Почему асферическая оптика повсюду в современных камерах

Если вы разберете объектив современной камеры, велика вероятность, что вы обнаружите что-то, что немного отличается от других оптических элементов.

В центре он может быть толще.

Он может иметь необычную кривизну.

И в отличие от поверхности обычной сферической линзы, ее кривизна не повторяет простую сферу.

Этоасферический элемент линзы.

Асферическая оптика теперь встречается повсюду: от камер смартфонов и компактных камер видеонаблюдения до автомобильных систем обработки изображений, дронов, камер машинного зрения и профессиональных фотообъективов.

Так было не всегда.

Так что же изменилось?

Короткий ответ: современные камеры требуют от объективов гораздо большего, но при этом они становятся меньше.

И физика, к сожалению, не согласилась облегчить эту задачу.

Сферическая линза на самом деле является удобным компромиссом

Начнем с традиционного подхода.

Поверхность сферической линзы основана на сфере.

Это делает поверхность относительно простой в изготовлении.

Но есть проблема.

Лучи света, проходящие через разные части сферической линзы, не всегда сходятся в одной и той же точке.

Лучи вблизи оптической оси и лучи, проходящие через внешнюю часть линзы, могут фокусироваться по-разному.

Это производитсферическая аберрация.

Изображение становится менее резким, особенно когда объектив используется с большой диафрагмой.

Чтобы компенсировать проблему, вы можете добавить больше оптических элементов.

И исторически сложилось так, что именно этим и занимались дизайнеры объективов.

Но теперь у вас другая проблема:

Больше элементов означает больше места, больше веса, больше поверхностей, больше сложности производства и, возможно, больше стоимости.

В конце концов кто-то задает очевидный вопрос:

Почему бы не изменить форму самой поверхности линзы?

Вот тут-то и пригодится асферическая оптика.

Чем отличается асферическая поверхность?

Сферическая поверхность имеет постоянный радиус кривизны.

Асферическая поверхность этого не делает.

Его кривизна постепенно меняется от центра к краю.

Это может звучать как небольшая геометрическая разница.

Оптически это чрезвычайно полезно.

Тщательно контролируя форму поверхности, дизайнеры могут заставить световые лучи сходиться гораздо более контролируемым образом.

Это позволяет асферическому элементу корректировать оптические аберрации, для которых в противном случае потребовалось бы использование нескольких обычных сферических элементов.

Проще говоря:

Вместо того, чтобы добавлять больше стекла для решения проблемы, иногда вы можете изменить форму стекла.

Это одна из основных причин, по которой асферическая оптика стала настолько важной.

Реальное преимущество не просто «острее»

Люди часто описывают асферические линзы как способ улучшить резкость.

Это правда, но неполно.

Большим преимуществом являетсясвобода оптического дизайна.

Асферическая поверхность может помочь инженерам управлять несколькими оптическими характеристиками, в зависимости от конструкции.

Они могут включать в себя:

Сферическая аберрация

Кома

Астигматизм

Искажение

Полевая производительность

Общий размер линзы

Это имеет огромное значение для компактных камер.

Современные модули камер часто должны размещаться в очень ограниченном механическом пространстве, обеспечивая при этом:

Широкое поле зрения.

Большие проемы

Высокое разрешение

Хорошая производительность

Попытка добиться всего этого, используя только обычные сферические элементы, может оказаться чрезвычайно сложной.

Асферическая оптика дает дизайнеру еще один инструмент.

А иногда одна хорошо спроектированная асферическая поверхность может выполнить работу, которую в противном случае пришлось бы выполнять нескольким обычным поверхностям.

Почему широкоугольные камеры любят асферическую оптику

Широкоугольные объективы представляют особую сложность.

По мере увеличения поля зрения свет попадает в оптическую систему под все более разными углами.

Удерживать эти лучи под контролем становится все труднее.

Искажением становится труднее управлять.

Edge-производительность становится все труднее поддерживать.

Это одна из причин, по которой асферические элементы так часто появляются в конструкциях широкоугольных камер.

Рассмотрим компактную камеру видеонаблюдения.

Производителю может потребоваться широкое поле зрения, малые размеры объектива, высокое разрешение и хорошие характеристики при слабом освещении.

Эти требования тянут оптическую конструкцию в разные стороны.

Более широкая апертура помогает собирать свет.

Более широкое поле зрения увеличивает охват.

Меньший пакет помогает интегрировать продукт.

Но каждое из этих решений создает оптические проблемы.

Асферические поверхности могут помочь дизайнерам найти работоспособный баланс.

Почему смартфоны сделали асферическую оптику еще более важной

Смартфоны, вероятно, являются самым простым примером для понимания.

Камера смартфона крошечная.

Тем не менее, производители ожидают, что она будет создавать изображения, которые двадцать лет назад показались бы замечательными при использовании гораздо большей камеры.

Просто не хватает физического пространства для решения каждой оптической проблемы путем добавления большого количества обычных стеклянных элементов.

Решением является высокооптимизированная оптическая конструкция.

Асферические поверхности могут обеспечить существенную коррекцию в очень компактном корпусе.

Тот же принцип применим и к другим миниатюрным системам визуализации.

Камеры видеонаблюдения, встроенные модули технического зрения, автомобильные камеры, дроны, роботы и интеллектуальные устройства — все они сталкиваются с одинаковым давлением:

Больше оптических характеристик при меньшем физическом пространстве.

Но асферичность не означает «автоматически лучше»

Это важный момент.

Асферический элемент линзы не является автоматически лучшим по сравнению со сферическим.

Это инструмент дизайна.

Плохо спроектированная асферическая поверхность все равно может иметь плохие оптические характеристики.

А использование асферического элемента не избавляет от необходимости управлять:

Хроматическая аберрация.

Искажение

Производственные допуски.

Выравнивание

 Характеристики покрытия

Термическое поведение

Вся оптическая система по-прежнему должна работать вместе.

Фактически, асферические поверхности иногда могут усложнить производство и контроль качества, поскольку геометрия поверхности более сложна.

Итак, настоящее достижение – это не просто:

«Мы использовали асферическую линзу».

Это:

«Мы использовали правильную оптическую геометрию для решения правильной проблемы».

Производство — это то место, где теория становится интересной

Существует большая разница между проектированием асферической поверхности на компьютере и последовательным изготовлением тысяч таких поверхностей.

Требуемый профиль поверхности должен быть изготовлен точно.

Затем элемент необходимо правильно собрать.

Даже хорошая оптическая конструкция может потерять производительность, если плохо контролировать производственные допуски.

Вот почему производители оптики, такие какБоши ОптикаНеобходимо рассматривать проектирование и производство вместе.

Современное оптическое производство может включать прецизионное формование, обработку оптических компонентов, сборку, проверку размеров и тестирование оптических характеристик.

Чем более требовательна к оптической поверхности, тем важнее становится контроль процесса.

Основная причина, по которой асферическая оптика повсюду

Так почему же мы видим асферическую оптику во многих современных камерах?

Потому что камеры эволюционировали.

Они меньше.

Сенсоры более эффективны.

Поле зрения шире.

Апертуры больше.

Требования к разрешению выше.

Камеры размещаются во все более стесненных условиях.

Дрон не может нести огромный объектив.

Роботу нужны компактные модули машинного зрения.

Транспортному средству нужны камеры, которые помещаются в тщательно спроектированные корпуса.

В смартфоне почти нет свободного места.

Асферическая оптика дает инженерам-оптикам еще одну степень свободы в решении этих проблем.

Они не являются волшебным ингредиентом.

Это просто один из самых полезных инструментов современных оптических дизайнеров.

А учитывая, как много мы сейчас просим от таких крошечных камер, наверное, нам следует быть им благодарными.