Что происходит с объективом камеры, прежде чем он достигнет сенсора?

Сфотографируйте.

Это кажется мгновенным.

Свет попадает в камеру, датчик его фиксирует, и каким-то образом изображение появляется на вашем экране.

Просто, правда?

Ну, с точки зрения инженера-оптика, не совсем.

Между реальной сценой и крошечными пикселями на датчике изображения свету приходится пройти удивительно сложный путь. Он преломляется, фокусируется, частично отражается, поглощается, искажается и, надеюсь, — после всего этого — доставляется в нужное место с достаточным контрастом, чтобы быть полезным.

В этой последней части хорошообъектив камерызарабатывает свои деньги.

Люди иногда представляют линзу как кусок стекла, единственная задача которого — «фокусировать изображение».

Технически это описание верно примерно так же, как верно утверждение, что машина Формулы 1 — это «транспортное средство с четырьмя колесами».

Происходит гораздо больше.

Все начинается со света со сцены

Прежде чем объектив что-то сделает, есть сама сцена.

Каждый объект перед камерой отражает или излучает свет. Этот свет распространяется к камере с разных направлений и с разными длинами волн.

Например, красная машина не просто посылает в камеру «красный свет» одним аккуратным лучом. Свет падает из разных частей автомобиля, под разными углами и с разной интенсивностью.

Объектив должен взять этот хаотичный набор световых лучей и организовать его в изображение.

По сути, это работа оптической системы:

Возьмите свет, исходящий с разных направлений, и заставьте его формировать контролируемое изображение на сенсоре.

И сразу возникает проблема.

Свет естественным образом не ведет себя так, как хотелось бы инженерам.

Когда свет переходит из воздуха в стекло, его направление меняется. Когда он проходит через другой оптический элемент, он снова меняется.

Это называется рефракцией.

Тщательно выбирая форму и материал каждого оптического элемента, дизайнеры линз используют это поведение, чтобы контролировать, где в конечном итоге встречаются лучи.

Именно поэтому объектив фотоаппарата может содержать несколько оптических элементов, а не одно простое стекло.

Объектив — это не одна линза

Посмотрите на объектив современной камеры, и вы увидите небольшой цилиндрический объект.

Однако внутри может быть несколько оптических элементов.

У каждого элемента есть своя работа.

Некоторые помогают сфокусировать изображение. Другие исправляют аберрации. Некоторые улучшают производительность. Некоторые помогают контролировать искажения или хроматические аберрации.

Интересно то, что эти элементы не работают независимо.

Они работают как система.

Дизайнер может изменить кривизну одного элемента, а затем ему потребуется настроить другой элемент, чтобы компенсировать эффект.

Измените диафрагму, и оптическое поведение может снова измениться.

Если уменьшить размер линзы, конструкция усложнится.

Увеличьте поле зрения, и искажения станет труднее контролировать.

Требуйте производительности F1.0, и оптический разработчик получит еще одну головную боль бесплатно.

Вот почему оптический дизайн — это, по сути, компромисс.

Редко удается максимизировать все одновременно.

Затем приходит диафрагма

Где-то внутри оптической системы находится апертура.

Вы можете думать о диафрагме как о «привратнике», контролирующем количество света, попадающего в объектив.

Объектив F1.0 имеет очень большую относительную апертуру, пропуская в оптическую систему значительно больше света, чем объектив с меньшей апертурой.

Это становится особенно важным при съемке в условиях низкой освещенности.

Но есть одна загвоздка.

Большая апертура не просто означает «лучше».

Когда вы открываете диафрагму, в формировании изображения участвует больше лучей от внешних частей оптической системы. Эти лучи обычно труднее контролировать.

В результате аберрации могут стать более заметными.

Это одна из причин, по которой разработать высокопроизводительный объектив F1.0 гораздо сложнее, чем просто физически увеличить диафрагму.

Однако для таких приложений, как ночное наблюдение, компромисс может оказаться целесообразным.

Когда доступный свет ограничен, сбор большего его количества может стать решающим фактором между полезным изображением и шумным.

Не каждый луч попадает на датчик одинаково

Вот деталь, которая становится особенно важной при выборе объектива для современного датчика изображения:

Угол, под которым свет достигает датчика, имеет значение.

Инженеры часто говорят оГлавный Рэй Энгл, или CRA.

Проще говоря, CRA описывает угол, под которым главный луч достигает различных областей датчика.

Почему нас это должно волновать?

Потому что современные датчики изображения — это не просто плоские кусочки светочувствительного материала, терпеливо ожидающие, когда на них что-нибудь попадет.

Над фотодиодами расположены микроскопические структуры, в том числе микролинзы и другие слои.

Если падающий свет падает под неподходящим углом, особенно к краю датчика, датчик может использовать этот свет не так эффективно, как ожидалось.

Это одна из причин, по которой соответствие объектива и сенсора имеет значение.

Объектив может иметь правильное фокусное расстояние и формат сенсора, но при этом не быть идеальным оптическим устройством.

Круг изображения: действительно ли линза закроет датчик?

Вот еще одна удивительно распространенная проблема.

Линза создает изображение круга.

Датчик находится внутри этого круга изображения и использует ту часть, которая попадает в его активную область.

Если круг изображения слишком мал, углы датчика могут не получать достаточно информации об изображении.

Результатом может стать виньетирование или даже видимые темные углы.

Вот почему формат датчика имеет значение.

Объектив, предназначенный для сенсора меньшего размера, не может быть просто прикреплен к сенсору гораздо большего размера и ожидать идеальной работы.

Вы можете физически соединить их.

Однако визуально отношения могут быть гораздо менее кооперативными.

Именно поэтому инженеры смотрят на фактические размеры датчика, а не полагаются только на такие надписи, как «1/2,7 дюйма» или «1/1,8 дюйма».

Эти названия форматов являются полезным сокращением, но в конечном итоге имеют значение фактическая активная площадь и оптические требования.

И тогда есть аберрации

Здесь оптическая инженерия становится менее гламурной.

Свет, проходящий через настоящую линзу, не всегда фокусируется именно там, где мы хотим.

Различные длины волн могут вести себя по-разному.

Лучи, проходящие через разные части линзы, также могут фокусироваться по-разному.

Это создает различные оптические аберрации.

Хроматическая аберрация может привести к образованию цветной окантовки.

Сферическая аберрация может снизить резкость изображения.

Астигматизм может повлиять на воспроизведение мелких деталей.

Кома может привести к искажению точечных объектов, особенно по краям.

А кривизна поля означает, что плоскость наилучшего фокуса может вести себя не так, как хотелось бы инженерам идеально плоского датчика.

Ни одна из этих проблем не кажется особенно интересной.

Но именно они определяют, создает ли объектив четкое изображение или что-то подозрительно похожее на то, что для этого нужны очки.

Современный оптический дизайн во многом направлен на контроль этих недостатков.

Изображение не везде одинаково четкое

Это подводит нас к одному из самых больших заблуждений относительно разрешения объектива.

Объектив не обязательно одинаково хорошо работает в центре и по краям.

Центром изображения обычно легче управлять.

По мере приближения к краю оптические характеристики могут снижаться.

Это особенно важно для широкоугольных объективов.

Представьте себе камеру наблюдения, контролирующую парковку.

Центр изображения может быть очень резким.

Но что происходит, когда автомобиль въезжает сбоку?

Если разрешение по краям низкое, технически камера может иметь датчик высокого разрешения, но передает гораздо меньше полезных деталей там, где это важно.

Вот почему инженеры-оптики смотрят на характеристики MTF по всему полю изображения, а не просто спрашивают, является ли объектив «4-мегапиксельным» или «8-мегапиксельным».

Количество пикселей говорит о том, что может считывать датчик.

MTF помогает определить, насколько эффективно оптическая система передает детализацию этих пикселей.

Прежде чем свет наконец достигнет датчика

Даже после прохождения линз, диафрагмы и оптических коррекций свет может столкнуться с дополнительными компонентами.

В зависимости от конструкции камеры оптический путь может включать в себя:

Защитные окна

ИК-фильтры

Защитное стекло датчика

Фильтры нижних частот

Другие оптические покрытия или структуры

Каждая дополнительная поверхность может влиять на оптическую систему.

Отражение может уменьшить передачу.

Плохое покрытие может привести к увеличению бликов или ореолов.

Толщина и преломляющие свойства компонентов перед датчиком также могут влиять на фокусировку и оптические характеристики.

Это особенно важно в компактных системах камер, где все умещается в очень небольшом пространстве.

Оптический дизайнер не может просто сказать:

«Это проблема производителя датчиков».

Весь оптический стек имеет значение.

Наконец, свет достигает датчика

После всех этих взаимодействий свет наконец достигает датчика изображения.

Датчик преобразует поступающие фотоны в электрические сигналы.

В этот момент может показаться, что объектив выполнил свою работу.

Собственно, именно здесь вы наконец сможете увидеть, хорошо ли объектив справился со своей задачей.

Если оптическая система доставила:

Достаточно света

Хороший контраст

Мелкая детализация

Контролируемые аберрации

Правильные углы лучей.

 Адекватное освещение изображения

датчик имеет полезную информацию для работы.

В противном случае у системы обработки изображений возникнет серьезная проблема.

Шумоподавление может уменьшить шум.

Заточка может улучшить края.

Алгоритмы искусственного интеллекта могут улучшить изображения.

Но программное обеспечение не может полностью восстановить оптическую информацию, которая никогда не была записана.

Вот почему оптическое качество остается важным, даже несмотря на то, что компьютерная визуализация становится все более сложной.

Почему выбор объектива и сенсора должен происходить одновременно

Вероятно, это тот практический урок, который я хотел бы подчеркнуть наиболее сильно.

Не выбирайте сначала датчик, а потом небрежно спрашивайте:

«Какую линзу мы можем на него поставить?»

Во многих проектах выбор объектива и сенсора следует рассматривать вместе.

Инженер должен понимать взаимосвязь между:

Датчик + объектив + диафрагма + поле зрения + обработка изображения + освещение

Изменение одной части может повлиять на другие.

Меньший размер пикселя может увеличить требования к оптическому разрешению.

Более широкое поле зрения может увеличить искажения и проблемы с производительностью.

Большая диафрагма может улучшить качество изображения при слабом освещении, одновременно затрудняя контроль аберраций.

Другой датчик может изменить требования CRA.

Вот почему опытные поставщики оптики часто задают удивительно подробные вопросы, прежде чем рекомендовать объектив.

Это не потому, что им нравится бумажная работа.

Обычно они стараются не рекомендовать что-то, что выглядит идеально на бумаге и разочаровывает при подключении к реальной камере.

Оптический путь на самом деле представляет собой цепочку решений

Как только вы поймете, что происходит между сценой и датчиком, станет ясно одно:

Объектив камеры — это не просто «фокусировка света».

Это управление светом.

Каждая оптическая поверхность, каждая кривизна, каждое расстояние, каждое покрытие и каждый механический допуск влияют на конечное изображение.

Линза должна собирать достаточно света.

Он должен правильно направить этот свет.

Он должен контролировать аберрации.

Он должен обеспечивать достаточное разрешение.

Он должен соответствовать датчику.

И в идеале все это нужно проделывать тысячи или миллионы раз с постоянной производительностью.

Вот почему небольшой объектив фотоаппарата может содержать в себе внушительное количество инженерных решений.

В Boshi Optics оптические решения разрабатываются для самых разных приложений: от наблюдения за безопасностью и искусственного интеллекта до дронов, автомобильной визуализации, медицинского оборудования и других систем визуализации. Производственные возможности компании охватывают обработку оптических компонентов, прецизионное формование, литье под давлением, сборку линз и оптические испытания.

Окончательное изображение может выглядеть простым.

Путешествие, которое его создало, совсем не такое.

Последний способ подумать об этом

В следующий раз, когда вы посмотрите на характеристики камеры, вы увидите:

Датчик 8 МП

не стоит сразу представлять себе восемь миллионов крошечных деталей.

Представьте себе восемь миллионов возможностей записать информацию.

Тогда спросите:

Что на самом деле дал им объектив?

Этот вопрос гораздо ближе к сути оптической техники.

Потому что сенсор записывает изображение.

Но прежде чем датчик сможет что-либо записать, объектив должен дать ему что-то, что стоит записать.