Может ли лучший объектив заставить более дешевый сенсор работать лучше?

Вот вопрос, который мы на удивление часто слышим при разработке камер:

«Если мы воспользуемся лучшим объективом, сможем ли мы получить лучшую производительность от более дешевого сенсора?»

Честный ответ:

Да, но не так, как вы думаете.

Лучший объектив не может волшебным образом превратить 5-мегапиксельный сенсор в 8-мегапиксельный. Он не может увеличить количество физических пикселей датчика, улучшить его собственный динамический диапазон или устранить шум, исходящий от самого датчика.

Но есть и другая сторона этой истории.

Датчик может записывать только ту оптическую информацию, которая доходит до него.

Если объектив обеспечивает плохую детализацию, низкую контрастность, недостаточную освещенность или плохо контролируемые аберрации, даже дорогой сенсор вынужден работать с скомпрометированной информацией.

С другой стороны, хорошо спроектированный объектив может помочь более доступному сенсору извлечь гораздо больше того, на что он действительно способен.

И это различие чрезвычайно важно при разработке недорогой камеры.

Датчик не работает один

Соблазнительно думать о сенсоре как о «двигателе» камеры.

На самом деле система визуализации ближе к команде.

Линза собирает и организует свет.

Датчик преобразует этот свет в электрические сигналы.

Интернет-провайдер обрабатывает эти сигналы.

Программное обеспечение и искусственный интеллект затем интерпретируют полученное изображение.

Если одна часть цепи слаба, другие компоненты должны это компенсировать.

И компенсация имеет пределы.

Представьте себе доступный датчик, который прекрасно способен разрешать определенный уровень детализации.

Теперь поставьте перед ним некачественную линзу.

Объектив может размыть эти детали еще до того, как они достигнут сенсора.

Датчик не может записать информацию, которая никогда не была до него доставлена.

Вот почему покупка самого дорогого датчика, рассматривая объектив как товарный компонент, может оказаться на удивление неэффективной стратегией.

Хороший объектив не добавляет пикселей. Это делает пиксели более полезными.

Это ключевая идея.

Предположим, две камеры используют один и тот же датчик.

Камера А использует посредственный объектив.

Камера B использует лучшую оптическую систему.

Технические характеристики датчика не изменились.

Оба по-прежнему имеют одинаковое количество пикселей.

Но изображения могут выглядеть заметно иначе.

Почему?

Потому что количество пикселей — это только часть истории.

Оптическая система влияет:

Разрешение

Контраст

Светопропускание

Искажение

Хроматическая аберрация

Острота края

 Однородность изображения

Таким образом, лучший объектив может помочь сенсору лучше использовать уже имеющиеся у него пиксели.

Подумайте об этом так:

Склад, полный пустых коробок, не означает, что у вас больше товаров.

Сенсор выдает вам коробки.

Линзы помогают определить, сколько полезной информации попадает в них.

MTF: место встречи объектива с датчиком

Вот гдеMTF (функция передачи модуляции)становится полезным.

MTF описывает, насколько эффективно оптическая система сохраняет контраст на разных уровнях детализации.

Вам не нужно становиться инженером-оптиком, чтобы понять практический смысл.

Объектив с хорошими характеристиками MTF может сохранить мелкие детали с полезным контрастом.

Объектив с плохими характеристиками MTF может превратить эти детали во все более слабые и размытые узоры.

Это становится особенно важным для современных сенсоров, у которых размеры пикселей могут быть очень маленькими.

Технически датчик может иметь много пикселей, но если объектив не может разрешить достаточно пространственных деталей, эти пиксели используются неэффективно.

Это одна из причин, по которой хорошо спроектированная оптическая система иногда может сделать камеру «резче», даже если сам сенсор не изменился.

Объектив не обновляет сенсор.

Это просто становится меньше помех.

Больше света также может изменить игру

Разрешение — не единственная проблема.

Производительность при слабом освещении — еще одна область, где качество объектива имеет значение.

Большая апертура позволяет большему количеству света достигать датчика.

Это может быть особенно ценно для таких приложений, как наблюдение за безопасностью, наружный мониторинг, робототехника или камеры транспортных средств.

Рассмотрим две камеры, использующие один и тот же сенсор.

Используется объектив с относительно малой апертурой.

Другой использует объектив с большей апертурой и лучшей светосилой.

В ярком окружении разница может быть не столь существенной.

Ночью это может стать гораздо более очевидным.

Вторая камера может поддерживать более низкий уровень усиления, лучшую экспозицию и более чистую информацию об изображении.

Это не значит, что объектив улучшил шумовые характеристики сенсора.

Это означает, что объектив изначально передал датчику лучший оптический сигнал.

А иногда это полдела.

Где лучший объектив не может помочь

Важно не переоценить это.

У лучшего объектива есть пределы.

Если датчик имеет:

Плохой динамический диапазон

Высокий уровень шума при чтении

Низкая квантовая эффективность

Ограниченная цветопередача

Недостаточное количество пикселей

объектив не может полностью решить эти проблемы.

Точно так же объектив не может превратить датчик с низким разрешением в датчик с высоким разрешением.

Не существует оптического эквивалента тайному обновлению прошивки датчика.

Если кто-то обещает это, будьте подозрительны.

Хорошая оптическая инженерия направлена ​​на максимизацию производительности системы, а не на чудеса.

Реальная возможность — это согласование системы

Самый интересный вопрос не в том:

«Что лучше: дорогой сенсор или дорогой объектив?»

Это:

«Как должны сочетаться объектив и сенсор?»

Именно здесь становится ценным опытный оптический дизайн.

Объектив следует оценивать по фактическому сенсору:

Формат датчика

Размер пикселей

Активная область изображения

Требования CRA

 Требуемое разрешение

 Поле зрения

Диафрагма

Изображение круга

Например, использование объектива чрезвычайно высокого разрешения с сенсором относительно низкого разрешения может принести мало практической пользы.

Но использование плохо подобранного объектива с мощной матрицей может привести к значительному снижению производительности.

Золотая середина находится где-то посередине.

Вот где оптимизация затрат становится интересной

Для производителей камер это может иметь большое коммерческое значение.

Представьте себе, что продукту необходимо достичь определенного целевого показателя качества изображения, оставаясь при этом в рамках строгой стоимости спецификации.

Очевидный подход часто таков:

«Давайте купим датчик получше».

Иногда это правильный ответ.

Но иногда лучшим подходом является рассмотрение всей системы визуализации.

Может ли лучшая оптическая конструкция позволить более доступному датчику достичь требуемого результата?

Может ли большая диафрагма улучшить производительность при слабом освещении настолько, чтобы уменьшить необходимость в агрессивной обработке изображений?

Может ли улучшение производительности границ улучшить обнаружение ИИ без увеличения разрешения сенсора?

Может ли лучшее соответствие матрицы и объектива обеспечить требуемое качество изображения без простого добавления большего количества мегапикселей?

Это гораздо более интересные инженерные вопросы.

И они могут оказывать прямое влияние на себестоимость продукции.

Хороший объектив может стать более разумным обновлением

Вот почему мы вБоши Оптикачасто рассматривайте камеру как целостную оптическую систему, а не оценивайте объектив отдельно.

Камера видеонаблюдения, дрон, автомобильная камера, робот, промышленная камера или медицинское устройство формирования изображений могут иметь совершенно разные приоритеты.

Лучшее оптическое решение не обязательно является самым дорогим.

Именно он дает датчику нужную информацию для работы.

В Boshi Optics разработка и производство оптических систем охватывают такие области применения, как наблюдение за безопасностью, искусственное зрение, дроны, автомобильную визуализацию, медицинские устройства и другие системы визуализации. Этот подход, ориентированный на приложение, помогает инженерам сбалансировать разрешение, апертуру, поле зрения, размер, искажение и другие требования, а не просто гоняться за высочайшими характеристиками.

Итак, может ли лучший объектив улучшить работу более дешевого сенсора?

Да, но с важной оговоркой.

Более лучший объектив физически не улучшает сенсор.

Это делает что-то более реалистичное:

Это может помочь датчику работать ближе к его фактическому потенциалу.

Хорошая оптика может обеспечить лучшую детализацию, более полезный свет, более высокий контраст и более стабильное качество изображения на матрице.

Для разработки экономичных камер это может быть очень разумной стратегией.

Потому что иногда ответ не таков:

«Купите более дорогой датчик».

Иногда это:

«Хватит заставлять сенсор работать с посредственным объективом».

И этот разговор стоит обсудить до того, как следующий проект камеры будет зафиксирован в спецификации.