Co dzieje się z obiektywem aparatu, zanim dotrze do czujnika?

Zrób zdjęcie.

To uczucie natychmiastowe.

Światło dostaje się do aparatu, czujnik je wychwytuje i w jakiś sposób obraz pojawia się na ekranie.

Proste, prawda?

Cóż, z punktu widzenia inżyniera optyka, nie do końca.

Pomiędzy sceną ze świata rzeczywistego a maleńkimi pikselami na przetworniku obrazu światło musi przejść zaskakująco skomplikowaną podróż. Jest załamany, skupiony, częściowo odbity, pochłonięty, zniekształcony i – miejmy nadzieję – mimo wszystko – dostarczony we właściwe miejsce z wystarczającym kontrastem, aby był użyteczny.

Ta ostatnia część jest dobraobiektyw aparatuzarabia swoje pieniądze.

Ludzie czasami wyobrażają sobie soczewkę jako kawałek szkła, którego jedynym zadaniem jest „ogniskowanie obrazu”.

Opis ten jest technicznie prawdziwy w mniej więcej taki sam sposób, w jaki prawdziwe jest stwierdzenie, że samochód Formuły 1 to „pojazd na czterech kołach”.

Dzieje się znacznie więcej.

Wszystko zaczyna się od światła ze sceny

Zanim obiektyw cokolwiek zrobi, jest sama scena.

Każdy obiekt przed kamerą odbija lub emituje światło. Światło to wędruje w kierunku kamery z różnych kierunków i ma różne długości fal.

Na przykład czerwony samochód nie wysyła po prostu „czerwonego światła” w stronę kamery w postaci jednej, zgrabnej wiązki. Światło dociera z różnych części pojazdu, pod różnymi kątami i z różną intensywnością.

Obiektyw musi zebrać ten chaotyczny zbiór promieni świetlnych i uporządkować go w obraz.

Zasadniczo jest to zadanie układu optycznego:

Weź światło pochodzące z różnych kierunków i uformuj kontrolowany obraz na czujniku.

I od razu pojawia się problem.

Światło nie zachowuje się naturalnie tak, jak chcieliby tego inżynierowie.

Kiedy światło przechodzi z powietrza do szkła, zmienia się jego kierunek. Kiedy przechodzi przez inny element optyczny, zmienia się ponownie.

Nazywa się to refrakcją.

Starannie dobierając kształt i materiał każdego elementu optycznego, projektanci soczewek wykorzystują to zachowanie do kontrolowania, gdzie ostatecznie spotykają się promienie.

Dlatego obiektyw aparatu może zawierać kilka elementów optycznych, a nie jeden zwykły kawałek szkła.

Obiektyw nie jest jednym obiektywem

Spójrz na obiektyw nowoczesnego aparatu, a być może zobaczysz mały cylindryczny obiekt.

Wewnątrz jednak może znajdować się wiele elementów optycznych.

Każdy element ma swoje zadanie.

Niektóre pomagają skupić obraz. Inne korygują aberracje. Niektóre poprawiają wydajność krawędzi. Niektóre pomagają kontrolować zniekształcenia lub aberrację chromatyczną.

Co ciekawe, elementy te nie działają niezależnie.

Działają jako system.

Projektant może zmienić krzywiznę jednego elementu, a następnie dostosować inny element, aby skompensować ten efekt.

Zmień przysłonę, a zachowanie optyczne może się ponownie zmienić.

Zmniejsz obiektyw, a konstrukcja stanie się trudniejsza.

Zwiększ pole widzenia, a zniekształcenia staną się trudniejsze do kontrolowania.

Żądaj wydajności F1.0, a projektant optyki dostanie za darmo kolejny ból głowy.

Dlatego też projektowanie optyczne zasadniczo opiera się na kompromisie.

Rzadko udaje się maksymalizować wszystko jednocześnie.

Potem nadchodzi przysłona

Gdzieś wewnątrz układu optycznego znajduje się przysłona.

Przysłonę można traktować jako „strażnika” kontrolującego ilość światła wpadającego do obiektywu.

Obiektyw F1.0 ma bardzo dużą aperturę względną, która przepuszcza do układu optycznego znacznie więcej światła niż obiektyw o mniejszej aperturze.

Staje się to szczególnie ważne w przypadku obrazowania przy słabym oświetleniu.

Ale jest pewien haczyk.

Większa przysłona nie oznacza po prostu „lepiej”.

Kiedy otwierasz przysłonę, w tworzeniu obrazu bierze udział więcej promieni z zewnętrznych części układu optycznego. Promienie te są na ogół trudniejsze do kontrolowania.

W rezultacie aberracje mogą stać się bardziej zauważalne.

Jest to jeden z powodów, dla których zaprojektowanie wydajnego obiektywu F1.0 jest znacznie większym wyzwaniem niż zwykłe fizyczne zwiększenie apertury.

Jednak w przypadku zastosowań takich jak nadzór nocny kompromis może się opłacić.

Gdy dostępne światło jest ograniczone, zebranie jego większej ilości może sprawić różnicę między użytecznym obrazem a zaszumionym.

Nie każdy promień dociera do czujnika w ten sam sposób

Oto szczegół, który staje się szczególnie istotny przy wyborze obiektywu do nowoczesnego przetwornika obrazu:

Kąt, pod jakim światło dociera do czujnika, ma znaczenie.

Inżynierowie często mówią oGłówny Ray Angle lub CRA.

Mówiąc najprościej, CRA opisuje kąt głównego promienia docierającego do różnych obszarów czujnika.

Dlaczego powinno nas to obchodzić?

Ponieważ nowoczesne przetworniki obrazu to nie tylko płaskie kawałki światłoczułego materiału, które cierpliwie czekają, aż cokolwiek je uderzy.

Nad fotodiodami znajdują się mikroskopijne struktury, w tym mikrosoczewki i inne warstwy.

Jeśli wpadające światło pada pod nieodpowiednim kątem, zwłaszcza w stronę krawędzi czujnika, czujnik może nie wykorzystywać go tak efektywnie, jak oczekiwano.

Jest to jeden z powodów, dla których dopasowanie obiektywu i czujnika ma znaczenie.

Obiektyw może mieć odpowiednią ogniskową i format matrycy, a mimo to nie będzie idealnie dopasowany pod względem optycznym.

Koło obrazu: czy obiektyw rzeczywiście zakryje czujnik?

Oto kolejny zaskakująco powszechny problem.

Soczewka wytwarza okrąg obrazu.

Czujnik znajduje się wewnątrz tego okręgu obrazu i wykorzystuje część przypadającą na jego aktywny obszar.

Jeśli okrąg obrazu jest zbyt mały, rogi czujnika mogą nie otrzymywać wystarczających informacji o obrazie.

Rezultatem może być winietowanie lub nawet widoczne ciemne rogi.

Dlatego format czujnika ma znaczenie.

Obiektywu zaprojektowanego dla mniejszej matrycy nie można po prostu przymocować do znacznie większej matrycy i oczekiwać, że będzie działał idealnie.

Możesz fizycznie połączyć te dwa elementy.

Optycznie jednak związek może być raczej mniej kooperatywny.

Z tego też powodu inżynierowie patrzą na rzeczywiste wymiary czujnika, zamiast polegać wyłącznie na etykietach takich jak „1/2,7 cala” lub „1/1,8 cala”.

Te nazwy formatów są użytecznym skrótem, ale ostatecznie liczy się rzeczywisty obszar aktywny i wymagania optyczne.

A potem pojawiają się aberracje

Tutaj inżynieria optyczna staje się nieco mniej efektowna.

Światło przechodzące przez prawdziwą soczewkę nie zawsze skupia się dokładnie tam, gdzie chcemy.

Różne długości fal mogą zachowywać się inaczej.

Promienie przechodzące przez różne części soczewki mogą również skupiać się inaczej.

Powoduje to powstawanie różnych aberracji optycznych.

Aberracja chromatyczna może powodować powstawanie kolorowych obwódek.

Aberracja sferyczna może obniżyć ostrość obrazu.

Astygmatyzm może wpływać na reprodukcję drobnych szczegółów.

Koma może sprawić, że obiekty punktowe będą wyglądać na zniekształcone, szczególnie w kierunku krawędzi.

Krzywizna pola oznacza, że ​​płaszczyzna najlepszego skupienia może nie zachowywać się tak, jak życzyliby sobie inżynierowie idealnie płaskiego czujnika.

Żaden z tych problemów nie wydaje się szczególnie ekscytujący.

Ale to właśnie one decydują o tym, czy obiektyw daje wyraźny obraz, czy też wygląda podejrzanie, jakby wymagał okularów.

Nowoczesna konstrukcja optyczna w dużej mierze polega na kontrolowaniu tych niedoskonałości.

Obraz nie jest wszędzie jednakowo ostry

To prowadzi nas do jednego z największych nieporozumień na temat rozdzielczości obiektywu.

Obiektyw niekoniecznie radzi sobie równie dobrze w centrum i na brzegu.

Środek obrazu jest zwykle łatwiejszy do kontrolowania.

W miarę zbliżania się do krawędzi wydajność optyczna może się pogorszyć.

Jest to szczególnie ważne w przypadku obiektywów szerokokątnych.

Wyobraź sobie kamerę monitorującą parking.

Środek obrazu może być wyjątkowo ostry.

Ale co się stanie, gdy pojazd wjedzie z boku?

Jeśli rozdzielczość krawędzi jest niska, aparat może być technicznie wyposażony w matrycę o wysokiej rozdzielczości, dostarczając jednocześnie znacznie mniej przydatnych szczegółów tam, gdzie ma to znaczenie.

Właśnie dlatego inżynierowie optycy patrzą na wydajność MTF w całym polu obrazu, zamiast po prostu pytać, czy obiektyw to „4 MP”, czy „8 MP”.

Liczba pikseli informuje, co czujnik może próbkować.

MTF pomaga określić, jak skutecznie system optyczny może dostarczyć szczegóły do ​​tych pikseli.

Zanim światło w końcu dotrze do czujnika

Nawet po przejściu przez elementy obiektywu, przysłonę i poprawki optyczne światło może napotkać dodatkowe elementy.

W zależności od konstrukcji kamery ścieżka optyczna może obejmować:

Okna ochronne

Filtry odcinające podczerwień

Szkiełko osłonowe czujnika

Filtry dolnoprzepustowe

Inne powłoki lub struktury optyczne

Każda dodatkowa powierzchnia może mieć wpływ na układ optyczny.

Odbicie może zmniejszyć transmisję.

Złe powłoki mogą zwiększyć odblaski lub zjawy.

Grubość i właściwości refrakcyjne elementów znajdujących się przed czujnikiem mogą również wpływać na ostrość i wydajność optyczną.

Jest to szczególnie ważne w systemach kamer kompaktowych, w których wszystko jest umieszczone na bardzo małej przestrzeni.

Projektant optyczny nie może po prostu powiedzieć:

„To problem producenta czujnika”.

Cały stos optyczny ma znaczenie.

Wreszcie światło dociera do czujnika

Po tych wszystkich interakcjach światło w końcu dociera do czujnika obrazu.

Czujnik przetwarza przychodzące fotony na sygnały elektryczne.

W tym momencie może się wydawać, że obiektyw zakończył swoje zadanie.

Właściwie to tu w końcu widać, czy obiektyw dobrze spisał się ze swoim zadaniem.

Jeżeli system optyczny dostarczył:

Wystarczająca ilość światła

Dobry kontrast

Drobne szczegóły

Kontrolowane aberracje

Odpowiednie kąty promieni

Odpowiednie pokrycie obrazu

czujnik zawiera przydatne informacje, z którymi można pracować.

Jeśli nie, system przetwarzania obrazu ma przed sobą trudny problem.

Redukcja hałasu może zmniejszyć hałas.

Ostrzenie może poprawić krawędzie.

Algorytmy AI mogą ulepszać obrazy.

Jednak oprogramowanie nie jest w stanie idealnie odzyskać informacji optycznych, które nigdy nie zostały przechwycone.

Dlatego jakość optyczna pozostaje ważna nawet w obliczu coraz bardziej zaawansowanego obrazowania obliczeniowego.

Dlaczego wybór obiektywu i czujnika powinien odbywać się razem

Jest to prawdopodobnie lekcja praktyczna, którą chciałbym podkreślić najmocniej.

Nie wybieraj najpierw czujnika, a potem od niechcenia zapytaj:

„Jaki obiektyw możemy na niego założyć?”

W przypadku wielu projektów wybór obiektywu i czujnika należy rozpatrywać łącznie.

Inżynier musi zrozumieć związek pomiędzy:

Czujnik + obiektyw + przysłona + pole widzenia + przetwarzanie obrazu + oświetlenie

Zmiana w jednej części może mieć wpływ na pozostałe.

Mniejszy rozmiar piksela może zwiększyć wymagania dotyczące rozdzielczości optycznej.

Szersze pole widzenia może zwiększyć wyzwania związane z zniekształceniami i wydajnością na krawędziach.

Większa przysłona może poprawić wydajność przy słabym oświetleniu, jednocześnie utrudniając kontrolę aberracji.

Inny czujnik może zmienić wymagania CRA.

Dlatego doświadczeni dostawcy rozwiązań optycznych często zadają zaskakująco szczegółowe pytania przed poleceniem obiektywu.

Nie dlatego, że lubią papierkową robotę.

Zwykle starają się unikać polecania czegoś, co wygląda idealnie na papierze i rozczarowuje po podłączeniu do prawdziwego aparatu.

Ścieżka optyczna to tak naprawdę łańcuch decyzji

Kiedy już zrozumiesz, co dzieje się pomiędzy sceną a czujnikiem, jedna rzecz staje się jasna:

Obiektyw aparatu nie służy po prostu do „skupiania światła”.

Zarządza światłem.

Każda powierzchnia optyczna, każda krzywizna, każdy odstęp, każda powłoka i każda tolerancja mechaniczna wpływa na ostateczny obraz.

Obiektyw musi zebrać wystarczającą ilość światła.

Musi odpowiednio skierować to światło.

Musi kontrolować aberracje.

Musi zapewniać wystarczającą rozdzielczość.

Musi pasować do czujnika.

W idealnym przypadku musi to wszystko zrobić tysiące lub miliony razy ze stałą wydajnością.

Właśnie dlatego mały obiektyw aparatu może zawierać imponującą ilość inżynierii.

W Boshi Optics opracowywane są rozwiązania optyczne do zastosowań od nadzoru bezpieczeństwa i wizji AI po drony, obrazowanie samochodowe, urządzenia medyczne i inne systemy obrazowania. Możliwości produkcyjne firmy obejmują obróbkę elementów optycznych, formowanie precyzyjne, formowanie wtryskowe, montaż soczewek i testowanie optyczne.

Ostateczny obraz może wyglądać prosto.

Podróż, która go stworzyła, jest niczym innym.

Ostatni sposób, aby o tym pomyśleć

Następnym razem, gdy spojrzysz na specyfikację aparatu i zobaczysz:

Czujnik 8 MP

nie wyobrażaj sobie od razu ośmiu milionów drobnych szczegółów.

Wyobraź sobie osiem milionów możliwości zapisania informacji.

Następnie zapytaj:

Co właściwie dał im obiektyw?

To pytanie jest znacznie bliższe sednu inżynierii optycznej.

Ponieważ czujnik rejestruje obraz.

Zanim jednak sensor będzie mógł cokolwiek zarejestrować, obiektyw musi dać mu coś wartego utrwalenia.