Kan en bättre lins få en billigare sensor att prestera bättre?

Här är en fråga vi hör förvånansvärt ofta i kamerautveckling:

"Om vi ​​använder en bättre lins, kan vi få bättre prestanda från en billigare sensor?"

Det ärliga svaret är:

Ja, men inte på det sätt som du kanske tror.

Ett bättre objektiv kan inte magiskt förvandla en 5MP-sensor till en 8MP-sensor. Den kan inte öka sensorns fysiska pixelantal, förbättra dess ursprungliga dynamiska omfång eller eliminera brus som kommer från själva sensorn.

Men det finns en annan sida av historien.

En sensor kan bara registrera den optiska information som når den.

Om objektivet ger dåliga detaljer, låg kontrast, otillräckligt ljus eller dåligt kontrollerade aberrationer, uppmanas till och med en dyr sensor att arbeta med komprometterad information.

Å andra sidan kan en väldesignad lins hjälpa en mer prisvärd sensor att extrahera mycket mer av vad den faktiskt är kapabel till.

Och den skillnaden är oerhört viktig när man designar en kostnadskänslig kamera.

Sensorn fungerar inte ensam

Det är frestande att tänka på sensorn som kamerans "motor".

I verkligheten är bildsystemet närmare ett team.

Linsen samlar och organiserar ljus.

Sensorn omvandlar ljuset till elektriska signaler.

Internetleverantören bearbetar dessa signaler.

Programvara och AI tolkar sedan den resulterande bilden.

Om en del av kedjan är svag måste de andra komponenterna kompensera.

Och ersättningen har gränser.

Föreställ dig en prisvärd sensor som är perfekt kapabel att lösa en viss detaljnivå.

Sätt nu ett objektiv av dålig kvalitet framför det.

Linsen kan sudda ut den detaljen innan den någonsin når sensorn.

Sensorn kan inte registrera information som aldrig har levererats till den.

Det är därför det kan vara en förvånansvärt ineffektiv strategi att köpa den dyraste sensorn samtidigt som objektivet behandlas som en handelskomponent.

En bättre lins lägger inte till pixlar. Det gör pixlar mer användbara.

Detta är nyckelidén.

Anta att två kameror använder exakt samma sensor.

Kamera A använder ett medelmåttigt objektiv.

Kamera B använder ett bättre optiskt system.

Sensorspecifikationerna har inte ändrats.

Båda har fortfarande samma antal pixlar.

Men bilderna kan se märkbart olika ut.

Varför?

Eftersom antalet pixlar bara är en del av historien.

Det optiska systemet påverkar:

Upplösning

Kontrast

Ljusöverföring

Distorsion

Kromatisk aberration

 Kantskärpa

Bildens enhetlighet

En bättre lins kan därför hjälpa sensorn att bättre utnyttja de pixlar den redan har.

Tänk på det så här:

Ett lager fullt av tomma lådor betyder inte att du har fler produkter.

Sensorn ger dig lådorna.

Linsen hjälper till att avgöra hur mycket användbar information som får in dem.

MTF: Där objektivet möter sensorn

Det är härMTF (Modulation Transfer Function)blir användbar.

MTF beskriver hur effektivt ett optiskt system bevarar kontraster på olika detaljnivåer.

Du behöver inte bli optisk ingenjör för att förstå den praktiska innebörden.

Ett objektiv med bra MTF-prestanda kan bevara fina detaljer med användbar kontrast.

Ett objektiv med dålig MTF-prestanda kan förvandla dessa detaljer till allt svagare och suddigare mönster.

Detta blir särskilt viktigt med moderna sensorer, där pixelstorlekarna kan vara mycket små.

En sensor kan tekniskt sett ha gott om pixlar, men om linsen inte kan lösa tillräckligt med rumslig detalj, används inte dessa pixlar effektivt.

Detta är en anledning till att ett väldesignat optiskt system ibland kan få en kamera att kännas "skarpare" trots att själva sensorn inte har ändrats.

Linsen uppgraderar inte sensorn.

Det blir helt enkelt mindre i vägen.

Mer ljus kan också förändra spelet

Upplösning är inte den enda frågan.

Prestanda i svagt ljus är ett annat område där objektivkvaliteten är viktig.

En större bländare gör att mer ljus når sensorn.

För applikationer som säkerhetsövervakning, utomhusövervakning, robotteknik eller fordonskameror kan detta vara särskilt värdefullt.

Tänk på att två kameror använder samma sensor.

Man använder ett objektiv med relativt liten bländare.

Den andra använder en lins med större bländare med bättre ljusinsamlingsförmåga.

I en ljus miljö kanske skillnaden inte är dramatisk.

På natten kan det bli mycket mer uppenbart.

Den andra kameran kanske kan behålla en lägre förstärkningsnivå, bättre exponering och renare bildinformation.

Det betyder inte att objektivet har förbättrat sensorns brusegenskaper.

Det betyder att linsen har gett sensorn en bättre optisk signal till att börja med.

Och ibland är det halva striden.

Där ett bättre objektiv inte kan hjälpa

Det är viktigt att inte översälja detta.

Ett bättre objektiv har gränser.

Om sensorn har:

Dåligt dynamiskt omfång

Högt läsbrus

Låg kvanteffektivitet

Begränsad färgprestanda

Otillräckligt antal pixlar

objektivet kan inte helt lösa dessa problem.

På samma sätt kan en lins inte förvandla en lågupplöst sensor till en högupplöst sensor.

Det finns ingen optisk motsvarighet till att i hemlighet uppgradera sensorns firmware.

Om någon lovar det, var misstänksam.

Bra optisk ingenjörskonst handlar om att maximera systemets prestanda – inte att utföra mirakel.

Den verkliga möjligheten är systemmatchning

Den mest intressanta frågan är inte:

"Vilket är bättre, den dyra sensorn eller den dyra linsen?"

Det är:

"Hur ska linsen och sensorn matchas?"

Det är här erfaren optisk design blir värdefull.

En lins bör utvärderas enligt den faktiska sensorn:

Sensorformat

Pixelstorlek

Aktivt bildområde

CRA-krav

Obligatorisk upplösning

Synfält

Bländare

Bildcirkel

Att till exempel använda en extremt högupplöst lins med en sensor med relativt låg upplösning kan ge liten praktisk nytta.

Men att använda en dåligt matchad lins med en kapabel sensor kan lämna betydande prestanda på bordet.

Sweet spot är någonstans mittemellan.

Det är här kostnadsoptimering blir intressant

För kameratillverkare kan detta ha en stor kommersiell påverkan.

Föreställ dig att en produkt måste nå ett specifikt bildkvalitetsmål samtidigt som den håller sig inom en strikt stycklista.

Det uppenbara tillvägagångssättet är ofta:

"Låt oss köpa en bättre sensor."

Ibland är det rätt svar.

Men ibland är det bättre tillvägagångssättet att titta på hela bildsystemet.

Kan en bättre optisk design tillåta en mer prisvärd sensor för att uppnå önskat resultat?

Kan en större bländare förbättra prestanda i svagt ljus tillräckligt för att minska behovet av aggressiv bildbehandling?

Kan bättre kantprestanda förbättra AI-detektion utan att öka sensorupplösningen?

Kan bättre sensor-linsmatchning ge den önskade bildkvaliteten utan att bara lägga till fler megapixlar?

Det här är mycket mer intressanta tekniska frågor.

Och de kan ha en direkt inverkan på produktkostnaden.

Ett bra objektiv kan vara den smartare uppgraderingen

Det är därför vi påBoshi Optikser ofta på kameran som ett komplett optiskt system snarare än att utvärdera objektivet isolerat.

En säkerhetskamera, drönare, bilkamera, robot, industrikamera eller medicinsk bildapparat kan ha helt andra prioriteringar.

Den bästa optiska lösningen är inte nödvändigtvis den dyraste.

Det är den som ger sensorn rätt typ av information för jobbet.

Hos Boshi Optics omfattar optisk utveckling och tillverkning applikationer inklusive säkerhetsövervakning, AI-vision, drönare, bildbehandling av bilar, medicinsk utrustning och andra bildsystem. Detta applikationsdrivna tillvägagångssätt hjälper ingenjörer att balansera upplösning, bländare, synfält, storlek, distorsion och andra krav snarare än att bara jaga den högsta specifikationen.

Så, kan en bättre lins få en billigare sensor att prestera bättre?

Ja, men med en viktig kvalifikation.

Ett bättre objektiv förbättrar inte sensorn fysiskt.

Det gör något mer realistiskt:

Det kan hjälpa sensorn att prestera närmare sin faktiska potential.

Bra optik kan leverera bättre detaljer, mer användbart ljus, starkare kontrast och mer konsekvent bildkvalitet till sensorn.

För kostnadskänslig kamerautveckling kan det vara en väldigt smart strategi.

För ibland är svaret inte:

"Köp en dyrare sensor."

Ibland är det:

"Sluta få sensorn att fungera med en medioker lins."

Och det är en konversation värd att ha innan nästa kameraprojekt låses in i en stycklista.