מה קורה לעדשת מצלמה לפני שהיא מגיעה לחיישן?

תצלם.

זה מרגיש מיידי.

אור נכנס למצלמה, החיישן מצלם אותה ואיכשהו מופיעה תמונה על המסך שלך.

פשוט, נכון?

ובכן, מנקודת מבטו של מהנדס אופטי, לא בדיוק.

בין הסצינה בעולם האמיתי לבין הפיקסלים הזעירים בחיישן התמונה, האור צריך לעבור מסע מסובך להפתיע. הוא נשבר, ממוקד, משתקף חלקית, נספג, מעוות, ובתקווה - אחרי כל זה - מועבר למקום הנכון עם מספיק ניגודיות כדי להיות שימושי.

החלק האחרון הוא שבו טובעדשת מצלמהמרוויח את כספו.

אנשים מדמיינים לפעמים עדשה כפיסת זכוכית שתפקידה היחיד הוא "למקד את התמונה".

התיאור הזה נכון מבחינה טכנית בערך באותו האופן שבו אומרים שמכונית פורמולה 1 היא "רכב עם ארבעה גלגלים" נכון.

קורה הרבה יותר.

הכל מתחיל באור מהסצנה

לפני שהעדשה עושה משהו, יש את הסצנה עצמה.

כל אובייקט מול המצלמה מחזיר או פולט אור. האור הזה נע לכיוון המצלמה מכיוונים שונים ועם אורכי גל שונים.

מכונית אדומה, למשל, לא פשוט שולחת "אור אדום" לכיוון המצלמה בקרן אחת מסודרת. האור מגיע מחלקים שונים של הרכב, בזוויות שונות, בעוצמות שונות.

העדשה צריכה לקחת את האוסף הכאוטי הזה של קרני אור ולארגן אותו לתמונה.

זה בעצם תפקידה של המערכת האופטית:

קח אור שמגיע מכיוונים שונים וגרם לו ליצור תמונה מבוקרת על החיישן.

ומיד, יש בעיה.

האור אינו מתנהג באופן טבעי כפי שהמהנדסים היו רוצים.

כאשר האור עובר מהאוויר לזכוכית, הכיוון שלו משתנה. כאשר הוא עובר דרך אלמנט אופטי אחר, הוא משתנה שוב.

זה נקרא שבירה.

על ידי בחירה קפדנית של הצורה והחומר של כל אלמנט אופטי, מתכנני עדשות משתמשים בהתנהגות זו כדי לשלוט היכן הקרניים נפגשות בסופו של דבר.

לכן עדשת מצלמה יכולה להכיל כמה אלמנטים אופטיים ולא חתיכת זכוכית אחת פשוטה.

העדשה היא לא עדשה אחת

תסתכל על עדשת מצלמה מודרנית ואולי תראה חפץ גלילי קטן.

בפנים, לעומת זאת, יכולים להיות אלמנטים אופטיים מרובים.

לכל אלמנט יש עבודה.

כמה עוזרים למקד את התמונה. אחרים מתקנים סטיות. חלקם משפרים את ביצועי הקצה. חלקם עוזרים לשלוט בעיוות או סטייה כרומטית.

החלק המעניין הוא שהאלמנטים הללו אינם פועלים באופן עצמאי.

הם עובדים כמערכת.

מעצב עשוי לשנות את העקמומיות של אלמנט אחד ואז צריך להתאים אלמנט אחר כדי לפצות על האפקט.

שנה את הצמצם וההתנהגות האופטית יכולה להשתנות שוב.

הפוך את העדשה לקטנה יותר והעיצוב הופך לקשה יותר.

הגדל את שדה הראייה והעיוות הופך להיות קשה יותר לשליטה.

דרשו ביצועי F1.0 והמעצב האופטי מקבל עוד כאב ראש בחינם.

זו הסיבה שעיצוב אופטי הוא ביסודו תרגיל של פשרה.

לעתים רחוקות אתה מצליח למקסם הכל בו זמנית.

ואז מגיע הצמצם

איפשהו בתוך המערכת האופטית נמצא הצמצם.

אתה יכול לחשוב על הצמצם כעל "שומר הסף" השולט בכמה אור נכנס לעדשה.

לעדשת F1.0 יש צמצם יחסי גדול מאוד, המאפשר למערכת האופטית הרבה יותר אור מאשר לעדשה עם צמצם קטן יותר.

זה הופך להיות חשוב במיוחד בהדמיה באור נמוך.

אבל יש מלכוד.

צמצם גדול יותר לא אומר רק "טוב יותר".

כאשר אתה פותח את הצמצם, יותר קרניים מהחלקים החיצוניים של המערכת האופטית מעורבות ביצירת התמונה. בדרך כלל קשה יותר לשלוט בקרניים אלו.

כתוצאה מכך, סטייות יכולות להיות בולטות יותר.

זו אחת הסיבות שעיצוב עדשת F1.0 בעלת ביצועים גבוהים הוא הרבה יותר מאתגר מאשר פשוט להפוך את הצמצם לגדול פיזית.

עם זאת, עבור יישומים כמו מעקב לילה, הפשרה יכולה להיות כדאית.

כאשר האור הזמין מוגבל, איסוף יותר ממנו יכול לעשות את ההבדל בין תמונה שימושית לתמונה רועשת.

לא כל קרן מגיעה לחיישן באותה דרך

הנה פרט שהופך חשוב במיוחד בעת בחירת עדשה לחיישן תמונה מודרני:

יש חשיבות לזווית שבה האור מגיע לחיישן.

מהנדסים מרבים לדבר עלChief Ray Angle, או CRA.

במילים פשוטות, CRA מתאר את הזווית של הקרן הראשית המגיעה לאזורים שונים של החיישן.

למה שיהיה לנו אכפת?

מכיוון שחיישני תמונה מודרניים הם לא רק חלקים שטוחים של חומר רגיש לאור שמחכים בסבלנות למשהו שיפגע בהם.

ישנם מבנים מיקרוסקופיים מעל הפוטודיודות, כולל עדשות מיקרו ושכבות אחרות.

אם האור הנכנס מגיע בזווית לא מתאימה, במיוחד לכיוון קצה החיישן, ייתכן שהחיישן לא ישתמש באור זה בצורה יעילה כמצופה.

זו אחת הסיבות שהתאמת עדשות וחיישנים חשובה.

עדשה יכולה לקבל את אורך המוקד ואת פורמט החיישן הנכונים ועדיין לא להיות התאמה אופטית אידיאלית.

מעגל התמונה: האם העדשה אכן תכסה את החיישן?

הנה עוד בעיה שכיחה באופן מפתיע.

עדשה מייצרת עיגול תמונה.

החיישן יושב בתוך מעגל התמונה ומשתמש בחלק הנופל על האזור הפעיל שלו.

אם עיגול התמונה קטן מדי, ייתכן שפינות החיישן לא יקבלו מספיק מידע תמונה.

התוצאה יכולה להיות יריעות או אפילו פינות חשוכות גלויות.

זו הסיבה שפורמט החיישן חשוב.

עדשה המיועדת לחיישן קטן יותר לא יכולה פשוט להיות מחוברת לחיישן גדול בהרבה ולצפות שתתפקד בצורה מושלמת.

אולי תחבר פיזית את השניים.

אולם מבחינה אופטית, הקשר עשוי להיות פחות שיתופי.

זו גם הסיבה שהמהנדסים מסתכלים על מימדי החיישן בפועל במקום להסתמך רק על תוויות כגון "1/2.7 אינץ'" או "1/1.8 אינץ'".

שמות הפורמטים האלה הם קיצור שימושי, אבל השטח הפעיל בפועל והדרישות האופטיות הם מה שחשוב בסופו של דבר.

ואז יש סטיות

כאן הנדסה אופטית הופכת לקצת פחות זוהרת.

אור העובר בעדשה אמיתית לא תמיד מתמקד בדיוק היכן שאנו רוצים.

אורכי גל שונים יכולים להתנהג בצורה שונה.

גם קרניים העוברות דרך חלקים שונים של העדשה עשויות להתמקד בצורה שונה.

זה יוצר סטיות אופטיות שונות.

סטייה כרומטית יכולה לייצר שוליים בצבע.

סטייה כדורית יכולה להפחית את חדות התמונה.

אסטיגמציה יכולה להשפיע על אופן ההפקה של פרטים עדינים.

תרדמת עלולה לגרום לאובייקטים דמויי נקודה להיראות מעוותים, במיוחד לכיוון הקצוות.

ועקמומיות השדה פירושה שהמישור של המיקוד הטוב ביותר לא יתנהג כפי שמהנדסי החיישנים השטוחים לחלוטין היו מעדיפים.

אף אחת מהבעיות הללו לא נשמעת מרגשת במיוחד.

אבל הם בדיוק מסוג הדברים שקובעים אם עדשה מייצרת תמונה חדה או משהו שנראה בצורה מחשידה כאילו היא זקוקה למשקפיים.

עיצוב אופטי מודרני עוסק במידה רבה בשליטה בפגמים הללו.

התמונה אינה חדה באותה מידה בכל מקום

זה מביא אותנו לאחת מאי ההבנות הגדולות ביותר לגבי רזולוציית עדשות.

עדשה לא בהכרח מתפקדת באותה מידה במרכז ובקצה.

בדרך כלל קל יותר לשלוט במרכז התמונה.

ככל שאתה מתקדם לעבר הקצה, הביצועים האופטיים עלולים לרדת.

זה חשוב במיוחד עבור עדשות רחבות זווית.

תארו לעצמכם מצלמת מעקב המנטרת מגרש חניה.

מרכז התמונה עשוי להיות חד במיוחד.

אבל מה קורה כשרכב נכנס מהצד?

אם רזולוציית הקצה ירודה, ייתכן שלמצלמה מבחינה טכנית יש חיישן ברזולוציה גבוהה תוך מתן פרטים הרבה פחות שימושיים היכן שזה חשוב.

זו הסיבה שהמהנדסים האופטיים מסתכלים על ביצועי MTF על פני שדה התמונה, במקום פשוט לשאול אם העדשה היא "4MP" או "8MP".

מספר הפיקסלים אומר לך מה החיישן יכול לדגום.

MTF עוזר לספר לך באיזו יעילות המערכת האופטית יכולה לספק פרטים לפיקסלים אלה.

לפני שהאור סוף סוף יגיע לחיישן

גם לאחר מעבר דרך אלמנטי העדשה, הצמצם והתיקונים האופטיים, האור עלול להיתקל ברכיבים נוספים.

בהתאם לעיצוב המצלמה, הנתיב האופטי יכול לכלול:

חלונות מגן

מסננים בחיתוך IR

זכוכית כיסוי חיישן

מסננים במעבר נמוך

ציפויים או מבנים אופטיים אחרים

כל משטח נוסף יכול להשפיע על המערכת האופטית.

השתקפות יכולה להפחית את השידור.

ציפויים גרועים יכולים להגביר התלקחות או רוחות רפאים.

העובי ותכונות השבירה של רכיבים מול החיישן יכולים גם להשפיע על המיקוד והביצועים האופטיים.

זה חשוב במיוחד במערכות מצלמות קומפקטיות שבהן הכל ארוז בחלל קטן מאוד.

המעצב האופטי לא יכול לומר בפשטות:

"זו הבעיה של יצרן החיישנים."

כל המחסנית האופטית חשובה.

לבסוף, האור מגיע לחיישן

לאחר כל האינטראקציות הללו, האור מגיע סוף סוף לחיישן התמונה.

החיישן ממיר פוטונים נכנסים לאותות חשמליים.

בשלב זה, אולי נראה שהעדשה סיימה את תפקידה.

למעשה, זה המקום שבו אתה יכול סוף סוף לראות אם העדשה עשתה את עבודתה היטב.

אם המערכת האופטית נמסרה:

מספיק אור

ניגודיות טובה

פרטים עדינים

סטיות מבוקרות

זוויות קרינה מתאימות

כיסוי תמונה הולם

לחיישן יש מידע שימושי לעבוד איתו.

אם לא, למערכת עיבוד התמונה יש בעיה קשה בידיים.

הפחתת רעש יכולה להפחית את הרעש.

חידוד יכול לשפר קצוות.

אלגוריתמי AI יכולים לשפר תמונות.

אבל תוכנה לא יכולה לשחזר באופן מושלם מידע אופטי שמעולם לא נלכד.

לכן האיכות האופטית נשארת חשובה גם כשההדמיה החישובית הופכת מתוחכמת יותר.

מדוע בחירת עדשה וחיישנים צריכים לקרות ביחד

זה כנראה השיעור המעשי שהייתי מדגיש הכי חזק.

אל תבחר קודם חיישן ואז תשאל כלאחר יד:

"איזו עדשה נוכל לשים עליה?"

עבור פרויקטים רבים, יש לשקול את בחירת העדשה והחיישנים יחד.

המהנדס צריך להבין את הקשר בין:

חיישן + עדשה + צמצם + שדה ראיה + עיבוד תמונה + תאורה

שינוי בחלק אחד יכול להשפיע על האחרים.

גודל פיקסל קטן יותר יכול להגדיל את דרישות הרזולוציה האופטית.

שדה ראייה רחב יותר יכול להגביר את העיוות ואת אתגרי ביצועי הקצה.

צמצם גדול יותר יכול לשפר את הביצועים בתאורה חלשה תוך קושי בקרת סטייה.

חיישן אחר יכול לשנות את דרישות ה-CRA.

זו הסיבה שספקי אופטיקה מנוסים שואלים לעתים קרובות שאלות מפורטות באופן מפתיע לפני שממליצים על עדשה.

זה לא בגלל שהם נהנים ממניירת.

בדרך כלל, הם מנסים להימנע מלהמליץ ​​על משהו שנראה מושלם על הנייר ומאכזב אותך כאשר אתה מחובר למצלמה בפועל.

הנתיב האופטי הוא באמת שרשרת של החלטות

ברגע שאתה מבין מה קורה בין הסצנה לחיישן, דבר אחד מתברר:

עדשת מצלמה אינה פשוט "ממקדת אור".

הוא מנהל אור.

כל משטח אופטי, כל עקמומיות, כל מרווח, כל ציפוי וכל סובלנות מכנית משפיעים על התמונה הסופית.

העדשה צריכה לאסוף מספיק אור.

זה צריך לכוון את האור הזה בצורה נכונה.

זה צריך לשלוט על סטייות.

זה חייב לספק רזולוציה מספקת.

זה צריך להתאים לחיישן.

ובאופן אידיאלי, הוא צריך לעשות את כל זה אלפי או מיליוני פעמים עם ביצועים עקביים.

לכן עדשת מצלמה קטנה יכולה להכיל כמות מרשימה של הנדסה.

ב-Boshi Optics מפותחים פתרונות אופטיים ליישומים החל ממעקב אבטחה וראיית בינה מלאכותית ועד לרחפנים, הדמיית רכב, מכשור רפואי ומערכות הדמיה אחרות. יכולות הייצור של החברה מכסות עיבוד רכיבים אופטיים, יציקה מדויקת, הזרקה, הרכבת עדשות ובדיקות אופטיות.

התמונה הסופית עשויה להיראות פשוטה.

המסע שיצר אותו הוא הכל חוץ.

דרך אחרונה לחשוב על זה

בפעם הבאה שתסתכל על מפרט מצלמה ותראה:

חיישן 8MP

אל תדמיינו מיד שמונה מיליון פיסות פרטים זעירים.

דמיינו שמונה מיליון הזדמנויות להקליט מידע.

ואז תשאל:

מה בעצם סיפקה להם העדשה?

השאלה הזו קרובה הרבה יותר ללב ההנדסה האופטית.

כי החיישן מקליט את התמונה.

אבל לפני שהחיישן יכול להקליט משהו, העדשה צריכה לתת לה משהו ששווה להקליט.