Dlaczego optyka asferyczna jest wszędzie w nowoczesnych aparatach

Jeśli rozbierzesz obiektyw nowoczesnego aparatu, jest duża szansa, że ​​znajdziesz coś, co wygląda nieco inaczej niż pozostałe elementy optyczne.

Może być grubszy w środku.

Może mieć nietypową krzywiznę.

W przeciwieństwie do konwencjonalnej powierzchni soczewki sferycznej, jej krzywizna nie przypomina zwykłej kuli.

To jestelement soczewki asferycznej.

Optykę asferyczną można obecnie znaleźć we wszystkim, od aparatów w smartfonach i kompaktowych kamerach bezpieczeństwa po samochodowe systemy obrazowania, drony, kamery wizyjne i profesjonalne obiektywy fotograficzne.

Nie zawsze tak było.

Co więc się zmieniło?

Krótka odpowiedź jest taka, że ​​nowoczesne aparaty wymagają od obiektywów znacznie więcej, a jednocześnie stają się mniejsze.

A fizyka, niestety, nie zgodziła się, aby to ułatwić.

Soczewka sferyczna to właściwie wygodny kompromis

Zacznijmy od tradycyjnego podejścia.

Sferyczna powierzchnia soczewki opiera się na kuli.

Dzięki temu wytwarzanie powierzchni jest stosunkowo proste.

Ale jest problem.

Promienie świetlne przechodzące przez różne części soczewki sferycznej nie zawsze zbiegają się dokładnie w tym samym punkcie.

Promienie w pobliżu osi optycznej i promienie przechodzące przez zewnętrzną część soczewki mogą skupiać się inaczej.

To produkujeaberracja sferyczna.

Obraz staje się mniej ostry, szczególnie gdy obiektyw jest używany z dużą przysłoną.

Można dodać więcej elementów optycznych, aby zrekompensować problem.

Historycznie rzecz biorąc, dokładnie tak postępowali projektanci obiektywów.

Ale teraz masz inny problem:

Więcej elementów oznacza więcej przestrzeni, większą wagę, więcej powierzchni, większą złożoność produkcji i potencjalnie większy koszt.

W końcu ktoś zadaje oczywiste pytanie:

Dlaczego nie zmienić kształtu samej powierzchni soczewki?

Właśnie wtedy z pomocą przychodzi optyka asferyczna.

Co wyróżnia powierzchnię asferyczną?

Powierzchnia kulista ma stały promień krzywizny.

Powierzchnia asferyczna tego nie robi.

Jego krzywizna zmienia się stopniowo od środka w kierunku krawędzi.

Może to brzmieć jak niewielka różnica geometryczna.

Optycznie jest niezwykle przydatny.

Uważnie kontrolując kształt powierzchni, projektanci mogą sprawić, że promienie świetlne zbiegną się w znacznie bardziej kontrolowany sposób.

Dzięki temu element asferyczny może korygować aberracje optyczne, które w przeciwnym razie wymagałyby kilku konwencjonalnych elementów sferycznych.

W prostych słowach:

Zamiast dodawać więcej szkła, aby rozwiązać problem, czasami można zmienić kształt szkła.

Jest to jeden z głównych powodów, dla których optyka asferyczna stała się tak ważna.

Prawdziwa zaleta nie polega tylko na „ostrzejszym”

Ludzie często opisują soczewki asferyczne jako sposób na poprawę ostrości.

To prawda, ale niekompletna.

Większą zaletą jestswoboda projektowania optycznego.

Powierzchnia asferyczna może pomóc inżynierom w zarządzaniu kilkoma właściwościami optycznymi, w zależności od projektu.

Mogą one obejmować:

Aberracja sferyczna

Śpiączka

Astygmatyzm

Zniekształcenie

Występy w terenie

Całkowity rozmiar obiektywu

Ma to ogromne znaczenie w aparatach kompaktowych.

Nowoczesne moduły kamer często muszą mieścić się w bardzo ciasnych przestrzeniach mechanicznych, a jednocześnie zapewniać:

Szerokie pola widzenia

Duże otwory

Wysoka rozdzielczość

Dobra wydajność krawędzi

Próba osiągnięcia tego wszystkiego przy użyciu wyłącznie konwencjonalnych elementów kulistych może okazać się niezwykle trudna.

Optyka asferyczna daje projektantowi kolejne narzędzie.

Czasami jedna dobrze zaprojektowana powierzchnia asferyczna może wykonać pracę, którą w innym przypadku musiałoby wykonać kilka konwencjonalnych powierzchni.

Dlaczego aparaty szerokokątne uwielbiają optykę asferyczną

Szczególnie wymagające są obiektywy szerokokątne.

W miarę zwiększania się pola widzenia światło wpada do układu optycznego pod coraz różnymi kątami.

Utrzymanie tych promieni pod kontrolą staje się trudniejsze.

Zniekształcenia stają się coraz trudniejsze do opanowania.

Wydajność brzegowa staje się trudniejsza do utrzymania.

Jest to jeden z powodów, dla których elementy asferyczne tak często pojawiają się w konstrukcjach aparatów szerokokątnych.

Rozważ kompaktową kamerę bezpieczeństwa.

Producent może chcieć szerokiego pola widzenia, małych wymiarów obiektywu, wysokiej rozdzielczości i dobrego działania przy słabym oświetleniu.

Wymagania te pociągają konstrukcję optyczną w różnych kierunkach.

Szersza przysłona pomaga zbierać światło.

Szersze pole widzenia zwiększa zasięg.

Mniejsze opakowanie ułatwia integrację produktu.

Ale każda z tych decyzji stwarza wyzwania optyczne.

Powierzchnie asferyczne mogą pomóc projektantom znaleźć realną równowagę.

Dlaczego w smartfonach optyka asferyczna stała się jeszcze ważniejsza

Smartfony są prawdopodobnie najłatwiejszym do zrozumienia przykładem.

Aparat w smartfonie jest malutki.

Jednak producenci oczekują, że będzie on generował obrazy, które dwadzieścia lat temu wydawałyby się niezwykłe przy użyciu znacznie większego aparatu.

Po prostu nie ma wystarczającej przestrzeni fizycznej, aby rozwiązać każdy problem optyczny poprzez dodanie dużej liczby konwencjonalnych elementów szklanych.

Rozwiązaniem jest wysoce zoptymalizowana konstrukcja optyczna.

Powierzchnie asferyczne mogą zapewnić znaczną korektę w bardzo kompaktowej obudowie.

Ta sama zasada dotyczy innych miniaturowych systemów obrazowania.

Kamery bezpieczeństwa, wbudowane moduły wizyjne, kamery samochodowe, drony, roboty i urządzenia inteligentne podlegają podobnej presji:

Większa wydajność optyczna w mniejszej przestrzeni fizycznej.

Ale asferyczny nie oznacza „automatycznie lepszy”

To ważny punkt.

Element soczewki asferycznej nie jest automatycznie lepszy od elementu sferycznego.

Jest to narzędzie do projektowania.

Źle zaprojektowana powierzchnia asferyczna może nadal dawać słabą wydajność optyczną.

A zastosowanie elementu asferycznego nie eliminuje konieczności zarządzania:

Aberracja chromatyczna

Zniekształcenie

Tolerancje produkcyjne

Wyrównanie

Wydajność powłoki

Zachowanie termiczne

Cały układ optyczny musi jeszcze ze sobą współpracować.

W rzeczywistości powierzchnie asferyczne mogą czasami powodować większe wymagania w zakresie produkcji i kontroli jakości, ponieważ geometria powierzchni jest bardziej złożona.

Zatem prawdziwym osiągnięciem nie jest po prostu:

„Użyliśmy soczewki asferycznej”.

To jest:

„Zastosowaliśmy odpowiednią geometrię optyczną, aby rozwiązać właściwy problem”.

Produkcja to miejsce, w którym teoria staje się interesująca

Istnieje duża różnica pomiędzy projektowaniem powierzchni asferycznej na komputerze a konsekwentną produkcją ich tysięcy.

Wymagany profil powierzchni musi zostać wykonany dokładnie.

Element należy następnie poprawnie zmontować.

Nawet dobra konstrukcja optyczna może stracić na wydajności, jeśli tolerancje produkcyjne są źle kontrolowane.

Dlatego producenci optyków, tacy jakOptyka Boshiegonależy rozważyć łącznie projekt i produkcję.

Nowoczesna produkcja optyczna może obejmować precyzyjne formowanie, obróbkę elementów optycznych, montaż, kontrolę wymiarową i testowanie wydajności optycznej.

Im bardziej wymagająca jest powierzchnia optyczna, tym ważniejsza staje się kontrola procesu.

Większy powód, dla którego optyka asferyczna jest wszędzie

Dlaczego więc w tak wielu nowoczesnych aparatach widzimy optykę asferyczną?

Ponieważ kamery ewoluowały.

Są mniejsze.

Czujniki mają większe możliwości.

Pola widzenia są szersze.

Przysłony są większe.

Wymagania dotyczące rozdzielczości są wyższe.

Kamery są umieszczane w coraz bardziej ograniczonych środowiskach.

Dron nie może unieść dużego obiektywu.

Robot potrzebuje kompaktowych modułów wizyjnych.

Pojazd potrzebuje kamer, które mieszczą się w starannie zaprojektowanych obudowach.

W smartfonie praktycznie nie ma już wolnego miejsca.

Optyka asferyczna daje inżynierom optycznym kolejny stopień swobody w rozwiązywaniu tych problemów.

Nie są magicznym składnikiem.

Są po prostu jednym z najbardziej przydatnych narzędzi, którymi dysponują współcześni projektanci optyki.

A biorąc pod uwagę, jak wiele obecnie wymagamy od tak maleńkich aparatów, chyba powinniśmy być za nie wdzięczni.