Ống kính máy ảnh bằng nhựa có thực sự kém hơn kính?

Nếu bạn hỏi ai đó ống kính máy ảnh nào tốt hơn—nhựa hay thủy tinh—có thể bạn sẽ nhận được câu trả lời rất tự tin.

Thủy tinh. Rõ ràng.

Nghe có vẻ hợp lý.

Kính cho cảm giác cao cấp.

Kính có cảm giác nặng nề.

Kính có cảm giác như thứ gì đó thuộc về một hệ thống quang học đắt tiền.

Trong khi đó, nhựa lại có vẻ giống vật liệu được sử dụng để làm hộp đựng đồ ăn trưa dùng một lần.

Nhưng kỹ thuật quang học hiếm khi đơn giản như vậy.

Sự thật là:

Thấu kính nhựa không tự động thua kém thấu kính thủy tinh.

Chúng là những vật liệu khác nhau với những ưu điểm và hạn chế khác nhau.

Và tùy thuộc vào máy ảnh, nhựa thực sự có thể là lựa chọn kỹ thuật thông minh hơn.

Đầu tiên, “Nhựa” không có nghĩa là nhựa thông thường

Khi mọi người nghe đến “ống kính nhựa”, họ thường tưởng tượng đến một miếng nhựa trong suốt rẻ tiền.

Nhựa quang học là một loại khác.

Các vật liệu như polyme cấp quang học có thể được thiết kế để cung cấp các đặc tính cơ học và khúc xạ được kiểm soát phù hợp cho các ứng dụng chụp ảnh.

Chúng cũng có thể được sản xuất với hình học quang học phức tạp.

Điều này đặc biệt quan trọng vì nhiều ống kính máy ảnh compact hiện đại sử dụng các thành phần quang học đúc sẵn được tối ưu hóa cao.

Vì vậy, so sánh thực sự không phải là:

Thủy tinh và nhựa rẻ tiền.

Đó là:

Thủy tinh quang học và vật liệu polymer quang học

Đó là một câu hỏi thú vị hơn nhiều.

Tại sao kính lại có danh tiếng mạnh mẽ như vậy

Thủy tinh đã được sử dụng trong các hệ thống quang học trong nhiều thế kỷ và có lý do chính đáng.

Kính quang học có một số lợi thế quan trọng.

Nó có thể cung cấp độ ổn định quang học tuyệt vời và một loạt các đặc tính khúc xạ.

Thủy tinh cũng tương đối ổn định về nhiệt độ so với nhiều loại polyme.

Đối với các ứng dụng hình ảnh đòi hỏi khắt khe trong đó hiệu suất quang học phải duy trì ở mức độ có thể dự đoán cao trong các điều kiện môi trường thay đổi, kính có thể cực kỳ có giá trị.

Đây là một lý do khiến các hệ thống quang học ô tô, khoa học, công nghiệp và nhiếp ảnh hiệu suất cao có thể sử dụng một lượng kính đáng kể.

Nhưng kính cũng có nhược điểm riêng của nó.

Nó nặng hơn.

Nó có thể tốn kém hơn để xử lý.

Hình dạng phức tạp có thể yêu cầu nhiều quy trình sản xuất phức tạp hơn.

Và việc sản xuất các hình học quang học phức tạp với khối lượng lớn có thể trở nên tốn kém.

Nhựa có một lợi thế rất lớn: Tự do sản xuất

Một trong những thế mạnh lớn nhất của nhựa quang học không chỉ đơn giản là giá thành thấp.

Đó là sự linh hoạt trong sản xuất.

Các thành phần nhựa quang học thường có thể được sản xuất thông qua quá trình ép phun chính xác.

Điều đó có nghĩa là các dạng hình học quang học phức tạp có thể được sản xuất với số lượng lớn sau khi thiết bị được thiết lập.

Điều này đặc biệt hấp dẫn đối với người tiêu dùng nhỏ gọn và máy ảnh nhúng.

Nếu một chiếc máy ảnh cần hàng trăm nghìn hoặc hàng triệu ống kính thì hiệu quả sản xuất là vấn đề vô cùng quan trọng.

Một sự chênh lệch nhỏ trong đơn giá sẽ trở thành một con số rất lớn khi nhân với một triệu.

Đây là nơi quang học bằng nhựa có thể có nhiều ý nghĩa.

Nhựa cũng có thể làm cho máy ảnh nhẹ hơn

Cân nặng quan trọng hơn mọi người đôi khi nhận ra.

Đối với điện thoại thông minh, mỗi gam đều quan trọng.

Đối với máy bay không người lái, điều đó thậm chí còn quan trọng hơn.

Đối với một thiết bị đeo được hoặc robot nhỏ gọn, trọng lượng không cần thiết cũng không được hoan nghênh.

Polyme quang học thường nhẹ hơn nhiều so với thủy tinh.

Điều này tạo ra lợi thế rõ ràng cho các hệ thống trong đó:

nhỏ + nhẹ + âm lượng cao

quan trọng hơn hiệu suất quang học tuyệt đối trong điều kiện khắc nghiệt.

Ví dụ, đối với máy ảnh không người lái, việc giảm trọng lượng của mô-đun quang học có thể góp phần vào thiết kế hệ thống tổng thể.

Điều đó không có nghĩa là nhựa luôn là câu trả lời đúng.

Nó có nghĩa là việc lựa chọn vật liệu nên xem xét toàn bộ sản phẩm.

Vậy Glass thắng ở đâu?

Thủy tinh trở nên đặc biệt hấp dẫn khi độ ổn định về môi trường và quang học là mối quan tâm lớn.

Nhiệt độ là một ví dụ điển hình.

Mọi vật liệu đều thay đổi chiều theo nhiệt độ.

Lượng thay đổi phụ thuộc vào vật liệu.

Bởi vì hệ thống quang học rất nhạy cảm với hình học nên những thay đổi liên quan đến nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tiêu cự và hiệu suất quang học.

Điều này quan trọng đối với camera hoạt động ngoài trời, bên trong xe cộ, môi trường công nghiệp hoặc các ứng dụng khác có nhiệt độ thay đổi đáng kể.

Thủy tinh có thể mang lại lợi thế trong lĩnh vực này, tùy thuộc vào vật liệu cụ thể và thiết kế quang học.

Kính cũng có thể cung cấp các tùy chọn rộng hơn cho các yêu cầu quang học đòi hỏi khắt khe nhất định.

Vì vậy, nếu ai đó nói với bạn:

“Nhựa luôn tốt hơn vì nó rẻ hơn”.

Điều đó cũng sai lầm như khi nói:

“Kính luôn tốt hơn vì nó là kính.”

Nhựa cũng có thể nhạy cảm hơn với lão hóa

Độ bền môi trường là một yếu tố cần cân nhắc khác.

Một số polyme quang học có thể nhạy hơn thủy tinh trong:

Nhiệt độ

Độ ẩm

 Tiếp xúc với tia cực tím

 Môi trường hóa học

Hành vi thực tế phụ thuộc rất nhiều vào công thức và ứng dụng vật liệu.

Đây là lý do tại sao nhựa quang học hoạt động hoàn hảo bên trong thiết bị tiêu dùng có thể không nhất thiết phải là lựa chọn tốt nhất cho máy ảnh ngoài trời tiếp xúc với nhiều năm ánh sáng mặt trời và chu kỳ nhiệt độ.

Lựa chọn vật liệu cần phải xem xét tuổi thọ dự định.

Một ống kính trông đẹp ngay từ đầu không nhất thiết là một ống kính tốt nếu hiệu suất của nó thay đổi đáng kể sau nhiều năm tiếp xúc với môi trường.

Phần thú vị: Nhiều ống kính máy ảnh sử dụng cả hai

Đây là lúc cuộc tranh luận đơn giản về “nhựa và thủy tinh” bắt đầu tan vỡ.

Nhiều hệ thống quang học không cần phải chọn riêng một loại vật liệu.

Một ống kính có thể sử dụng kết hợp các thành phần thủy tinh và nhựa quang học.

Tại sao?

Bởi vì các vật liệu khác nhau có thể giải quyết các vấn đề quang học khác nhau.

Người thiết kế có thể sử dụng một vật liệu cho đặc tính khúc xạ cụ thể và vật liệu khác cho một yêu cầu khác.

Điều này có thể mang lại sự cân bằng hữu ích giữa:

Hiệu suất quang học

Kích thước

Trọng lượng

Chi phí

Khả năng sản xuất

 Ổn định môi trường

Nói cách khác, ống kính thông minh nhất có thể không được làm hoàn toàn bằng thủy tinh hoặc hoàn toàn bằng nhựa.

Nó có thể sử dụng chính xác những gì thiết kế quang học cần.

Còn độ phân giải thì sao?

Đây là một lĩnh vực khác mà cuộc trò chuyện thường trở nên sai lệch.

Người ta đôi khi cho rằng:

Kính = độ phân giải cao

Nhựa = độ phân giải thấp

Không nhất thiết phải như vậy.

Độ phân giải phụ thuộc vào thiết kế quang học hoàn chỉnh và chất lượng sản xuất.

Các yếu tố như:

 Hình học thấu kính

 Độ chính xác bề mặt

Đặc tính vật liệu

 Độ chính xác lắp ráp

 Căn chỉnh quang học

Hiệu suất MTF

 Đặc tính cảm biến

tất cả đều quan trọng.

Một ống kính thủy tinh được thiết kế kém có thể hoạt động kém.

Một thành phần nhựa quang học đúc được thiết kế tốt có thể hoạt động tốt một cách đáng kinh ngạc.

Chất liệu rất quan trọng.

Nhưng nó chỉ là một phần của phương trình.

Tại sao nhựa quang học lại quan trọng đối với máy ảnh sản xuất hàng loạt

Hãy xem xét một mô-đun máy ảnh cần được sản xuất với số lượng rất lớn.

Nhà sản xuất có thể quan tâm đến:

Chi phí + trọng lượng + thời gian chu kỳ + độ lặp lại + hiệu suất quang học.

Đây là nơi quang học bằng nhựa đúc có thể trở nên cực kỳ hấp dẫn.

Khi công cụ chính xác đã được phát triển, ép phun có thể hỗ trợ sản xuất khối lượng lớn với hình dạng nhất quán.

Điều này đặc biệt phù hợp với các ứng dụng như:

Máy ảnh tiêu dùng

Camera an ninh

Module ô tô

Máy bay không người lái

Robot

Thiết bị thông minh

 Hệ thống thị giác máy nhỏ gọn

Do đó, công nghệ sản xuất là một trong những lý do chính khiến quang học bằng nhựa trở nên phổ biến.

Các kỹ sư thực sự nên chọn như thế nào?

Thay vì hỏi:

“Thủy tinh có tốt hơn nhựa không?”

Tôi sẽ hỏi:

“Vật liệu nào tốt hơn cho hệ thống quang học này?”

Đối với một chiếc máy ảnh nhỏ gọn, nhẹ, khối lượng lớn, nhựa quang học có thể là một lựa chọn tuyệt vời.

Đối với một hệ thống ngoài trời đòi hỏi khắt khe hoạt động ở nhiệt độ khắc nghiệt, kính có thể mang lại những lợi thế quan trọng.

Đối với một số sản phẩm, thiết kế kết hợp có thể có ý nghĩa nhất.

TạiQuang học Boshi, việc lựa chọn vật liệu là một phần của vấn đề thiết kế quang học rộng hơn chứ không phải là quyết định đơn giản “kính là cao cấp, nhựa là rẻ”. Giải pháp thích hợp phụ thuộc vào yêu cầu của cảm biến, hiệu suất quang học, hạn chế cơ học, điều kiện môi trường, khối lượng sản xuất và chi phí mục tiêu.

Đó là cách kỹ thuật quang học thường hoạt động.

Hiếm có tài liệu nào thắng được mọi cuộc tranh luận.

Điểm mấu chốt

Vậy ống kính máy ảnh nhựa có thực sự thua kém kính?

KHÔNG.

Thủy tinh là một vật liệu quang học đặc biệt và nó vẫn không thể thiếu trong nhiều ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Nhưng nhựa quang học lại có những thế mạnh riêng:

Nhẹ.

Có khả năng sản xuất cao.

Thích hợp cho hình học đúc phức tạp.

Rất phù hợp với sản xuất số lượng lớn.

Có khả năng tiết kiệm chi phí.

Câu hỏi quan trọng không phải là chất liệu nào nghe có vẻ cao cấp hơn.

Vấn đề là liệu vật liệu có thể mang lại hiệu suất quang học, độ ổn định, khả năng sản xuất và tuổi thọ cần thiết cho máy ảnh thực tế hay không.

Bởi vì ống kính máy ảnh không được cộng điểm vì được làm từ thủy tinh.

Nó được đánh giá dựa trên hình ảnh mà nó tạo ra—và liệu nó có tiếp tục tạo ra hình ảnh đó một cách đáng tin cậy sau nguyên mẫu đầu tiên, lô sản xuất thứ một trăm và đơn vị thứ một triệu hay không.