Waarom asferische optica overal aanwezig is in moderne camera's
Als je een moderne cameralens uit elkaar haalt, is de kans groot dat je iets tegenkomt dat er net iets anders uitziet dan de andere optische elementen.
Het kan dikker zijn in het midden.
Het kan een ongebruikelijke kromming hebben.
En in tegenstelling tot een conventioneel sferisch lensoppervlak volgt de kromming ervan niet een eenvoudige bol.
Dit is eenasferisch lenselement.
Asferische optica wordt nu in alles aangetroffen, van smartphonecamera's en compacte beveiligingscamera's tot beeldsystemen voor auto's, drones, machine vision-camera's en professionele fotografische lenzen.
Dat was niet altijd het geval.
Dus wat is er veranderd?
Het korte antwoord is dat moderne camera's van lenzen vragen om veel meer te doen en tegelijkertijd kleiner te worden.
En de natuurkunde heeft er helaas niet mee ingestemd om dat gemakkelijk te maken.
Een sferische lens is eigenlijk een handig compromis
Laten we beginnen met de traditionele aanpak.
Een bolvormig lensoppervlak is gebaseerd op een bol.
Dat maakt het oppervlak relatief eenvoudig te vervaardigen.
Maar er is een probleem.
Lichtstralen die door verschillende delen van een sferische lens gaan, convergeren niet altijd op precies hetzelfde punt.
Stralen nabij de optische as en stralen die door het buitenste gedeelte van de lens gaan, kunnen anders scherpstellen.
Dit produceertsferische aberratie.
Het beeld wordt minder scherp, vooral als de lens met een groot diafragma wordt gebruikt.
U kunt meer optische elementen toevoegen om het probleem te compenseren.
En historisch gezien is dat precies wat lensontwerpers deden.
Maar nu heb je een ander probleem:
Meer elementen betekenen meer ruimte, meer gewicht, meer oppervlakken, meer complexiteit bij de productie en mogelijk meer kosten.
Uiteindelijk stelt iemand de voor de hand liggende vraag:
Waarom zou je de vorm van het lensoppervlak zelf niet veranderen?
Dat is waar asferische optica nuttig wordt.
Wat maakt een asferisch oppervlak anders?
Een bolvormig oppervlak heeft een constante kromtestraal.
Een asferisch oppervlak doet dat niet.
De kromming verandert geleidelijk van het midden naar de rand.
Dat klinkt misschien als een klein geometrisch verschil.
Optisch gezien is het uiterst nuttig.
Door de vorm van het oppervlak zorgvuldig te controleren, kunnen ontwerpers lichtstralen op een veel gecontroleerdere manier laten convergeren.
Hierdoor kan een asferisch element optische aberraties corrigeren waarvoor anders meerdere conventionele sferische elementen nodig zouden zijn.
In eenvoudige bewoordingen:
In plaats van meer glas toe te voegen om een probleem op te lossen, kun je soms de vorm van het glas veranderen.
Dat is een van de belangrijkste redenen waarom asferische optica zo belangrijk werd.
Het echte voordeel is niet alleen ‘scherper’
Mensen beschrijven asferische lenzen vaak als een manier om de scherpte te verbeteren.
Dat is waar, maar onvolledig.
Het grotere voordeel isoptische ontwerpvrijheid.
Een asferisch oppervlak kan ingenieurs helpen verschillende optische kenmerken te beheren, afhankelijk van het ontwerp.
Deze kunnen het volgende omvatten:
Sferische aberratie
Coma
Astigmatisme
Vervorming
Prestaties op het terrein
Totale lensgrootte
Dit is enorm belangrijk bij compactcamera's.
Moderne cameramodules moeten vaak in zeer krappe mechanische ruimtes passen en toch het volgende bieden:
Breed gezichtsveld
Grote openingen
Hoge resolutie
Goede randprestaties
Proberen dit allemaal te bereiken met alleen conventionele bolvormige elementen kan uiterst moeilijk worden.
Asferische optica geeft de ontwerper een ander hulpmiddel.
En soms kan één goed ontworpen asferisch oppervlak het werk doen dat verschillende conventionele oppervlakken anders zouden moeten verrichten.
Waarom groothoekcamera's van asferische optica houden
Groothoeklenzen zijn bijzonder uitdagend.
Naarmate het gezichtsveld groter wordt, komt het licht vanuit steeds verschillende hoeken het optische systeem binnen.
Het wordt moeilijker om die stralen onder controle te houden.
Vervorming wordt moeilijker te beheersen.
Edge-prestaties worden moeilijker te handhaven.
Dit is een van de redenen waarom asferische elementen zo vaak voorkomen in groothoekcamera-ontwerpen.
Overweeg een compacte beveiligingscamera.
De fabrikant wil mogelijk een breed gezichtsveld, kleine lensafmetingen, hoge resolutie en goede prestaties bij weinig licht.
Deze eisen trekken het optische ontwerp in verschillende richtingen.
Een grotere opening helpt licht te verzamelen.
Een breder gezichtsveld vergroot de dekking.
Een kleiner pakket helpt de productintegratie.
Maar al deze beslissingen zorgen voor optische uitdagingen.
Asferische oppervlakken kunnen ontwerpers helpen een werkbaar evenwicht te vinden.
Waarom smartphones asferische optica nog belangrijker maakten
Smartphones zijn waarschijnlijk het gemakkelijkst te begrijpen voorbeeld.
Een smartphonecamera is klein.
Toch verwachten fabrikanten dat de camera beelden oplevert die twintig jaar geleden met een veel grotere camera opmerkelijk zouden hebben geleken.
Er is eenvoudigweg niet genoeg fysieke ruimte om elk optisch probleem op te lossen door grote aantallen conventionele glaselementen toe te voegen.
De oplossing is een sterk geoptimaliseerd optisch ontwerp.
Asferische oppervlakken kunnen aanzienlijke correctie bieden binnen een zeer compact pakket.
Hetzelfde principe is van toepassing op andere miniatuurbeeldvormingssystemen.
Beveiligingscamera's, embedded vision-modules, autocamera's, drones, robots en slimme apparaten staan allemaal onder dezelfde druk:
Meer optische prestaties in minder fysieke ruimte.
Maar asferisch betekent niet ‘automatisch beter’
Dit is een belangrijk punt.
Een asferisch lenselement is niet automatisch superieur aan een sferisch lenselement.
Het is een ontwerptool.
Een slecht ontworpen asferisch oppervlak kan nog steeds slechte optische prestaties opleveren.
En het gebruik van een asferisch element elimineert niet de noodzaak om:
Chromatische aberratie
Vervorming
Fabriekstoleranties
Uitlijning
Coatingprestaties
Thermisch gedrag
Het hele optische systeem moet nog samenwerken.
Asferische oppervlakken kunnen de productie en kwaliteitscontrole soms zelfs veeleisender maken, omdat de oppervlaktegeometrie complexer is.
De echte prestatie is dus niet simpelweg:
“We gebruikten een asferische lens.”
Het is:
“We hebben de juiste optische geometrie gebruikt om het juiste probleem op te lossen.”
Productie is waar de theorie interessant wordt
Er is een groot verschil tussen het ontwerpen van een asferisch oppervlak op een computer en het consequent vervaardigen van duizenden daarvan.
Het benodigde oppervlakteprofiel moet nauwkeurig worden vervaardigd.
Het element moet dan correct worden gemonteerd.
Zelfs een goed optisch ontwerp kan aan prestaties inboeten als de productietoleranties slecht worden gecontroleerd.
Dit is de reden waarom optische fabrikanten zoalsBoshi-opticamoeten ontwerp en productie samen overwegen.
Moderne optische productie kan precisiegieten, verwerking van optische componenten, assemblage, dimensionale inspectie en testen van optische prestaties omvatten.
Hoe veeleisender het optische oppervlak, hoe belangrijker procescontrole wordt.
De grotere reden waarom asferische optica overal aanwezig is
Dus waarom zien we asferische optica in zoveel moderne camera's?
Omdat camera's zijn geëvolueerd.
Ze zijn kleiner.
Sensoren zijn capabeler.
Het gezichtsveld is breder.
Openingen zijn groter.
De resolutievereisten zijn hoger.
En camera's worden in steeds beperktere omgevingen geplaatst.
Een drone kan geen enorme lens dragen.
Een robot heeft compacte vision-modules nodig.
Een voertuig heeft camera's nodig die in zorgvuldig ontworpen behuizingen passen.
Een smartphone heeft bijna geen ruimte meer.
Asferische optica geeft optische ingenieurs een andere mate van vrijheid om deze problemen op te lossen.
Ze zijn geen magisch ingrediënt.
Ze zijn simpelweg een van de nuttigste hulpmiddelen waarover moderne optische ontwerpers beschikken.
En als je bedenkt hoeveel we nu van zulke kleine camera's vragen, moeten we er waarschijnlijk dankbaar voor zijn.
