מדוע אופטיקה אספרית נמצאת בכל מקום במצלמות מודרניות

אם תפרק עדשת מצלמה מודרנית, יש סיכוי טוב שתמצא משהו שנראה מעט שונה משאר האלמנטים האופטיים.

הוא עשוי להיות עבה יותר במרכז.

יכול להיות שיש לו עקמומיות יוצאת דופן.

ובניגוד למשטח עדשה כדורית קונבנציונלית, העקמומיות שלה לא עוקבת אחר כדור פשוט.

זהואלמנט עדשה אספרית.

אופטיקה אספרית נמצאת כיום בכל דבר, החל ממצלמות סמארטפונים ומצלמות אבטחה קומפקטיות ועד למערכות הדמיה לרכב, רחפנים, מצלמות ראיית מכונה ועדשות צילום מקצועיות.

זה לא תמיד היה המצב.

אז מה השתנה?

התשובה הקצרה היא שמצלמות מודרניות מבקשות מהעדשות לעשות הרבה יותר תוך שהן קטנות יותר.

והפיסיקה, למרבה הצער, לא הסכימה לעשות את זה קל.

עדשה כדורית היא למעשה פשרה נוחה

נתחיל בגישה המסורתית.

משטח עדשה כדורית מבוסס על כדור.

זה הופך את המשטח לפשוט יחסית לייצור.

אבל יש בעיה.

קרני אור העוברות דרך חלקים שונים של עדשה כדורית לא תמיד מתכנסות בדיוק באותה נקודה.

קרניים ליד הציר האופטי וקרניים העוברות דרך החלק החיצוני של העדשה יכולות להתמקד בצורה שונה.

זה מייצרסטייה כדורית.

התמונה הופכת פחות חדה, במיוחד כאשר העדשה משמשת בצמצם גדול.

אתה יכול להוסיף עוד אלמנטים אופטיים כדי לפצות על הבעיה.

והיסטורית, זה בדיוק מה שמעצבי עדשות עשו.

אבל עכשיו יש לך בעיה אחרת:

יותר אלמנטים פירושם יותר מקום, יותר משקל, יותר משטחים, יותר מורכבות ייצור, ואולי יותר עלות.

בסופו של דבר מישהו שואל את השאלה המתבקשת:

למה לא לשנות את צורת משטח העדשה עצמה?

זה המקום שבו אופטיקה אספרית הופכת שימושית.

מה מייחד משטח אספרי?

למשטח כדורי יש רדיוס עקמומיות קבוע.

משטח אספרי לא.

הקימור שלו משתנה בהדרגה מהמרכז לכיוון הקצה.

זה אולי נשמע כמו הבדל גיאומטרי קטן.

מבחינה אופטית, זה שימושי ביותר.

על ידי שליטה קפדנית בצורת פני השטח, מעצבים יכולים לגרום לקרני האור להתכנס בצורה הרבה יותר מבוקרת.

זה מאפשר לאלמנט אספרי לתקן סטיות אופטיות שאחרת היו דורשות מספר אלמנטים כדוריים קונבנציונליים.

במילים פשוטות:

במקום להוסיף עוד זכוכית כדי לפתור בעיה, לפעמים אתה יכול לשנות את צורת הזכוכית.

זו אחת הסיבות העיקריות לכך שאופטיקה אספרית הפכה כל כך חשובה.

היתרון האמיתי הוא לא רק "חד" יותר

לעתים קרובות אנשים מתארים עדשות אספריות כדרך לשפר את החדות.

זה נכון, אבל לא שלם.

היתרון הגדול יותר הואחופש עיצוב אופטי.

משטח אספרי יכול לעזור למהנדסים לנהל מספר מאפיינים אופטיים, בהתאם לתכנון.

אלה עשויים לכלול:

סטייה כדורית

תרדמת

אסטיגמציה

עיוות

ביצועי שטח

גודל עדשה כולל

זה חשוב מאוד במצלמות קומפקטיות.

מודולי מצלמה מודרניים צריכים לעתים קרובות להשתלב בחללים מכניים צרים מאוד, תוך שהם מספקים:

שדות ראייה רחבים

פתחים גדולים

רזולוציה גבוהה

ביצועי קצה טובים

הניסיון להשיג את כל זה באמצעות רק אלמנטים כדוריים קונבנציונליים יכול להיות קשה ביותר.

אופטיקה אספרית נותנת למעצב כלי נוסף.

ולפעמים, משטח אספרי אחד מעוצב היטב יכול לעשות את העבודה שאחרת היו צריכים לבצע מספר משטחים קונבנציונליים.

מדוע מצלמות בזווית רחבה אוהבות אופטיקה אספרית

עדשות זווית רחבה הן מאתגרות במיוחד.

ככל ששדה הראייה הופך גדול יותר, האור חודר למערכת האופטית מזוויות שונות יותר ויותר.

שמירה על שליטה על הקרניים האלה הופכת לקשה יותר.

עיוות הופך להיות קשה יותר לניהול.

ביצועי הקצה הופכים לקשים יותר לתחזוקה.

זו אחת הסיבות שאלמנטים אספריים מופיעים לעתים קרובות כל כך בעיצובי מצלמות רחבות זווית.

שקול מצלמת אבטחה קומפקטית.

ייתכן שהיצרן ירצה שדה ראייה רחב, ממדי עדשה קטנים, רזולוציה גבוהה וביצועים טובים בתאורה נמוכה.

הדרישות הללו מושכות את העיצוב האופטי לכיוונים שונים.

צמצם רחב יותר עוזר לאסוף אור.

שדה ראייה רחב יותר מגדיל את הכיסוי.

חבילה קטנה יותר עוזרת לשילוב המוצר.

אבל כל אחת מההחלטות האלה יוצרת אתגרים אופטיים.

משטחים אספריים יכולים לעזור למעצבים למצוא איזון בר ביצוע.

מדוע סמארטפונים הפכו את האופטיקה האספרית לחשובה עוד יותר

סמארטפונים הם כנראה הדוגמה הקלה ביותר להבנה.

מצלמת סמארטפון היא זעירה.

עם זאת, היצרנים מצפים ממנו להפיק תמונות שהיו נראות מדהים ממצלמה גדולה בהרבה לפני עשרים שנה.

פשוט אין מספיק מקום פיזי לפתור כל בעיה אופטית על ידי הוספת מספר רב של אלמנטים זכוכית קונבנציונליים.

הפתרון הוא עיצוב אופטי מותאם במיוחד.

משטחים אספריים יכולים לספק תיקון משמעותי בתוך אריזה קומפקטית מאוד.

אותו עיקרון חל על מערכות הדמיה מיניאטוריות אחרות.

מצלמות אבטחה, מודולי ראייה משובצים, מצלמות רכב, מל"טים, רובוטים ומכשירים חכמים כולם מתמודדים עם לחץ דומה:

יותר ביצועים אופטיים בפחות שטח פיזי.

אבל אספרית לא אומר "טוב יותר באופן אוטומטי"

זו נקודה חשובה.

אלמנט עדשה אספרית אינו עדיף באופן אוטומטי על אלמנט כדורי.

זה כלי עיצובי.

משטח אספרי מעוצב בצורה גרועה עדיין יכול לייצר ביצועים אופטיים גרועים.

ושימוש באלמנט אספרי אינו מבטל את הצורך לנהל:

סטייה כרומטית

עיוות

סובלנות ייצור

יישור

ביצועי ציפוי

התנהגות תרמית

המערכת האופטית כולה עדיין צריכה לעבוד יחד.

למעשה, משטחים אספריים יכולים לפעמים להפוך את הייצור ואת בקרת האיכות לתובענית יותר מכיוון שגיאומטריית פני השטח מורכבת יותר.

אז ההישג האמיתי הוא לא פשוט:

"השתמשנו בעדשה אספרית."

זה:

"השתמשנו בגיאומטריה האופטית הנכונה כדי לפתור את הבעיה הנכונה."

הייצור הוא המקום שבו התיאוריה נעשית מעניינת

יש הבדל גדול בין עיצוב משטח אספרי במחשב לבין ייצור של אלפי מהם באופן עקבי.

יש לייצר במדויק את פרופיל המשטח הנדרש.

לאחר מכן יש להרכיב את האלמנט בצורה נכונה.

אפילו עיצוב אופטי טוב עלול לאבד ביצועים אם סובלנות הייצור נשלטת בצורה גרועה.

זו הסיבה שיצרני אופטיקה כגוןבושי אופטיקהצריך לשקול עיצוב וייצור ביחד.

ייצור אופטי מודרני יכול לכלול יציקה מדויקת, עיבוד רכיבים אופטיים, הרכבה, בדיקת מימד ובדיקת ביצועים אופטיים.

ככל שהמשטח האופטי תובעני יותר, בקרת התהליך הופכת חשובה יותר.

הסיבה הגדולה יותר לכך שאופטיקה אספרית נמצאת בכל מקום

אז למה אנחנו רואים אופטיקה אספרית בכל כך הרבה מצלמות מודרניות?

כי המצלמות התפתחו.

הם קטנים יותר.

חיישנים מסוגלים יותר.

שדות הראייה רחבים יותר.

פתחים גדולים יותר.

דרישות הרזולוציה גבוהות יותר.

ומצלמות מוצבות בסביבות מוגבלות יותר ויותר.

מזל"ט לא יכול לשאת עדשה ענקית.

רובוט צריך מודולי ראייה קומפקטית.

רכב צריך מצלמות שמתאימות לבתים מעוצבים בקפידה.

לסמארטפון אין כמעט מקום פנוי.

אופטיקה אספרית מעניקה למהנדסים אופטיים מידה נוספת של חופש לפתור בעיות אלו.

הם לא מרכיב קסם.

הם פשוט אחד הכלים השימושיים ביותר שיש למעצבים אופטיים מודרניים.

ובהתחשב בכמה אנחנו מבקשים כעת ממצלמות זעירות כאלה, כנראה שעלינו להיות אסירי תודה עבורן.