Czy lepszy obiektyw może sprawić, że tańszy czujnik będzie działał lepiej?

Oto pytanie, które zaskakująco często słyszymy przy projektowaniu kamer:

„Jeśli użyjemy lepszego obiektywu, czy możemy uzyskać lepszą wydajność za pomocą tańszego czujnika?”

Szczera odpowiedź brzmi:

Tak – ale nie w taki sposób, jak myślisz.

Lepszy obiektyw nie jest w stanie w magiczny sposób zamienić czujnika 5 MP w czujnik 8 MP. Nie może zwiększyć liczby fizycznych pikseli czujnika, poprawić jego natywnego zakresu dynamiki ani wyeliminować szumów pochodzących z samego czujnika.

Ale jest też druga strona tej historii.

Czujnik może rejestrować jedynie informacje optyczne, które do niego docierają.

Jeśli obiektyw zapewnia niską szczegółowość, niski kontrast, niewystarczające światło lub źle kontrolowane aberracje, nawet kosztowna matryca musi pracować z zagrożonymi informacjami.

Z drugiej strony dobrze zaprojektowany obiektyw może pomóc tańszemu czujnikowi wydobyć znacznie więcej z tego, do czego faktycznie jest zdolny.

To rozróżnienie jest niezwykle ważne przy projektowaniu aparatu wrażliwego na koszty.

Czujnik nie działa samodzielnie

Kuszące jest myślenie o matrycy jako o „silniku” aparatu.

W rzeczywistości system obrazowania jest bliżej zespołu.

Soczewka zbiera i organizuje światło.

Czujnik przetwarza to światło na sygnały elektryczne.

Dostawca usług internetowych przetwarza te sygnały.

Oprogramowanie i sztuczna inteligencja następnie interpretują powstały obraz.

Jeśli jedna część łańcucha jest słaba, pozostałe elementy muszą to kompensować.

A rekompensata ma swoje granice.

Wyobraź sobie niedrogi czujnik, który doskonale radzi sobie z rozdzielczością określonego poziomu szczegółowości.

Teraz postaw przed nim obiektyw kiepskiej jakości.

Obiektyw może zamazać ten szczegół, zanim dotrze on do czujnika.

Czujnik nie jest w stanie zapisać informacji, która nigdy nie została mu dostarczona.

Dlatego zakup najdroższej matrycy, traktując obiektyw jako element towaru, może okazać się zaskakująco nieefektywną strategią.

Lepszy obiektyw nie dodaje pikseli. Dzięki temu piksele są bardziej przydatne.

To jest kluczowa idea.

Załóżmy, że dwie kamery korzystają z dokładnie tego samego czujnika.

Aparat A używa przeciętnego obiektywu.

Kamera B wykorzystuje lepszy układ optyczny.

Dane techniczne czujnika nie uległy zmianie.

Oba nadal mają tę samą liczbę pikseli.

Ale obrazy mogą wyglądać zauważalnie inaczej.

Dlaczego?

Ponieważ liczba pikseli to tylko część historii.

Układ optyczny wpływa na:

Rozdzielczość

Kontrast

Transmisja światła

Zniekształcenie

Aberracja chromatyczna

Ostrość krawędzi

Jednorodność obrazu

Lepszy obiektyw może zatem pomóc czujnikowi w lepszym wykorzystaniu pikseli, które już posiada.

Pomyśl o tym w ten sposób:

Magazyn pełen pustych pudełek nie oznacza, że ​​masz więcej produktów.

Czujnik daje Ci pudełka.

Soczewka pomaga określić, ile przydatnych informacji można w niej umieścić.

MTF: Gdzie obiektyw spotyka się z czujnikiem

To jest gdzieMTF (funkcja transferu modulacji)staje się użyteczny.

MTF opisuje, jak skutecznie system optyczny zachowuje kontrast na różnych poziomach szczegółowości.

Nie musisz zostać inżynierem optycznym, aby zrozumieć praktyczne znaczenie.

Obiektyw o dobrych parametrach MTF może zachować drobne szczegóły przy użytecznym kontraście.

Obiektyw o słabej wydajności MTF może zamienić te szczegóły w coraz słabsze i rozmyte wzory.

Staje się to szczególnie ważne w przypadku nowoczesnych czujników, w których rozmiary pikseli mogą być bardzo małe.

Z technicznego punktu widzenia czujnik może mieć dużą liczbę pikseli, ale jeśli obiektyw nie jest w stanie rozdzielić wystarczającej ilości szczegółów przestrzennych, piksele te nie są wykorzystywane efektywnie.

Jest to jeden z powodów, dla których dobrze zaprojektowany układ optyczny może czasami sprawić, że aparat będzie wydawał się „ostrzejszy”, mimo że sama matryca nie uległa zmianie.

Obiektyw nie ulepsza czujnika.

Po prostu staje się coraz mniej przeszkód.

Więcej światła może również zmienić grę

Rozdzielczość to nie jedyny problem.

Wydajność przy słabym oświetleniu to kolejny obszar, w którym jakość obiektywu ma znaczenie.

Większa apertura pozwala na dotarcie większej ilości światła do czujnika.

Może to być szczególnie cenne w zastosowaniach takich jak nadzór bezpieczeństwa, monitorowanie zewnętrzne, robotyka lub kamery samochodowe.

Rozważmy dwie kamery korzystające z tego samego czujnika.

Jeden używa obiektywu o stosunkowo małej aperturze.

Drugi wykorzystuje obiektyw o większej aperturze i lepiej zbierający światło.

W jasnym otoczeniu różnica może nie być dramatyczna.

W nocy może to stać się znacznie bardziej widoczne.

Drugi aparat może być w stanie utrzymać niższy poziom wzmocnienia, lepszą ekspozycję i czystsze informacje o obrazie.

Nie oznacza to jednak, że obiektyw poprawił charakterystykę szumową matrycy.

Oznacza to, że na początku obiektyw zapewnił czujnikowi lepszy sygnał optyczny.

A czasami to połowa sukcesu.

Gdzie lepszy obiektyw nie może pomóc

Ważne jest, aby tego nie przeceniać.

Lepszy obiektyw ma ograniczenia.

Jeżeli czujnik posiada:

Słaby zakres dynamiki

Wysoki poziom hałasu odczytu

Niska wydajność kwantowa

Ograniczona wydajność kolorów

Niewystarczająca liczba pikseli

obiektyw nie jest w stanie całkowicie rozwiązać tych problemów.

Podobnie obiektyw nie może zamienić czujnika o niskiej rozdzielczości w czujnik o wysokiej rozdzielczości.

Nie ma optycznego odpowiednika tajnej aktualizacji oprogramowania czujnika.

Jeśli ktoś to obiecuje, bądź podejrzliwy.

Dobra inżynieria optyczna polega na maksymalizacji wydajności systemu, a nie na dokonywaniu cudów.

Prawdziwą szansą jest dopasowanie systemu

Najciekawszym pytaniem nie jest:

„Co jest lepsze, drogi czujnik czy drogi obiektyw?”

To jest:

„Jak dopasować obiektyw i matrycę?”

W tym miejscu cenne staje się doświadczenie w projektowaniu optycznym.

Obiektyw należy oceniać pod kątem rzeczywistej matrycy:

Format czujnika

Rozmiar piksela

Aktywny obszar obrazu

Wymogi agencji ratingowych

Wymagana rozdzielczość

Pole widzenia

Przysłona

Koło obrazu

Na przykład użycie obiektywu o bardzo wysokiej rozdzielczości z czujnikiem o stosunkowo niskiej rozdzielczości może przynieść niewielkie korzyści praktyczne.

Jednak użycie źle dopasowanego obiektywu z odpowiednią matrycą może pozostawić znaczną wydajność na stole.

Słodki punkt jest gdzieś pośrodku.

W tym miejscu optymalizacja kosztów staje się interesująca

Dla producentów aparatów może to mieć poważne skutki komercyjne.

Wyobraź sobie, że produkt musi osiągnąć określoną docelową jakość obrazu, zachowując jednocześnie rygorystyczne koszty BOM.

Oczywistym podejściem jest często:

„Kupmy lepszy czujnik.”

Czasami to właściwa odpowiedź.

Czasami jednak lepszym podejściem jest przyjrzenie się całemu systemowi obrazowania.

Czy lepsza konstrukcja optyczna mogłaby pozwolić na osiągnięcie wymaganego rezultatu za pomocą tańszego czujnika?

Czy większa przysłona może na tyle poprawić wydajność przy słabym oświetleniu, aby zmniejszyć potrzebę agresywnego przetwarzania obrazu?

Czy lepsza wydajność brzegowa może poprawić wykrywanie AI bez zwiększania rozdzielczości czujnika?

Czy lepsze dopasowanie czujnika do obiektywu może zapewnić wymaganą jakość obrazu bez konieczności dodawania większej liczby megapikseli?

To znacznie ciekawsze pytania inżynierskie.

Mogą mieć także bezpośredni wpływ na koszt produktu.

Dobry obiektyw może być mądrzejszym ulepszeniem

Dlatego jesteśmy naOptyka Boshiegoczęsto postrzegają aparat jako kompletny układ optyczny, zamiast oceniać obiektyw osobno.

Kamera bezpieczeństwa, dron, kamera samochodowa, robot, kamera przemysłowa czy urządzenie do obrazowania medycznego mogą mieć zupełnie inne priorytety.

Najlepsze rozwiązanie optyczne niekoniecznie jest najdroższe.

To on dostarcza czujnikowi informacji właściwych dla danego zadania.

W Boshi Optics rozwój i produkcja optyki obejmuje zastosowania, w tym nadzór bezpieczeństwa, wizję AI, drony, obrazowanie samochodowe, urządzenia medyczne i inne systemy obrazowania. To podejście oparte na aplikacjach pomaga inżynierom zrównoważyć rozdzielczość, przysłonę, pole widzenia, rozmiar, zniekształcenia i inne wymagania, zamiast po prostu gonić za najwyższą specyfikacją.

Czy zatem lepszy obiektyw może sprawić, że tańszy czujnik będzie działał lepiej?

Tak, ale z ważnymi kwalifikacjami.

Lepszy obiektyw nie poprawia fizycznie czujnika.

Robi coś bardziej realistycznego:

Może pomóc czujnikowi działać bliżej jego rzeczywistego potencjału.

Dobra optyka może zapewnić lepszą szczegółowość, bardziej użyteczne światło, silniejszy kontrast i bardziej spójną jakość obrazu dla czujnika.

W przypadku rozwoju kamer uwzględniających koszty może to być bardzo mądra strategia.

Ponieważ czasami odpowiedź nie brzmi:

„Kup droższy czujnik.”

Czasami jest to:

„Przestań sprawiać, że czujnik będzie działał z przeciętnym obiektywem”.

I tę rozmowę warto przeprowadzić, zanim kolejny projekt kamery zostanie zapisany w zestawieniu komponentów.