Kan een betere lens ervoor zorgen dat een goedkopere sensor beter presteert?

Hier is een vraag die we verrassend vaak horen bij cameraontwikkeling:

“Als we een betere lens gebruiken, kunnen we dan betere prestaties krijgen van een goedkopere sensor?”

Het eerlijke antwoord is:

Ja, maar niet op de manier die je zou denken.

Een betere lens kan een 5 MP-sensor niet op magische wijze in een 8 MP-sensor veranderen. Het kan het fysieke aantal pixels van de sensor niet vergroten, het oorspronkelijke dynamische bereik verbeteren of ruis elimineren die van de sensor zelf komt.

Maar er is een andere kant aan het verhaal.

Een sensor kan alleen de optische informatie registreren die hem bereikt.

Als de lens slechte details, laag contrast, onvoldoende licht of slecht gecontroleerde aberraties levert, wordt zelfs een dure sensor gevraagd om met gecompromitteerde informatie te werken.

Aan de andere kant kan een goed ontworpen lens een goedkopere sensor helpen veel meer te halen uit waartoe hij feitelijk in staat is.

En dat onderscheid is enorm belangrijk bij het ontwerpen van een kostengevoelige camera.

De sensor werkt niet alleen

Het is verleidelijk om de sensor te zien als de ‘motor’ van de camera.

In werkelijkheid staat het beeldvormingssysteem dichter bij een team.

De lens verzamelt en organiseert licht.

De sensor zet dat licht om in elektrische signalen.

De ISP verwerkt deze signalen.

Software en AI interpreteren vervolgens het resulterende beeld.

Als één deel van de keten zwak is, moeten de andere componenten compenseren.

En compensatie kent grenzen.

Stel je een betaalbare sensor voor die perfect in staat is een bepaald detailniveau vast te stellen.

Plaats er nu een lens van slechte kwaliteit voor.

De lens kan dat detail vervagen voordat het ooit de sensor bereikt.

De sensor kan geen informatie registreren die nooit aan de sensor is geleverd.

Dit is de reden waarom het kopen van de duurste sensor en het behandelen van de lens als een standaardonderdeel een verrassend inefficiënte strategie kan zijn.

Een betere lens voegt geen pixels toe. Het maakt pixels nuttiger.

Dit is het sleutelidee.

Stel dat twee camera's exact dezelfde sensor gebruiken.

Camera A gebruikt een middelmatige lens.

Camera B maakt gebruik van een beter optisch systeem.

De sensorspecificaties zijn niet veranderd.

Beide hebben nog steeds hetzelfde aantal pixels.

Maar de afbeeldingen kunnen er merkbaar anders uitzien.

Waarom?

Omdat het aantal pixels slechts een deel van het verhaal is.

Het optische systeem beïnvloedt:

Resolutie

Contrast

Lichttransmissie

Vervorming

Chromatische aberratie

Randscherpte

Beelduniformiteit

Een betere lens kan de sensor dus helpen beter gebruik te maken van de pixels die hij al heeft.

Denk er zo over na:

Een magazijn vol lege dozen betekent niet dat je meer producten hebt.

De sensor geeft je de dozen.

De lens helpt bepalen hoeveel nuttige informatie erin wordt gestopt.

MTF: waar de lens de sensor ontmoet

Dit is waarMTF (Modulatieoverdrachtsfunctie)nuttig wordt.

MTF beschrijft hoe effectief een optisch systeem het contrast op verschillende detailniveaus behoudt.

U hoeft geen optisch ingenieur te worden om de praktische betekenis te begrijpen.

Een lens met goede MTF-prestaties kan fijne details met nuttig contrast behouden.

Een lens met slechte MTF-prestaties kan deze details in steeds zwakkere en wazigere patronen veranderen.

Dit wordt vooral belangrijk bij moderne sensoren, waar de pixelgroottes erg klein kunnen zijn.

Een sensor kan technisch gezien voldoende pixels hebben, maar als de lens niet genoeg ruimtelijke details kan weergeven, worden die pixels niet efficiënt gebruikt.

Dit is één van de redenen waarom een ​​goed ontworpen optisch systeem er soms voor kan zorgen dat een camera “scherper” aanvoelt, ook al is de sensor zelf niet veranderd.

De lens is geen upgrade van de sensor.

Het staat gewoon steeds minder in de weg.

Meer licht kan ook het spel veranderen

Resolutie is niet het enige probleem.

Prestaties bij weinig licht zijn een ander gebied waar lenskwaliteit belangrijk is.

Door een groter diafragma kan meer licht de sensor bereiken.

Voor toepassingen zoals veiligheidstoezicht, buitenbewaking, robotica of voertuigcamera's kan dit bijzonder waardevol zijn.

Overweeg twee camera's die dezelfde sensor gebruiken.

Men gebruikt een lens met een relatief klein diafragma.

De andere maakt gebruik van een lens met een groter diafragma en een beter lichtopvangvermogen.

In een heldere omgeving is het verschil misschien niet dramatisch.

'S Nachts kan het veel duidelijker worden.

De tweede camera kan mogelijk een lager versterkingsniveau, een betere belichting en schonere beeldinformatie behouden.

Dat betekent niet dat de lens de ruiseigenschappen van de sensor heeft verbeterd.

Het betekent dat de lens de sensor om te beginnen een beter optisch signaal heeft gegeven.

En soms is dat het halve werk.

Waar een betere lens niet kan helpen

Het is belangrijk om dit niet te overdrijven.

Een betere lens heeft grenzen.

Als de sensor:

Slecht dynamisch bereik

Hoge leesruis

Lage kwantumefficiëntie

Beperkte kleurprestaties

Onvoldoende aantal pixels

de lens kan deze problemen niet volledig oplossen.

Op dezelfde manier kan een lens een sensor met een lage resolutie niet in een sensor met een hoge resolutie veranderen.

Er bestaat geen optisch equivalent van het in het geheim upgraden van de sensorfirmware.

Als iemand dat belooft, wees dan achterdochtig.

Bij goede optische engineering gaat het om het maximaliseren van de systeemprestaties, niet om het verrichten van wonderen.

De echte kans is systeemmatching

De interessantste vraag is niet:

“Wat is beter: de dure sensor of de dure lens?”

Het is:

“Hoe moeten de lens en de sensor op elkaar afgestemd worden?”

Dit is waar ervaren optisch ontwerp waardevol wordt.

Een lens moet worden beoordeeld op basis van de daadwerkelijke sensor:

Sensorformaat

Pixelgrootte

Actief beeldgebied

CRA-vereisten

Vereiste oplossing

Gezichtsveld

Apertuur

Beeldcirkel

Het gebruik van een lens met extreem hoge resolutie en een sensor met relatief lage resolutie kan bijvoorbeeld weinig praktisch voordeel opleveren.

Maar als je een slecht afgestemde lens met een capabele sensor gebruikt, kunnen er aanzienlijke prestaties op tafel blijven liggen.

De goede plek ligt ergens daartussenin.

Dit is waar kostenoptimalisatie interessant wordt

Voor camerafabrikanten kan dit een grote commerciële impact hebben.

Stel je voor dat een product een specifiek beeldkwaliteitsdoel moet behalen en tegelijkertijd binnen de strikte stuklijstkosten moet blijven.

De voor de hand liggende aanpak is vaak:

“Laten we een betere sensor kopen.”

Soms is dat het juiste antwoord.

Maar soms is het beter om naar het hele beeldvormingssysteem te kijken.

Zou een beter optisch ontwerp ervoor kunnen zorgen dat een goedkopere sensor het gewenste resultaat bereikt?

Zou een groter diafragma de prestaties bij weinig licht voldoende kunnen verbeteren om de noodzaak voor agressieve beeldverwerking te verminderen?

Kunnen betere randprestaties de AI-detectie verbeteren zonder de sensorresolutie te verhogen?

Zou een betere afstemming tussen sensor en lens de vereiste beeldkwaliteit kunnen opleveren zonder simpelweg meer megapixels toe te voegen?

Dit zijn veel interessantere technische vragen.

En ze kunnen een directe impact hebben op de productkosten.

Een goede lens kan een slimmere upgrade zijn

Dit is waarom wij bijBoshi-opticakijken vaak naar de camera als een compleet optisch systeem in plaats van de lens afzonderlijk te beoordelen.

Een beveiligingscamera, drone, autocamera, robot, industriële camera of medisch beeldapparaat kunnen totaal andere prioriteiten hebben.

De beste optische oplossing is niet noodzakelijk de duurste.

Het is degene die de sensor de juiste soort informatie voor de taak geeft.

Bij Boshi Optics omvat de optische ontwikkeling en productie toepassingen zoals beveiligingstoezicht, AI-visie, drones, beeldvorming in de automobielsector, medische apparatuur en andere beeldvormingssystemen. Deze toepassingsgerichte aanpak helpt ingenieurs bij het balanceren van resolutie, diafragma, gezichtsveld, grootte, vervorming en andere vereisten, in plaats van simpelweg de hoogste specificaties na te streven.

Kan een betere lens ervoor zorgen dat een goedkopere sensor beter presteert?

Ja, maar met een belangrijke kwalificatie.

Een betere lens verbetert de sensor fysiek niet.

Het doet iets realistischer:

Het kan de sensor helpen dichter bij zijn werkelijke potentieel te presteren.

Goede optica kan betere details, nuttiger licht, sterker contrast en een consistentere beeldkwaliteit voor de sensor opleveren.

Voor kostengevoelige cameraontwikkeling kan dat een hele slimme strategie zijn.

Omdat het antwoord soms niet is:

“Koop een duurdere sensor.”

Soms is het:

“Stop met het laten werken van de sensor met een middelmatige lens.”

En dat is een gesprek dat de moeite waard is voordat het volgende cameraproject in een stuklijst wordt vastgelegd.