą skalę może być kosztowna.

Plastik ma jedną bardzo dużą zaletę: swobodę produkcji

Jedną z największych zalet tworzyw optycznych nie jest po prostu niski koszt.

To elastyczność produkcji.

Elementy optyczne z tworzyw sztucznych często można wytwarzać metodą precyzyjnego formowania wtryskowego.

Oznacza to, że po ustaleniu oprzyrządowania można potencjalnie wytwarzać złożone geometrie optyczne w dużych ilościach.

Jest to szczególnie atrakcyjne w przypadku kompaktowych kamer konsumenckich i wbudowanych.

Jeśli aparat potrzebuje setek tysięcy lub milionów obiektywów, wydajność produkcji ma ogromne znaczenie.

Mała różnica w koszcie jednostkowym staje się bardzo dużą liczbą po pomnożeniu przez milion.

Tutaj optyka plastikowa może mieć wiele sensu.

Plastik może również sprawić, że aparaty będą lżejsze

Waga ma większe znaczenie, niż ludzie czasami zdają sobie sprawę.

W przypadku smartfona liczy się każdy gram.

W przypadku drona ma to jeszcze większe znaczenie.

W przypadku urządzenia do noszenia lub kompaktowego robota niepotrzebna waga również nie jest szczególnie mile widziana.

Polimery optyczne są na ogół znacznie lżejsze niż szkło.

Stwarza to oczywistą zaletę w przypadku systemów, w których:

mały + lekki + duża głośność

jest ważniejsza niż absolutna wydajność optyczna w ekstremalnych warunkach.

Na przykład w przypadku kamery dronowej zmniejszenie masy modułu optycznego może przyczynić się do ogólnego projektu systemu.

Nie oznacza to, że plastik jest zawsze właściwą odpowiedzią.

Oznacza to, że wybór materiału powinien uwzględniać cały produkt.

Gdzie więc wygrywa szkło?

Szkło staje się szczególnie atrakcyjne, gdy głównymi problemami są stabilność środowiskowa i optyczna.

Dobrym przykładem jest temperatura.

Każdy materiał zmienia swoje wymiary pod wpływem temperatury.

Ilość zmian zależy od materiału.

Ponieważ systemy optyczne są bardzo wrażliwe na geometrię, zmiany związane z temperaturą mogą wpływać na ostrość i wydajność optyczną.

Ma to znaczenie w przypadku kamer pracujących na zewnątrz, wewnątrz pojazdów, w środowiskach przemysłowych lub w innych zastosowaniach, w których występują znaczne wahania temperatury.

Szkło może oferować zalety w tym obszarze, w zależności od konkretnego materiału i konstrukcji optycznej.

Szkło może również zapewniać szersze możliwości w przypadku niektórych wymagających wymagań optycznych.

Jeśli więc ktoś Ci powie:

„Plastik jest zawsze lepszy, ponieważ jest tańszy”.

Jest to tak samo mylące, jak stwierdzenie:

„Szkło jest zawsze lepsze, ponieważ jest szkłem.”

Plastik może być również bardziej wrażliwy na starzenie

Trwałość środowiska jest kolejnym czynnikiem branym pod uwagę.

Niektóre polimery optyczne mogą być bardziej wrażliwe niż szkło na:

Temperatura

Wilgotność

Ekspozycja na promieniowanie UV

Środowiska chemiczne

Rzeczywiste zachowanie zależy w dużej mierze od składu i zastosowania materiału.

Właśnie dlatego tworzywo optyczne, które doskonale sprawdza się we wnętrzu urządzenia konsumenckiego, niekoniecznie musi być najlepszym wyborem w przypadku kamery zewnętrznej narażonej na wieloletnie działanie promieni słonecznych i wahania temperatury.

Przy wyborze materiału należy wziąć pod uwagę zamierzony okres użytkowania.

Soczewka, która wygląda doskonale już pierwszego dnia, niekoniecznie jest dobrą soczewką, jeśli jej działanie znacząco zmienia się po latach ekspozycji na środowisko.

Interesująca część: wiele obiektywów wykorzystuje oba

W tym miejscu prosta debata „plastik kontra szkło” zaczyna się rozpadać.

Wiele systemów optycznych nie musi wybierać wyłącznie jednego materiału.

W obiektywie można zastosować kombinację szkła i elementów optycznych z tworzywa sztucznego.

Dlaczego?

Ponieważ różne materiały mogą rozwiązać różne problemy optyczne.

Projektant może zastosować jeden materiał ze względu na określoną charakterystykę załamania światła, a drugi ze względu na inne wymagania.

Może to zapewnić użyteczną równowagę pomiędzy:

Wydajność optyczna

Rozmiar

Waga

Koszt

Wytwarzalność

Stabilność środowiska

Innymi słowy, najinteligentniejszy obiektyw nie musi być wykonany w całości ze szkła lub w całości z tworzywa sztucznego.

Może wykorzystywać dokładnie to, czego potrzebuje konstrukcja optyczna.

A co z rozdzielczością?

To kolejny obszar, w którym rozmowa często wprowadza w błąd.

Ludzie czasami zakładają:

Szkło = wysoka rozdzielczość

Plastik = niska rozdzielczość

Nie koniecznie.

Rozdzielczość zależy od całej konstrukcji optycznej i jakości produkcji.

Czynniki takie jak:

Geometria soczewki

Dokładność powierzchni

Właściwości materiału

Dokładność montażu

Wyrównanie optyczne

Wydajność MTF

Charakterystyka czujnika

wszystko ma znaczenie.

Źle zaprojektowany szklany obiektyw może źle działać.

Dobrze zaprojektowany formowany element optyczny z tworzywa sztucznego może działać zaskakująco dobrze.

Materiał jest ważny.

Ale to tylko jedna część równania.

Dlaczego tworzywa optyczne są ważne w aparatach produkowanych masowo

Weźmy pod uwagę moduł kamery, który musi być produkowany w bardzo dużych ilościach.

Producentowi mogą zależeć na:

Koszt + waga + czas cyklu + powtarzalność + parametry optyczne.

W tym miejscu formowana optyka z tworzywa sztucznego może stać się niezwykle atrakcyjna.

Po opracowaniu precyzyjnych narzędzi formowanie wtryskowe może wspierać produkcję na dużą skalę przy zachowaniu spójnej geometrii.

Jest to szczególnie istotne w przypadku zastosowań takich jak:

Aparaty konsumenckie

Kamery bezpieczeństwa

Moduły motoryzacyjne

Drony

Robotyka

Urządzenia inteligentne

Kompaktowe systemy widzenia maszynowego

Technologia produkcji jest zatem jednym z głównych powodów, dla których optyka z tworzyw sztucznych stała się tak powszechna.

Jak właściwie powinni wybierać inżynierowie?

Zamiast pytać:

„Czy szkło jest lepsze od plastiku?”

Zapytałbym:

„Który materiał jest lepszy dla tego układu optycznego?”

W przypadku kompaktowego, lekkiego aparatu o dużej pojemności, tworzywo optyczne może być doskonałym wyborem.

W przypadku wymagającego systemu zewnętrznego działającego w ekstremalnych temperaturach szkło może oferować istotne zalety.

W przypadku niektórych produktów najbardziej sensowny może być projekt hybrydowy.

Na Optyka Boshiegowybór materiału jest częścią szerszego problemu związanego z konstrukcją optyczną, a nie prostą decyzją „szkło jest najwyższej jakości, plastik jest tani”. Odpowiednie rozwiązanie zależy od wymagań czujnika, parametrów optycznych, ograniczeń mechanicznych, warunków środowiskowych, wielkości produkcji i docelowych kosztów.

Tak zwykle działa inżynieria optyczna.

Rzadko kiedy istnieje jeden materiał, który wygrywa wszystkie argumenty.

Konkluzja

Czy plastikowe obiektywy do aparatów są naprawdę gorsze od szklanych?

NIE.

Szkło jest wyjątkowym materiałem optycznym i pozostaje niezastąpione w wielu wymagających zastosowaniach.

Ale tworzywo optyczne ma swoje mocne strony:

Lekki.

Wysoka produktywność.

Nadaje się do skomplikowanych geometrii formowanych.

Dobrze nadaje się do produkcji wielkoseryjnej.

Potencjalnie opłacalne.

Ważnym pytaniem nie jest to, który materiał brzmi bardziej premium.

Zależy to od tego, czy materiał może zapewnić wymaganą wydajność optyczną, stabilność, łatwość produkcji i żywotność rzeczywistego aparatu.

Ponieważ obiektyw aparatu nie otrzymuje dodatkowych punktów za wykonanie ze szkła.

Ocenia się go na podstawie obrazu, jaki wytwarza, i tego, czy wytwarza go niezawodnie po pierwszym prototypie, setnej partii produkcyjnej i milionowej jednostce.