Wat gebeurt er met een cameralens voordat deze de sensor bereikt?
Maak een foto.
Het voelt onmiddellijk.
Licht komt de camera binnen, de sensor vangt het op en op de een of andere manier verschijnt er een beeld op je scherm.
Simpel, toch?
Nou ja, vanuit het perspectief van een optisch ingenieur niet helemaal.
Tussen de werkelijkheid en de kleine pixels op de beeldsensor moet licht een verrassend ingewikkelde reis maken. Het wordt gebroken, gefocust, gedeeltelijk gereflecteerd, geabsorbeerd, vervormd en hopelijk – na dat alles – op de juiste plaats afgeleverd met voldoende contrast om bruikbaar te zijn.
Dat laatste deel is waar een goedcameralensverdient zijn geld.
Mensen stellen zich een lens soms voor als een stuk glas waarvan de enige taak is om ‘het beeld scherp te stellen’.
Die beschrijving is technisch gezien waar, op ongeveer dezelfde manier als het zeggen van een Formule 1-auto ‘een voertuig met vier wielen’ waar is.
Er is aanzienlijk meer aan de hand.
Het begint allemaal met licht vanaf de scène
Voordat de lens iets doet, is er de scène zelf.
Elk object voor de camera reflecteert of straalt licht uit. Dat licht reist vanuit verschillende richtingen en met verschillende golflengten naar de camera.
Een rode auto stuurt bijvoorbeeld niet simpelweg ‘rood licht’ in één nette straal naar de camera. Licht komt vanuit verschillende delen van het voertuig, vanuit verschillende hoeken en met verschillende intensiteiten.
De lens moet deze chaotische verzameling lichtstralen omzetten in een beeld.
Dat is in wezen de taak van het optische systeem:
Neem licht dat uit verschillende richtingen komt en laat het een gecontroleerd beeld vormen op de sensor.
En meteen is er een probleem.
Licht gedraagt zich van nature niet zoals ingenieurs dat zouden willen.
Wanneer licht van lucht naar glas gaat, verandert de richting ervan. Wanneer het door een ander optisch element gaat, verandert het opnieuw.
Dit wordt refractie genoemd.
Door de vorm en het materiaal van elk optisch element zorgvuldig te selecteren, gebruiken lensontwerpers dit gedrag om te bepalen waar de stralen uiteindelijk samenkomen.
Daarom kan een cameralens meerdere optische elementen bevatten in plaats van één simpel stukje glas.
De lens is niet één lens
Kijk naar een moderne cameralens en je ziet misschien een klein cilindervormig voorwerp.
Binnenin kunnen er echter meerdere optische elementen zijn.
Elk element heeft een taak.
Sommigen helpen het beeld scherp te stellen. Anderen corrigeren afwijkingen. Sommige verbeteren de randprestaties. Sommige helpen vervorming of chromatische aberratie onder controle te houden.
Het interessante is dat deze elementen niet onafhankelijk werken.
Ze werken als een systeem.
Een ontwerper kan de kromming van een element veranderen en vervolgens een ander element moeten aanpassen om het effect te compenseren.
Verander het diafragma en het optische gedrag kan weer veranderen.
Maak de lens kleiner en het ontwerp wordt moeilijker.
Vergroot het gezichtsveld en vervorming wordt moeilijker te beheersen.
Eis F1.0-prestaties en de optische ontwerper krijgt er gratis nog een kopzorg bij.
Dit is de reden waarom optisch ontwerp fundamenteel een oefening in compromissen is.
Je kunt zelden alles tegelijkertijd maximaliseren.
Dan komt het diafragma
Ergens in het optische systeem bevindt zich het diafragma.
Je kunt het diafragma zien als de ‘poortwachter’ die bepaalt hoeveel licht de lens binnenkomt.
Een F1.0-lens heeft een zeer grote relatieve opening, waardoor aanzienlijk meer licht in het optische systeem binnenkomt dan een lens met een kleinere opening.
Dit wordt vooral belangrijk bij beeldvorming bij weinig licht.
Maar er is een addertje onder het gras.
Een groter diafragma betekent niet simpelweg ‘beter’.
Wanneer u het diafragma opent, zijn er meer stralen uit de buitenste delen van het optische systeem betrokken bij het vormen van het beeld. Deze stralen zijn over het algemeen moeilijker te controleren.
Als gevolg hiervan kunnen afwijkingen meer opvallen.
Dit is een van de redenen waarom het ontwerpen van een hoogwaardige F1.0-lens veel uitdagender is dan simpelweg het diafragma fysiek groter maken.
Voor toepassingen zoals nachtbewaking kan de afweging echter de moeite waard zijn.
Wanneer het beschikbare licht beperkt is, kan het verzamelen van meer licht het verschil maken tussen een nuttig beeld en een beeld met veel ruis.
Niet elke straal arriveert op dezelfde manier bij de sensor
Hier is een detail dat vooral belangrijk wordt bij het selecteren van een lens voor een moderne beeldsensor:
De hoek waaronder licht de sensor bereikt, is van belang.
Ingenieurs praten vaak over deChief Ray Angle, of CRA.
In eenvoudige bewoordingen beschrijft CRA de hoek waaronder de hoofdstraal verschillende delen van de sensor bereikt.
Waarom zouden we ons zorgen maken?
Omdat moderne beeldsensoren niet simpelweg platte stukjes lichtgevoelig materiaal zijn die geduldig wachten tot iets ze raakt.
Boven de fotodiodes bevinden zich microscopische structuren, inclusief microlenzen en andere lagen.
Als binnenkomend licht onder een ongeschikte hoek binnenkomt, vooral in de richting van de rand van de sensor, gebruikt de sensor dat licht mogelijk niet zo efficiënt als verwacht.
Dit is een van de redenen waarom het matchen van lenzen en sensoren belangrijk is.
Een lens kan de juiste brandpuntsafstand en sensorformaat hebben en toch geen ideale optische match zijn.
De beeldcirkel: zal de lens daadwerkelijk de sensor bedekken?
Hier is nog een verrassend veel voorkomend probleem.
Een lens produceert een beeldcirkel.
De sensor bevindt zich binnen die beeldcirkel en gebruikt het gedeelte dat op zijn actieve gebied valt.
Als de beeldcirkel te klein is, ontvangen de hoeken van de sensor mogelijk niet voldoende beeldinformatie.
Het resultaat kan vignettering of zelfs zichtbare donkere hoeken zijn.
Dit is de reden waarom het sensorformaat belangrijk is.
Een lens die is ontworpen voor een kleinere sensor kan niet zomaar op een veel grotere sensor worden bevestigd en naar verwachting perfect presteren.
Je zou de twee fysiek met elkaar kunnen verbinden.
Optisch gezien kan de relatie echter wat minder coöperatief zijn.
Dit is ook de reden waarom ingenieurs naar de daadwerkelijke sensorafmetingen kijken in plaats van alleen te vertrouwen op labels als ‘1/2,7-inch’ of ‘1/1,8-inch’.
Deze formaatnamen zijn een nuttige afkorting, maar uiteindelijk zijn het daadwerkelijke actieve gebied en de optische vereisten van belang.
En dan zijn er afwijkingen
Hier wordt optische techniek een beetje minder glamoureus.
Licht dat door een echte lens valt, focust niet altijd precies daar waar we het willen hebben.
Verschillende golflengten kunnen zich verschillend gedragen.
Stralen die door verschillende delen van een lens gaan, kunnen ook anders scherpstellen.
Hierdoor ontstaan verschillende optische aberraties.
Chromatische aberratie kan kleurranden veroorzaken.
Sferische aberratie kan de beeldscherpte verminderen.
Astigmatisme kan invloed hebben op de manier waarop fijne details worden gereproduceerd.
Coma kan ervoor zorgen dat puntachtige objecten er vervormd uitzien, vooral aan de randen.
En veldkromming betekent dat het vlak met de beste focus zich mogelijk niet gedraagt zoals de perfect vlakke sensoringenieurs zouden willen.
Geen van deze problemen klinkt bijzonder opwindend.
Maar het zijn precies het soort dingen die bepalen of een lens een scherp beeld produceert of iets dat verdacht veel lijkt alsof er een bril voor nodig is.
Bij modern optisch ontwerp gaat het grotendeels om het beheersen van deze onvolkomenheden.
Het beeld is niet overal even scherp
Dit brengt ons bij een van de grootste misverstanden over lensresolutie.
Een lens presteert niet noodzakelijkerwijs even goed in het midden als aan de rand.
Het midden van het beeld is meestal gemakkelijker te controleren.
Naarmate u dichter bij de rand komt, kunnen de optische prestaties afnemen.
Dit is vooral belangrijk bij groothoeklenzen.
Stel je een bewakingscamera voor die een parkeerplaats in de gaten houdt.
Het midden van het beeld kan extreem scherp zijn.
Maar wat gebeurt er als een voertuig vanaf de zijkant binnenkomt?
Als de randresolutie slecht is, kan de camera technisch gezien een sensor met hoge resolutie hebben, terwijl hij veel minder nuttige details weergeeft waar dat er toe doet.
Dit is de reden waarom optische ingenieurs kijken naar MTF-prestaties over het hele beeldveld, in plaats van simpelweg te vragen of een lens “4 MP” of “8 MP” is.
Het aantal pixels vertelt je wat de sensor kan meten.
MTF helpt u te vertellen hoe effectief het optische systeem details in die pixels kan weergeven.
Voordat het licht eindelijk de sensor bereikt
Zelfs nadat het door de lenselementen, het diafragma en de optische correcties is gegaan, kan het licht aanvullende componenten tegenkomen.
Afhankelijk van het cameraontwerp kan het optische pad het volgende omvatten:
Beschermende ramen
IR-cut-filters
Sensorafdekglas
Laagdoorlaatfilters
Andere optische coatings of structuren
Elk extra oppervlak kan het optische systeem beïnvloeden.
Reflectie kan de transmissie verminderen.
Slechte coatings kunnen overstraling of nevenbeelden vergroten.
De dikte en brekingseigenschappen van componenten vóór de sensor kunnen ook de focus en optische prestaties beïnvloeden.
Dit is vooral belangrijk bij compactcamerasystemen waarbij alles in een zeer kleine ruimte is verpakt.
De optisch ontwerper kan niet simpelweg zeggen:
“Dat is het probleem van de sensorfabrikant.”
De hele optische stapel is van belang.
Eindelijk bereikt het licht de sensor
Na al deze interacties bereikt het licht uiteindelijk de beeldsensor.
De sensor zet binnenkomende fotonen om in elektrische signalen.
Op dit punt lijkt het misschien dat de lens zijn werk heeft gedaan.
Eigenlijk kun je hier eindelijk zien of de lens zijn werk goed heeft gedaan.
Als het optische systeem wordt geleverd:
Voldoende licht
Goed contrast
Fijne details
Gecontroleerde aberraties
Goede straalhoeken
Voldoende beelddekking
de sensor heeft nuttige informatie om mee te werken.
Als dat niet het geval is, heeft het beeldverwerkingssysteem een moeilijk probleem.
Ruisonderdrukking kan ruis verminderen.
Door te slijpen kunnen de randen worden verbeterd.
AI-algoritmen kunnen afbeeldingen verbeteren.
Maar software kan optische informatie die nooit is vastgelegd niet perfect herstellen.
Daarom blijft optische kwaliteit belangrijk, ook al wordt computationele beeldvorming steeds geavanceerder.
Waarom lens- en sensorselectie samen moeten gebeuren
Dit is waarschijnlijk de praktijkles die ik het sterkst zou benadrukken.
Kies niet eerst een sensor en vraag dan terloops:
“Welke lens kunnen we erop zetten?”
Bij veel projecten moet de lens- en sensorselectie samen worden overwogen.
De ingenieur moet de relatie begrijpen tussen:
Sensor + lens + diafragma + gezichtsveld + beeldverwerking + verlichting
Een verandering in één onderdeel kan gevolgen hebben voor de andere.
Een kleinere pixelgrootte kan de vereisten voor optische resolutie verhogen.
Een breder gezichtsveld kan de uitdagingen op het gebied van vervorming en randprestaties vergroten.
Een groter diafragma kan de prestaties bij weinig licht verbeteren, terwijl de beheersing van aberratie moeilijker wordt.
Een andere sensor kan de CRA-vereisten veranderen.
Daarom stellen ervaren optische leveranciers vaak verrassend gedetailleerde vragen voordat ze een lens aanbevelen.
Het is niet omdat ze van papierwerk houden.
Meestal proberen ze te vermijden iets aan te bevelen dat er op papier perfect uitziet en je teleurstelt als het op de daadwerkelijke camera is aangesloten.
Het optische pad is in werkelijkheid een keten van beslissingen
Als je eenmaal begrijpt wat er tussen de scène en de sensor gebeurt, wordt één ding duidelijk:
Een cameralens is niet alleen maar ‘het focusseren van licht’.
Het is het beheren van licht.
Elk optisch oppervlak, elke kromming, elke afstand, elke coating en elke mechanische tolerantie beïnvloedt het uiteindelijke beeld.
De lens moet voldoende licht opvangen.
Het moet dat licht correct richten.
Het moet afwijkingen onder controle houden.
Het moet voldoende resolutie bieden.
Het moet overeenkomen met de sensor.
En idealiter moet het dit allemaal duizenden of miljoenen keren doen met consistente prestaties.
Daarom kan een kleine cameralens een indrukwekkende hoeveelheid techniek bevatten.
Bij Boshi Optics worden optische oplossingen ontwikkeld voor toepassingen variërend van beveiligingstoezicht en AI-visie tot drones, beeldvorming in de automobielsector, medische apparatuur en andere beeldvormingssystemen. De productiemogelijkheden van het bedrijf omvatten de verwerking van optische componenten, precisiegieten, spuitgieten, lensassemblage en optische testen.
Het uiteindelijke beeld ziet er misschien eenvoudig uit.
De reis die het heeft gecreëerd is allesbehalve.
Nog een laatste manier om erover na te denken
De volgende keer dat u naar een cameraspecificatie kijkt en het volgende ziet:
8 MP-sensor
Stel je niet meteen acht miljoen kleine details voor.
Stel je acht miljoen mogelijkheden voor om informatie vast te leggen.
Vraag dan:
Wat heeft de lens hen eigenlijk opgeleverd?
Die vraag ligt veel dichter bij de kern van optische engineering.
Omdat de sensor het beeld registreert.
Maar voordat de sensor iets kan opnemen, moet de lens het iets geven dat de moeite waard is om op te nemen.
