Varför asfärisk optik finns överallt i moderna kameror
Om du plockar isär en modern kameralins är chansen stor att du hittar något som ser något annorlunda ut än de andra optiska elementen.
Det kan vara tjockare i mitten.
Den kan ha en ovanlig krökning.
Och till skillnad från en konventionell sfärisk linsyta följer dess krökning inte en enkel sfär.
Detta är enasfäriskt linselement.
Asfärisk optik finns nu i allt från smartphonekameror och kompakta säkerhetskameror till bildsystem för bilar, drönare, maskinseendekameror och professionella fotografiska linser.
Så var det inte alltid.
Så vad förändrades?
Det korta svaret är att moderna kameror ber linser att göra mycket mer samtidigt som de blir mindre.
Och fysiken har tyvärr inte gått med på att göra det enkelt.
En sfärisk lins är faktiskt en bekväm kompromiss
Låt oss börja med det traditionella tillvägagångssättet.
En sfärisk linsyta är baserad på en sfär.
Det gör ytan relativt enkel att tillverka.
Men det finns ett problem.
Ljusstrålar som passerar genom olika delar av en sfärisk lins konvergerar inte alltid vid exakt samma punkt.
Strålar nära den optiska axeln och strålar som passerar genom den yttre delen av linsen kan fokusera olika.
Detta producerarsfärisk aberration.
Bilden blir mindre skarp, särskilt när objektivet används med stor bländare.
Du kan lägga till fler optiska element för att kompensera för problemet.
Och historiskt sett är det precis vad linsdesigners gjorde.
Men nu har du ett annat problem:
Fler element betyder mer utrymme, mer vikt, fler ytor, mer komplexitet i tillverkningen och potentiellt mer kostnad.
Så småningom ställer någon den självklara frågan:
Varför inte ändra formen på själva linsens yta?
Det är där asfärisk optik blir användbar.
Vad gör en asfärisk yta annorlunda?
En sfärisk yta har en konstant krökningsradie.
En asfärisk yta gör det inte.
Dess krökning ändras gradvis från mitten mot kanten.
Det kan låta som en liten geometrisk skillnad.
Optiskt är det extremt användbart.
Genom att noggrant kontrollera ytformen kan designers få ljusstrålar att konvergera på ett mycket mer kontrollerat sätt.
Detta tillåter ett asfäriskt element att korrigera optiska aberrationer som annars skulle kräva flera konventionella sfäriska element.
Enkelt uttryckt:
Istället för att lägga till mer glas för att åtgärda ett problem kan du ibland ändra formen på glaset.
Det är en av de viktigaste anledningarna till att asfärisk optik blev så viktig.
Den verkliga fördelen är inte bara "skarpare"
Människor beskriver ofta asfäriska linser som ett sätt att förbättra skärpan.
Det är sant, men ofullständigt.
Den större fördelen äroptisk designfrihet.
En asfärisk yta kan hjälpa ingenjörer att hantera flera optiska egenskaper, beroende på designen.
Dessa kan inkludera:
Sfärisk aberration
Koma
Astigmatism
Distorsion
Fältprestanda
Total linsstorlek
Detta har enorm betydelse i kompaktkameror.
Moderna kameramoduler måste ofta passa in i mycket trånga mekaniska utrymmen samtidigt som de ger:
Breda synfält
Stora bländare
Hög upplösning
Bra kantprestanda
Att försöka uppnå allt detta med enbart konventionella sfäriska element kan bli extremt svårt.
Asfärisk optik ger designern ytterligare ett verktyg.
Och ibland kan en väldesignad asfärisk yta göra det arbete som flera konventionella ytor annars skulle behöva utföra.
Varför vidvinkelkameror älskar asfärisk optik
Vidvinkelobjektiv är särskilt utmanande.
När synfältet blir större kommer ljus in i det optiska systemet från allt mer olika vinklar.
Att hålla dessa strålar under kontroll blir svårare.
Distorsion blir svårare att hantera.
Kantprestanda blir svårare att underhålla.
Detta är en anledning till att asfäriska element förekommer så ofta i vidvinkelkameradesigner.
Överväg en kompakt säkerhetskamera.
Tillverkaren kanske vill ha ett brett synfält, små linsdimensioner, hög upplösning och bra prestanda i svagt ljus.
Dessa krav drar den optiska designen i olika riktningar.
En bredare bländare hjälper till att samla in ljus.
Ett bredare synfält ökar täckningen.
Ett mindre paket hjälper produktintegreringen.
Men vart och ett av dessa beslut skapar optiska utmaningar.
Asfäriska ytor kan hjälpa designers att hitta en fungerande balans.
Varför smartphones gjorde asfärisk optik ännu viktigare
Smartphones är förmodligen det enklaste exemplet att förstå.
En smartphonekamera är liten.
Ändå förväntar sig tillverkarna att den ska producera bilder som skulle ha verkat anmärkningsvärda från en mycket större kamera för tjugo år sedan.
Det finns helt enkelt inte tillräckligt med fysiskt utrymme för att lösa alla optiska problem genom att lägga till ett stort antal konventionella glaselement.
Lösningen är mycket optimerad optisk design.
Asfäriska ytor kan ge betydande korrigering i en mycket kompakt förpackning.
Samma princip gäller för andra miniatyrbildsystem.
Säkerhetskameror, inbyggda visionmoduler, bilkameror, drönare, robotar och smarta enheter möter alla liknande tryck:
Mer optisk prestanda i mindre fysiskt utrymme.
Men asfärisk betyder inte "automatiskt bättre"
Detta är en viktig punkt.
Ett asfäriskt linselement är inte automatiskt överlägset ett sfäriskt.
Det är ett designverktyg.
En dåligt utformad asfärisk yta kan fortfarande ge dålig optisk prestanda.
Och att använda ett asfäriskt element eliminerar inte behovet av att hantera:
Kromatisk aberration
Distorsion
Tillverkningstoleranser
Inriktning
Beläggningsprestanda
Termiskt beteende
Hela det optiska systemet måste fortfarande fungera tillsammans.
Faktum är att asfäriska ytor ibland kan göra tillverkning och kvalitetskontroll mer krävande eftersom ytgeometrin är mer komplex.
Så den verkliga prestationen är inte bara:
"Vi använde en asfärisk lins."
Det är:
"Vi använde rätt optisk geometri för att lösa rätt problem."
Tillverkning är där teorin blir intressant
Det är stor skillnad mellan att designa en asfärisk yta på en dator och att tillverka tusentals av dem konsekvent.
Den erforderliga ytprofilen måste produceras korrekt.
Elementet måste då monteras korrekt.
Även en bra optisk design kan förlora prestanda om tillverkningstoleranser är dåligt kontrollerade.
Det är därför optiska tillverkare som t.exBoshi Optikmåste överväga design och tillverkning tillsammans.
Modern optisk produktion kan involvera precisionsformning, optisk komponentbearbetning, montering, dimensionell inspektion och optisk prestandatestning.
Ju mer krävande den optiska ytan desto viktigare blir processtyrningen.
Den större anledningen till att asfärisk optik finns överallt
Så varför ser vi asfärisk optik i så många moderna kameror?
För att kameror har utvecklats.
De är mindre.
Sensorer är mer kapabla.
Synfälten är bredare.
Bländare är större.
Upplösningskraven är högre.
Och kameror placeras i allt mer begränsade miljöer.
En drönare kan inte bära en stor lins.
En robot behöver kompakta visionmoduler.
Ett fordon behöver kameror som passar in i noggrant designade höljen.
En smartphone har nästan inget utrymme att avvara.
Asfärisk optik ger optiska ingenjörer ytterligare en grad av frihet att lösa dessa problem.
De är ingen magisk ingrediens.
De är helt enkelt ett av de mest användbara verktygen som moderna optiska designers har.
Och med tanke på hur mycket vi nu begär av så små kameror borde vi nog vara tacksamma för dem.
