จะเกิดอะไรขึ้นกับเลนส์กล้องก่อนที่จะถึงเซนเซอร์?

ถ่ายรูป.

มันรู้สึกได้ทันที

แสงเข้าสู่กล้อง เซ็นเซอร์จะจับภาพ และภาพก็ปรากฏบนหน้าจอของคุณ

ง่ายใช่มั้ย?

จากมุมมองของวิศวกรด้านแสงนั้นยังไม่ใช่เลย

ระหว่างฉากในโลกแห่งความเป็นจริงและพิกเซลเล็กๆ บนเซนเซอร์ภาพ แสงจะต้องผ่านการเดินทางที่ซับซ้อนอย่างน่าประหลาดใจ มันถูกหักเห เน้น สะท้อนบางส่วน ดูดซึม บิดเบี้ยว และหวังว่าจะส่งไปยังที่ที่ถูกต้องโดยมีความเปรียบต่างเพียงพอที่จะเป็นประโยชน์

ส่วนสุดท้ายนั้นเป็นสิ่งที่ดีเลนส์กล้องได้รับเงิน

บางครั้งผู้คนมักจินตนาการว่าเลนส์เปรียบเสมือนกระจกซึ่งมีหน้าที่เพียงอย่างเดียวคือ "โฟกัสภาพ"

คำอธิบายนั้นเป็นจริงในทางเทคนิคในลักษณะเดียวกับที่บอกว่ารถฟอร์มูล่า 1 คือ "รถสี่ล้อ" นั้นเป็นเรื่องจริง

มีเรื่องเกิดขึ้นอีกมาก

ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยแสงจากฉาก

ก่อนที่เลนส์จะทำอะไร ก็มีฉากนั้นอยู่แล้ว

วัตถุทุกชิ้นที่อยู่หน้ากล้องสะท้อนแสงหรือเปล่งแสง แสงนั้นเคลื่อนที่เข้าหากล้องจากทิศทางที่ต่างกันและด้วยความยาวคลื่นที่ต่างกัน

ตัวอย่างเช่น รถสีแดงไม่เพียงแต่ส่ง “แสงสีแดง” ไปที่กล้องด้วยลำแสงที่เรียบร้อยเพียงเส้นเดียวเท่านั้น แสงมาจากส่วนต่างๆ ของยานพาหนะ จากมุมที่ต่างกัน และมีความเข้มต่างกัน

เลนส์จะต้องนำคอลเลกชันของรังสีแสงที่วุ่นวายนี้มาจัดเป็นภาพ

นั่นคือหน้าที่หลักของระบบออปติคัล:

นำแสงที่มาจากทิศทางต่างๆ มาสร้างเป็นภาพควบคุมบนเซ็นเซอร์

และเกิดปัญหาขึ้นทันที

แสงไม่ได้ทำงานตามธรรมชาติตามที่วิศวกรต้องการ

เมื่อแสงส่องผ่านจากอากาศเข้าสู่กระจก ทิศทางของแสงก็จะเปลี่ยนไป เมื่อมันผ่านองค์ประกอบแสงอื่น มันจะเปลี่ยนอีกครั้ง

สิ่งนี้เรียกว่าการหักเห

ด้วยการเลือกรูปร่างและวัสดุของชิ้นเลนส์แต่ละชิ้นอย่างระมัดระวัง นักออกแบบเลนส์จึงใช้พฤติกรรมนี้เพื่อควบคุมตำแหน่งที่รังสีจะมาบรรจบกันในที่สุด

นั่นคือเหตุผลที่เลนส์กล้องสามารถประกอบด้วยองค์ประกอบทางแสงหลายชิ้น แทนที่จะเป็นกระจกธรรมดาชิ้นเดียว

เลนส์ไม่ใช่เลนส์เดียว

มองดูเลนส์กล้องสมัยใหม่แล้วคุณอาจเห็นวัตถุทรงกระบอกเล็กๆ

อย่างไรก็ตาม ภายในอาจมีองค์ประกอบทางแสงได้หลายรายการ

แต่ละองค์ประกอบมีงาน

บ้างก็ช่วยโฟกัสภาพ คนอื่นแก้ไขความคลาดเคลื่อน บางส่วนปรับปรุงประสิทธิภาพของขอบ บางส่วนช่วยควบคุมการบิดเบือนหรือความคลาดเคลื่อนสี

ส่วนที่น่าสนใจคือองค์ประกอบเหล่านี้ไม่ได้ทำงานแยกกัน

พวกเขาทำงานเป็นระบบ

นักออกแบบอาจเปลี่ยนความโค้งขององค์ประกอบหนึ่งแล้วจำเป็นต้องปรับองค์ประกอบอื่นเพื่อชดเชยเอฟเฟกต์

เปลี่ยนรูรับแสงและพฤติกรรมทางแสงสามารถเปลี่ยนได้อีกครั้ง

ทำให้เลนส์มีขนาดเล็กลงและการออกแบบก็ยากขึ้น

เพิ่มขอบเขตการมองเห็นและการบิดเบือนจะควบคุมได้ยากขึ้น

ต้องการประสิทธิภาพ F1.0 และนักออกแบบด้านออพติคัลก็ปวดหัวไปอีกแบบฟรีๆ

นี่คือเหตุผลว่าทำไมการออกแบบด้านการมองเห็นจึงเป็นการฝึกประนีประนอมโดยพื้นฐาน

คุณแทบจะไม่สามารถขยายทุกอย่างให้สูงสุดพร้อมกันได้

จากนั้นก็มาถึงรูรับแสง

ที่ไหนสักแห่งภายในระบบออปติคัลคือรูรับแสง

คุณสามารถนึกถึงรูรับแสงในฐานะ "ผู้ดูแลประตู" ที่ควบคุมปริมาณแสงที่เข้าสู่เลนส์

เลนส์ F1.0 มีรูรับแสงสัมพัทธ์ที่ใหญ่มาก ช่วยให้แสงเข้าสู่ระบบออพติคอลได้มากกว่าเลนส์ที่มีรูรับแสงเล็กกว่ามาก

สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการถ่ายภาพที่มีแสงน้อย

แต่มีการจับเป็น

รูรับแสงที่ใหญ่ขึ้นไม่ได้เพียงแต่หมายความว่า “ดีขึ้น”

เมื่อคุณเปิดรูรับแสงกว้างขึ้น รังสีจากส่วนนอกของระบบออพติคอลจะเข้ามาเกี่ยวข้องในการสร้างภาพ โดยทั่วไปแล้วรังสีเหล่านี้ควบคุมได้ยากกว่า

ผลที่ได้คือความคลาดเคลื่อนจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

นี่คือเหตุผลหนึ่งที่การออกแบบเลนส์ F1.0 ประสิทธิภาพสูงจึงมีความท้าทายมากกว่าการเพิ่มขนาดรูรับแสงให้ใหญ่ขึ้น

อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานเช่นการเฝ้าระวังตอนกลางคืน การแลกเปลี่ยนอาจคุ้มค่า

เมื่อแสงที่มีอยู่มีจำกัด การรวบรวมแสงมากขึ้นสามารถสร้างความแตกต่างระหว่างภาพที่มีประโยชน์กับภาพที่มีสัญญาณรบกวนได้

ไม่ใช่ว่ารังสีทุกตัวจะมาถึงเซนเซอร์ในลักษณะเดียวกัน

ต่อไปนี้เป็นรายละเอียดที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในการเลือกเลนส์สำหรับเซนเซอร์ภาพสมัยใหม่:

มุมที่แสงตกกระทบเซนเซอร์มีความสำคัญ

วิศวกรมักพูดถึงเรื่องหัวหน้าเรย์ แองเกิล หรือ CRA

กล่าวง่ายๆ ก็คือ CRA อธิบายมุมของรังสีหลักที่ไปถึงบริเวณต่างๆ ของเซนเซอร์

ทำไมเราจึงควรใส่ใจ?

เพราะเซ็นเซอร์รับภาพสมัยใหม่ไม่ใช่เพียงชิ้นส่วนแบนๆ ของวัสดุไวต่อแสงที่รอให้สิ่งใดมาโดนอย่างอดทน

มีโครงสร้างระดับจุลภาคอยู่เหนือโฟโตไดโอด รวมถึงไมโครเลนส์และชั้นอื่นๆ

หากแสงที่เข้ามามาถึงในมุมที่ไม่เหมาะสม โดยเฉพาะบริเวณขอบของเซนเซอร์ เซนเซอร์อาจใช้แสงนั้นอย่างมีประสิทธิภาพไม่ได้ตามที่คาดไว้

นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่การจับคู่เลนส์และเซ็นเซอร์มีความสำคัญ

เลนส์สามารถมีทางยาวโฟกัสและรูปแบบเซ็นเซอร์ที่ถูกต้อง แต่ยังไม่สามารถจับคู่ทางแสงในอุดมคติได้

วงกลมภาพ: เลนส์จะบังเซ็นเซอร์จริงหรือไม่

นี่เป็นอีกปัญหาที่พบบ่อยอย่างน่าประหลาดใจ

เลนส์จะสร้างวงกลมภาพ

เซ็นเซอร์จะอยู่ภายในวงกลมภาพนั้นและใช้ส่วนที่ตกบนพื้นที่ทำงาน

หากวงกลมภาพเล็กเกินไป มุมของเซนเซอร์อาจรับข้อมูลภาพไม่เพียงพอ

ผลลัพธ์ที่ได้อาจเป็นขอบมืดหรือแม้แต่มุมมืดที่มองเห็นได้

นี่คือเหตุผลว่าทำไมรูปแบบเซ็นเซอร์จึงมีความสำคัญ

เลนส์ที่ออกแบบมาสำหรับเซนเซอร์ขนาดเล็กไม่สามารถติดเข้ากับเซนเซอร์ขนาดใหญ่กว่ามากและคาดว่าจะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ

คุณอาจเชื่อมต่อทั้งสองทางร่างกาย

อย่างไรก็ตาม ในทางสายตาแล้ว ความสัมพันธ์อาจจะค่อนข้างให้ความร่วมมือน้อย

นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมวิศวกรจึงพิจารณาขนาดเซ็นเซอร์จริงแทนที่จะอาศัยเพียงฉลาก เช่น “1/2.7 นิ้ว” หรือ “1/1.8 นิ้ว”

ชื่อรูปแบบเหล่านั้นเป็นเพียงการจดชวเลขที่มีประโยชน์ แต่พื้นที่ใช้งานจริงและข้อกำหนดด้านการมองเห็นคือสิ่งสำคัญในท้ายที่สุด

แล้วก็มีความผิดปกติ

นี่คือจุดที่วิศวกรรมด้านแสงดูมีเสน่ห์น้อยลงเล็กน้อย

แสงที่ส่องผ่านเลนส์จริงไม่ได้โฟกัสตรงตำแหน่งที่เราต้องการเสมอไป

ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันสามารถทำงานแตกต่างกันได้

รังสีที่ผ่านส่วนต่างๆ ของเลนส์อาจมีการโฟกัสที่แตกต่างกัน

สิ่งนี้จะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนทางแสงต่างๆ

ความคลาดเคลื่อนสีอาจทำให้เกิดขอบสีได้

ความคลาดเคลื่อนทรงกลมสามารถลดความคมชัดของภาพได้

อาการสายตาเอียงอาจส่งผลต่อการสร้างรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ

อาการโคม่าอาจทำให้วัตถุที่มีลักษณะคล้ายจุดมีลักษณะบิดเบี้ยว โดยเฉพาะบริเวณขอบ

และความโค้งของสนามหมายความว่าระนาบที่มีการโฟกัสที่ดีที่สุดอาจไม่ทำงานเหมือนกับที่วิศวกรเซ็นเซอร์แบบแบนราบสมบูรณ์แบบต้องการ

ไม่มีปัญหาเหล่านี้ฟังดูน่าตื่นเต้นเป็นพิเศษ

แต่สิ่งเหล่านี้คือสิ่งที่กำหนดว่าเลนส์จะให้ภาพที่คมชัดหรือเป็นสิ่งที่ดูน่าสงสัยราวกับต้องใช้แว่นตา

การออกแบบด้านการมองเห็นสมัยใหม่ส่วนใหญ่เกี่ยวกับการควบคุมจุดบกพร่องเหล่านี้

ภาพไม่คมชัดเท่ากันทุกที่

สิ่งนี้นำเราไปสู่ความเข้าใจผิดที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งเกี่ยวกับความละเอียดของเลนส์

เลนส์ไม่จำเป็นต้องทำงานได้ดีเท่ากันที่บริเวณกึ่งกลางและที่ขอบ

โดยปกติแล้วจุดกึ่งกลางของภาพจะควบคุมได้ง่ายกว่า

เมื่อคุณเคลื่อนไปยังขอบ ประสิทธิภาพด้านการมองเห็นอาจลดลง

นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเลนส์มุมกว้าง

ลองนึกภาพกล้องวงจรปิดที่คอยติดตามลานจอดรถ

ตรงกลางภาพอาจมีความคมชัดมาก

แต่จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีรถเข้ามาจากด้านข้าง?

หากความละเอียดขอบไม่ดี ในทางเทคนิคแล้วกล้องอาจมีเซ็นเซอร์ความละเอียดสูงในขณะที่ให้รายละเอียดที่มีประโยชน์น้อยกว่ามากในส่วนที่สำคัญ

นี่คือเหตุผลที่วิศวกรด้านออพติคัลดูประสิทธิภาพของ MTF ทั่วทั้งขอบเขตภาพ แทนที่จะถามว่าเลนส์มี “4MP” หรือ “8MP”

จำนวนพิกเซลจะบอกคุณว่าเซ็นเซอร์สามารถสุ่มตัวอย่างอะไรได้บ้าง

MTF ช่วยบอกคุณว่าระบบออปติคัลสามารถส่งรายละเอียดไปยังพิกเซลเหล่านั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด

ก่อนที่แสงจะไปถึงเซ็นเซอร์ในที่สุด

แม้หลังจากผ่านชิ้นเลนส์ รูรับแสง และการแก้ไขแสงแล้ว แสงก็อาจพบส่วนประกอบเพิ่มเติมได้

เส้นทางแสงอาจรวมถึง: ขึ้นอยู่กับการออกแบบของกล้อง

หน้าต่างป้องกัน

ฟิลเตอร์ตัด IR

กระจกครอบเซ็นเซอร์

ตัวกรองผ่านความถี่ต่ำ

การเคลือบหรือโครงสร้างเชิงแสงอื่นๆ

พื้นผิวเพิ่มเติมแต่ละอย่างสามารถส่งผลต่อระบบออปติกได้

การสะท้อนกลับสามารถลดการส่งสัญญาณได้

การเคลือบที่ไม่ดีอาจเพิ่มแสงแฟลร์หรือแสงโกสต์ได้

ความหนาและการหักเหของแสงของส่วนประกอบด้านหน้าเซนเซอร์ยังส่งผลต่อประสิทธิภาพโฟกัสและออพติคอลอีกด้วย

สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบกล้องคอมแพคที่ทุกอย่างถูกบรรจุไว้ในพื้นที่ขนาดเล็กมาก

นักออกแบบด้านการมองเห็นไม่สามารถพูดง่ายๆ ว่า:

“นั่นคือปัญหาของผู้ผลิตเซ็นเซอร์”

ออปติคัลสแต็กทั้งหมดมีความสำคัญ

ในที่สุดแสงก็ไปถึงเซนเซอร์

หลังจากการโต้ตอบทั้งหมดนี้ ในที่สุดแสงก็ไปถึงเซนเซอร์ภาพ

เซ็นเซอร์จะแปลงโฟตอนที่เข้ามาเป็นสัญญาณไฟฟ้า

เมื่อถึงจุดนี้อาจดูเหมือนว่าเลนส์ทำงานเสร็จแล้ว

จริงๆ แล้ว นี่คือจุดที่คุณสามารถดูได้ว่าเลนส์ทำงานได้ดีหรือไม่

หากระบบออพติคอลส่งมอบ:

มีแสงสว่างเพียงพอ

ความเปรียบต่างที่ดี

รายละเอียดปลีกย่อย

ความคลาดเคลื่อนที่ควบคุมได้

มุมรังสีที่เหมาะสม

 ความครอบคลุมของภาพเพียงพอ

เซ็นเซอร์มีข้อมูลที่เป็นประโยชน์ในการทำงานด้วย

ถ้าไม่อย่างนั้น ระบบประมวลผลภาพก็จะมีปัญหาหนักใจตามมา

การลดเสียงรบกวนสามารถลดเสียงรบกวนได้

การเหลาสามารถเพิ่มขอบได้

อัลกอริธึม AI สามารถปรับปรุงรูปภาพได้

แต่ซอฟต์แวร์ไม่สามารถกู้คืนข้อมูลออปติคัลที่ไม่เคยบันทึกได้อย่างสมบูรณ์แบบ

นั่นคือเหตุผลที่คุณภาพออพติคอลยังคงมีความสำคัญ แม้ว่าการถ่ายภาพด้วยคอมพิวเตอร์จะมีความซับซ้อนมากขึ้นก็ตาม

เหตุใดการเลือกเลนส์และเซ็นเซอร์จึงควรเกิดขึ้นพร้อมกัน

นี่อาจเป็นบทเรียนเชิงปฏิบัติที่ผมจะเน้นย้ำอย่างยิ่ง

อย่าเลือกเซ็นเซอร์ก่อนแล้วค่อยถาม:

“เราจะใส่เลนส์ตัวไหนได้บ้าง”

สำหรับหลายโครงการ ควรพิจารณาการเลือกเลนส์และเซ็นเซอร์ร่วมกัน

วิศวกรจำเป็นต้องเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่าง:

เซนเซอร์ + เลนส์ + รูรับแสง + มุมมอง + การประมวลผลภาพ + การจัดแสง

การเปลี่ยนแปลงส่วนหนึ่งอาจส่งผลต่อส่วนอื่นๆ ได้

ขนาดพิกเซลที่เล็กลงสามารถเพิ่มข้อกำหนดด้านความละเอียดออปติคัลได้

มุมมองที่กว้างขึ้นสามารถเพิ่มการบิดเบือนและความท้าทายด้านประสิทธิภาพของ Edge ได้

รูรับแสงที่ใหญ่ขึ้นสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยได้ ในขณะเดียวกันก็ทำให้การควบคุมความคลาดเคลื่อนทำได้ยากขึ้น

เซ็นเซอร์อื่นสามารถเปลี่ยนข้อกำหนด CRA ได้

นี่คือสาเหตุที่ซัพพลายเออร์ด้านแว่นตาที่มีประสบการณ์มักจะถามคำถามที่มีรายละเอียดจนน่าประหลาดใจก่อนที่จะแนะนำเลนส์

ไม่ใช่เพราะพวกเขาชอบงานเอกสาร

โดยปกติแล้ว พวกเขาพยายามหลีกเลี่ยงการแนะนำสิ่งที่ดูสมบูรณ์แบบบนกระดาษ และทำให้คุณผิดหวังเมื่อเชื่อมต่อกับกล้องจริง

เส้นทางแสงเป็นลูกโซ่แห่งการตัดสินใจจริงๆ

เมื่อคุณเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างฉากกับเซนเซอร์แล้ว สิ่งหนึ่งที่ชัดเจนก็คือ:

เลนส์กล้องไม่ใช่แค่ "การโฟกัสแสง" เท่านั้น

มันคือการจัดการแสง

ทุกพื้นผิวแสง ทุกความโค้ง ทุกระยะห่าง ทุกการเคลือบ และทุกค่าเผื่อทางกลจะส่งผลต่อภาพสุดท้าย

เลนส์ต้องรวบรวมแสงเพียงพอ

มันจะต้องส่องแสงนั้นอย่างถูกต้อง

มันจะต้องควบคุมความคลาดเคลื่อน

ก็ต้องให้ความละเอียดที่เพียงพอ

มันจะต้องตรงกับเซ็นเซอร์

และตามหลักการแล้ว จะต้องดำเนินการทั้งหมดนี้นับพันหรือล้านครั้งด้วยประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ

นั่นคือเหตุผลว่าทำไมเลนส์กล้องขนาดเล็กจึงสามารถบรรจุผลงานทางวิศวกรรมที่น่าประทับใจได้

ที่ Boshi Optics โซลูชันด้านการมองเห็นได้รับการพัฒนาสำหรับการใช้งานต่างๆ ตั้งแต่การเฝ้าระวังความปลอดภัยและวิสัยทัศน์ AI ไปจนถึงโดรน การถ่ายภาพยานยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และระบบการถ่ายภาพอื่นๆ ความสามารถด้านการผลิตของบริษัทครอบคลุมถึงการประมวลผลส่วนประกอบเชิงแสง การขึ้นรูปแบบแม่นยำ การฉีดขึ้นรูป การประกอบเลนส์ และการทดสอบเชิงแสง

ภาพสุดท้ายอาจดูเรียบง่าย

การเดินทางที่สร้างสรรค์มันขึ้นมานั้นเป็นอะไรก็ได้

วิธีสุดท้ายในการคิดเกี่ยวกับมัน

ครั้งต่อไปที่คุณดูข้อมูลจำเพาะของกล้องและดู:

เซ็นเซอร์ 8MP

อย่าจินตนาการถึงรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ แปดล้านชิ้นในทันที

ลองนึกภาพโอกาสแปดล้านครั้งในการบันทึกข้อมูล

จากนั้นถามว่า:

เลนส์ให้อะไรแก่พวกเขาจริงๆ?

คำถามนั้นใกล้เคียงกับหัวใจของวิศวกรรมด้านแสงมากขึ้น

เพราะเซ็นเซอร์จะบันทึกภาพ

แต่ก่อนที่เซ็นเซอร์จะบันทึกสิ่งใดได้ เลนส์จะต้องให้สิ่งที่คุ้มค่าแก่การบันทึกเสียก่อน