Vad händer med en kameralins innan den når sensorn?

Ta ett fotografi.

Det känns omedelbart.

Ljus kommer in i kameran, sensorn fångar det och på något sätt visas en bild på din skärm.

Enkelt, eller hur?

Tja, ur en optisk ingenjörs perspektiv, inte riktigt.

Mellan den verkliga scenen och de små pixlarna på bildsensorn måste ljuset gå igenom en förvånansvärt komplicerad resa. Den bryts, fokuseras, delvis reflekteras, absorberas, förvrängs och förhoppningsvis – trots allt – levereras till rätt plats med tillräckligt med kontrast för att vara användbar.

Den sista delen är där en brakameralinstjänar sina pengar.

Folk föreställer sig ibland en lins som en glasbit vars enda uppgift är att "fokusera bilden."

Den beskrivningen är tekniskt sann på ungefär samma sätt som att säga att en Formel 1-bil är "ett fordon med fyra hjul" är sant.

Det är betydligt mer på gång.

Allt börjar med ljus från scenen

Innan objektivet gör något finns själva scenen.

Varje föremål framför kameran reflekterar eller avger ljus. Det ljuset färdas mot kameran från olika håll och med olika våglängder.

En röd bil, till exempel, skickar inte bara "rött ljus" mot kameran i en snygg stråle. Ljus kommer från olika delar av fordonet, i olika vinklar, med olika intensitet.

Linsen måste ta denna kaotiska samling av ljusstrålar och organisera den till en bild.

Det är i huvudsak det optiska systemets uppgift:

Ta ljus som kommer från olika håll och få det att bilda en kontrollerad bild på sensorn.

Och genast finns det ett problem.

Ljus beter sig inte naturligt som ingenjörer skulle vilja ha det.

När ljus passerar från luft till glas ändras dess riktning. När den passerar genom ett annat optiskt element ändras det igen.

Detta kallas refraktion.

Genom att noggrant välja form och material för varje optiskt element använder linsdesigners detta beteende för att kontrollera var strålarna så småningom möts.

Det är därför en kameralins kan innehålla flera optiska element snarare än en enkel glasbit.

Linsen är inte en lins

Titta på en modern kameralins och du kan se ett litet cylindriskt föremål.

Inuti kan det dock finnas flera optiska element.

Varje element har ett jobb.

Vissa hjälper till att fokusera bilden. Andra korrigerar avvikelser. Vissa förbättrar kantprestandan. Vissa hjälper till att kontrollera distorsion eller kromatisk aberration.

Det intressanta är att dessa element inte fungerar självständigt.

De fungerar som ett system.

En designer kan ändra krökningen för ett element och sedan behöva justera ett annat element för att kompensera för effekten.

Ändra bländaren och det optiska beteendet kan ändras igen.

Gör linsen mindre och designen blir svårare.

Öka synfältet och distorsion blir svårare att kontrollera.

Kräv F1.0-prestanda och den optiska designern får ytterligare en huvudvärk gratis.

Det är därför optisk design i grunden är en övning i att kompromissa.

Du får sällan maximera allt samtidigt.

Sedan kommer bländaren

Någonstans inuti det optiska systemet finns bländaren.

Du kan tänka på bländaren som "gatekeeper" som styr hur mycket ljus som kommer in i linsen.

Ett F1.0-objektiv har en mycket stor relativ bländare, vilket släpper in betydligt mer ljus i det optiska systemet än ett objektiv med mindre bländare.

Detta blir särskilt viktigt vid bildbehandling med svagt ljus.

Men det finns en hake.

En större bländare betyder inte bara "bättre".

När du öppnar bländaren är fler strålar från de yttre delarna av det optiska systemet inblandade i att bilda bilden. Dessa strålar är i allmänhet svårare att kontrollera.

Som ett resultat kan avvikelser bli mer märkbara.

Detta är en anledning till att designa ett högpresterande F1.0-objektiv är mycket mer utmanande än att bara göra bländaren fysiskt större.

För tillämpningar som nattövervakning kan dock avvägningen löna sig.

När det tillgängliga ljuset är begränsat kan att samla in mer av det göra skillnaden mellan en användbar bild och en brusig.

Inte alla strålar kommer till sensorn på samma sätt

Här är en detalj som blir särskilt viktig när du väljer ett objektiv för en modern bildsensor:

Vinkeln med vilken ljus når sensorn spelar roll.

Ingenjörer pratar ofta omChief Ray Angle, eller CRA.

I enkla termer beskriver CRA vinkeln på huvudstrålen som når olika områden av sensorn.

Varför ska vi bry oss?

Eftersom moderna bildsensorer inte bara är platta bitar av ljuskänsligt material som tålmodigt väntar på att något ska träffa dem.

Det finns mikroskopiska strukturer ovanför fotodioderna, inklusive mikrolinser och andra lager.

Om inkommande ljus anländer i en olämplig vinkel, särskilt mot kanten av sensorn, kanske sensorn inte använder ljuset så effektivt som förväntat.

Detta är en anledning till att lins- och sensormatchning är viktig.

Ett objektiv kan ha rätt brännvidd och sensorformat och ändå inte vara en idealisk optisk matchning.

Bildcirkeln: Kommer linsen verkligen att täcka sensorn?

Här är ett annat förvånansvärt vanligt problem.

En lins producerar en bildcirkel.

Sensorn sitter inuti den bildcirkeln och använder den del som faller på dess aktiva område.

Om bildcirkeln är för liten kan det hända att sensorns hörn inte får tillräcklig bildinformation.

Resultatet kan bli vinjettering eller till och med synliga mörka hörn.

Det är därför sensorformatet är viktigt.

En lins designad för en mindre sensor kan inte bara fästas på en mycket större sensor och förväntas fungera perfekt.

Du kanske fysiskt kopplar ihop de två.

Optiskt kan dock förhållandet vara mindre samarbetsvilligt.

Det är också därför ingenjörer tittar på de faktiska sensordimensionerna snarare än att bara förlita sig på etiketter som "1/2,7-tum" eller "1/1,8-tum".

Dessa formatnamn är användbara förkortningar, men det faktiska aktiva området och optiska krav är det som i slutändan betyder något.

Och så finns det aberrationer

Det är här optisk ingenjörskonst blir lite mindre glamorös.

Ljus som passerar genom en riktig lins fokuserar inte alltid exakt där vi vill ha det.

Olika våglängder kan bete sig olika.

Strålar som passerar genom olika delar av en lins kan också fokusera olika.

Detta skapar olika optiska aberrationer.

Kromatisk aberration kan ge färgkanter.

Sfärisk aberration kan minska bildens skärpa.

Astigmatism kan påverka hur fina detaljer återges.

Koma kan göra att punktliknande föremål verkar förvrängda, särskilt mot kanterna.

Och fältkrökning betyder att planet med bästa fokus kanske inte beter sig som de perfekt platta sensoringenjörerna skulle föredra.

Inget av dessa problem låter särskilt spännande.

Men det är precis den sortens saker som avgör om ett objektiv ger en skarp bild eller något som ser misstänkt ut som om det behöver glasögon.

Modern optisk design handlar till stor del om att kontrollera dessa brister.

Bilden är inte lika skarp överallt

Detta leder oss till ett av de största missförstånden om objektivupplösning.

Ett objektiv fungerar inte nödvändigtvis lika bra i mitten och i kanten.

Bildens mitt är vanligtvis lättare att kontrollera.

När du rör dig mot kanten kan den optiska prestandan försämras.

Detta är särskilt viktigt för vidvinkelobjektiv.

Föreställ dig en övervakningskamera som övervakar en parkeringsplats.

Bildens mitt kan vara extremt skarpt.

Men vad händer när ett fordon kommer in från sidan?

Om kantupplösningen är dålig kan kameran tekniskt sett ha en högupplöst sensor samtidigt som den levererar mycket mindre användbara detaljer där det är viktigt.

Det är därför optiska ingenjörer tittar på MTF-prestanda över hela bildfältet, snarare än att bara fråga om ett objektiv är "4MP" eller "8MP."

Antalet pixlar berättar vad sensorn kan ta prov på.

MTF hjälper dig att berätta hur effektivt det optiska systemet kan leverera detaljer till dessa pixlar.

Innan ljuset äntligen når sensorn

Även efter att ha passerat genom linselementen, bländaren och optiska korrigeringar kan ljuset stöta på ytterligare komponenter.

Beroende på kamerans design kan den optiska vägen inkludera:

Skyddsfönster

IR-skurna filter

Gensorskyddsglas

Lågpassfilter

Andra optiska beläggningar eller strukturer

Varje ytterligare yta kan påverka det optiska systemet.

Reflektion kan minska transmissionen.

Dåliga beläggningar kan öka flare eller spökbilder.

Tjockleken och brytningsegenskaperna hos komponenter framför sensorn kan också påverka fokus och optisk prestanda.

Detta är särskilt viktigt i kompaktkamerasystem där allt är packat på ett mycket litet utrymme.

Den optiska designern kan inte bara säga:

"Det är sensortillverkarens problem."

Hela den optiska stacken spelar roll.

Slutligen når ljuset sensorn

Efter alla dessa interaktioner når ljuset äntligen bildsensorn.

Sensorn omvandlar inkommande fotoner till elektriska signaler.

Vid det här laget kan det verka som att objektivet har gjort sitt jobb.

Det är faktiskt här du äntligen kan se om objektivet gjorde sitt jobb bra.

Om det optiska systemet levereras:

 Tillräckligt med ljus

Bra kontrast

Fina detaljer

Kontrollerade aberrationer

Lämpliga strålvinklar

Tillräcklig bildtäckning

sensorn har användbar information att arbeta med.

Om inte, har bildbehandlingssystemet ett svårt problem.

Brusreducering kan minska buller.

Skärpning kan förbättra kanterna.

AI-algoritmer kan förbättra bilder.

Men programvara kan inte perfekt återställa optisk information som aldrig fångades.

Det är därför optisk kvalitet förblir viktig även när beräkningsavbildning blir mer sofistikerad.

Varför objektiv och sensorval bör ske tillsammans

Detta är förmodligen den praktiska lektion jag skulle betona starkast.

Välj inte en sensor först och fråga sedan slentrianmässigt:

"Vilken lins kan vi sätta på den?"

För många projekt bör val av lins och sensor övervägas tillsammans.

Ingenjören behöver förstå sambandet mellan:

Sensor + Lins + Bländaröppning + Synfält + Bildbehandling + Belysning

En förändring av en del kan påverka de andra.

En mindre pixelstorlek kan öka kraven på optisk upplösning.

Ett bredare synfält kan öka förvrängning och utmaningar med kantprestanda.

En större bländare kan förbättra prestanda i svagt ljus samtidigt som aberrationskontrollen blir svårare.

En annan sensor kan ändra CRA-kraven.

Det är därför erfarna optiska leverantörer ofta ställer förvånansvärt detaljerade frågor innan de rekommenderar ett objektiv.

Det är inte för att de tycker om pappersarbete.

Vanligtvis försöker de undvika att rekommendera något som ser perfekt ut på papper och gör dig besviken när den är ansluten till den faktiska kameran.

Den optiska vägen är verkligen en kedja av beslut

När du väl förstår vad som händer mellan scenen och sensorn blir en sak klar:

En kameralins är inte bara att "fokusera ljus".

Den hanterar ljus.

Varje optisk yta, varje krökning, varje mellanrum, varje beläggning och varje mekanisk tolerans påverkar den slutliga bilden.

Linsen måste samla tillräckligt med ljus.

Den måste rikta ljuset rätt.

Den måste kontrollera aberrationer.

Det måste ge tillräcklig upplösning.

Den måste matcha sensorn.

Och helst behöver den göra allt detta tusentals eller miljontals gånger med konsekvent prestanda.

Det är därför en liten kameralins kan innehålla en imponerande mängd ingenjörskonst.

Hos Boshi Optics utvecklas optiska lösningar för applikationer som sträcker sig från säkerhetsövervakning och AI-vision till drönare, bilavbildning, medicinsk utrustning och andra bildsystem. Företagets tillverkningskapacitet täcker optisk komponentbearbetning, precisionsgjutning, formsprutning, linsmontering och optisk testning.

Den slutliga bilden kan se enkel ut.

Resan som skapade den är allt annat än.

Ett sista sätt att tänka på det

Nästa gång du tittar på en kameraspecifikation och ser:

8 MP sensor

föreställ dig inte omedelbart åtta miljoner små detaljer.

Föreställ dig åtta miljoner möjligheter att registrera information.

Fråga sedan:

Vad levererade objektivet till dem egentligen?

Den frågan ligger mycket närmare hjärtat av optisk ingenjörskonst.

Eftersom sensorn registrerar bilden.

Men innan sensorn kan spela in något måste objektivet ge det något värt att spela in.