Ống kính tốt hơn có thể giúp cảm biến rẻ hơn hoạt động tốt hơn không

Đây là một câu hỏi mà chúng tôi thường nghe một cách đáng ngạc nhiên trong quá trình phát triển máy ảnh:

“Nếu chúng ta sử dụng ống kính tốt hơn, liệu chúng ta có thể đạt được hiệu suất tốt hơn từ cảm biến rẻ hơn không?”

Câu trả lời trung thực là:

Có - nhưng không phải theo cách bạn nghĩ.

Một ống kính tốt hơn không thể biến cảm biến 5MP thành cảm biến 8MP một cách kỳ diệu. Nó không thể tăng số lượng pixel vật lý của cảm biến, cải thiện dải động gốc hoặc loại bỏ nhiễu phát ra từ chính cảm biến.

Nhưng có một khía cạnh khác của câu chuyện.

Một cảm biến chỉ có thể ghi lại thông tin quang học tiếp cận nó.

Nếu ống kính mang lại chi tiết kém, độ tương phản thấp, ánh sáng không đủ hoặc quang sai được kiểm soát kém, thì ngay cả một cảm biến đắt tiền cũng sẽ phải xử lý thông tin bị xâm phạm.

Mặt khác, một ống kính được thiết kế tốt có thể giúp một cảm biến giá cả phải chăng hơn khai thác được nhiều hơn những gì nó thực sự có khả năng.

Và sự khác biệt đó cực kỳ quan trọng khi thiết kế một chiếc máy ảnh nhạy cảm với chi phí.

Cảm biến không hoạt động một mình

Thật hấp dẫn khi coi cảm biến là “động cơ” của máy ảnh.

Trên thực tế, hệ thống hình ảnh gần giống với một đội hơn.

Thấu kính thu thập và tổ chức ánh sáng.

Cảm biến chuyển đổi ánh sáng đó thành tín hiệu điện.

ISP xử lý các tín hiệu đó.

Phần mềm và AI sau đó sẽ diễn giải hình ảnh thu được.

Nếu một phần của chuỗi yếu thì các thành phần khác phải bù đắp.

Và sự đền bù có giới hạn.

Hãy tưởng tượng một cảm biến giá cả phải chăng có khả năng phân giải hoàn hảo ở một mức độ chi tiết cụ thể.

Bây giờ đặt một ống kính chất lượng kém ở phía trước nó.

Ống kính có thể làm mờ chi tiết đó trước khi nó đến được cảm biến.

Cảm biến không thể ghi lại thông tin chưa bao giờ được gửi tới nó.

Đây là lý do tại sao việc mua cảm biến đắt nhất trong khi coi ống kính như một thành phần hàng hóa có thể là một chiến lược kém hiệu quả một cách đáng ngạc nhiên.

Ống kính tốt hơn không thêm điểm ảnh. Nó làm cho pixel hữu ích hơn.

Đây là ý tưởng then chốt.

Giả sử hai máy ảnh sử dụng cùng một cảm biến.

Máy ảnh A sử dụng ống kính tầm thường.

Camera B sử dụng hệ thống quang học tốt hơn.

Thông số kỹ thuật của cảm biến không thay đổi.

Cả hai vẫn có cùng số pixel.

Nhưng hình ảnh có thể trông khác biệt đáng kể.

Tại sao?

Bởi vì số pixel chỉ là một phần của câu chuyện.

Ảnh hưởng của hệ thống quang học:

Độ phân giải

Tương phản

Truyền ánh sáng

Biến dạng

 Quang sai màu

 Độ sắc nét của cạnh

 Tính đồng nhất của hình ảnh

Do đó, một ống kính tốt hơn có thể giúp cảm biến sử dụng tốt hơn các pixel mà nó đã có.

Hãy nghĩ về nó theo cách này:

Một kho chứa đầy hộp trống không có nghĩa là bạn có nhiều sản phẩm hơn.

Cảm biến cung cấp cho bạn các hộp.

Ống kính giúp xác định lượng thông tin hữu ích được đưa vào bên trong chúng.

MTF: Nơi ống kính gặp cảm biến

Đây là nơiMTF (Chức năng truyền điều chế)trở nên hữu ích.

MTF mô tả mức độ hiệu quả của hệ thống quang học duy trì độ tương phản ở các mức độ chi tiết khác nhau.

Bạn không cần phải trở thành kỹ sư quang học mới hiểu được ý nghĩa thực tế.

Một ống kính có hiệu suất MTF tốt có thể giữ được các chi tiết đẹp với độ tương phản hữu ích.

Một ống kính có hiệu suất MTF kém có thể biến những chi tiết đó thành các họa tiết ngày càng yếu và mờ.

Điều này trở nên đặc biệt quan trọng với các cảm biến hiện đại, nơi kích thước pixel có thể rất nhỏ.

Về mặt kỹ thuật, một cảm biến có thể có nhiều pixel nhưng nếu ống kính không thể phân giải đủ chi tiết không gian thì những pixel đó sẽ không được sử dụng hiệu quả.

Đây là một lý do khiến hệ thống quang học được thiết kế tốt đôi khi có thể làm cho máy ảnh có cảm giác “sắc nét hơn” mặc dù bản thân cảm biến không thay đổi.

Ống kính không nâng cấp cảm biến.

Nó chỉ đơn giản là trở nên ít cản trở hơn.

Thêm ánh sáng cũng có thể thay đổi trò chơi

Độ phân giải không phải là vấn đề duy nhất.

Hiệu suất ánh sáng yếu là một lĩnh vực khác mà chất lượng ống kính rất quan trọng.

Khẩu độ lớn hơn cho phép nhiều ánh sáng đi tới cảm biến hơn.

Đối với các ứng dụng như giám sát an ninh, giám sát ngoài trời, robot hoặc camera trên xe, điều này có thể đặc biệt có giá trị.

Hãy xem xét hai camera sử dụng cùng một cảm biến.

Một người sử dụng ống kính có khẩu độ tương đối nhỏ.

Loại còn lại sử dụng ống kính có khẩu độ lớn hơn với khả năng thu ánh sáng tốt hơn.

Trong môi trường sáng sủa, sự khác biệt có thể không đáng kể.

Vào ban đêm, nó có thể trở nên rõ ràng hơn nhiều.

Máy ảnh thứ hai có thể duy trì mức khuếch đại thấp hơn, độ phơi sáng tốt hơn và thông tin hình ảnh rõ ràng hơn.

Điều đó không có nghĩa là ống kính đã cải thiện đặc tính nhiễu của cảm biến.

Điều đó có nghĩa là ngay từ đầu ống kính đã cung cấp cho cảm biến tín hiệu quang học tốt hơn.

Và đôi khi, đó là một nửa trận chiến.

Trường hợp ống kính tốt hơn không thể giúp được

Điều quan trọng là không bán quá mức này.

Một ống kính tốt hơn có giới hạn.

Nếu cảm biến có:

Dải động kém

 Tiếng ồn đọc cao

Hiệu suất lượng tử thấp

Hiệu suất màu hạn chế

Số lượng pixel không đủ

ống kính không thể giải quyết hoàn toàn những vấn đề đó.

Tương tự như vậy, ống kính không thể biến cảm biến có độ phân giải thấp thành cảm biến có độ phân giải cao.

Không có biện pháp quang học nào tương đương với việc bí mật nâng cấp chương trình cơ sở cảm biến.

Nếu ai đó hứa điều đó, hãy nghi ngờ.

Kỹ thuật quang học tốt là tối đa hóa hiệu suất hệ thống chứ không phải tạo ra những điều kỳ diệu.

Cơ hội thực sự là sự phù hợp của hệ thống

Câu hỏi thú vị nhất không phải là:

“Cái nào tốt hơn, cảm biến đắt tiền hay ống kính đắt tiền?”

Đó là:

“Ống kính và cảm biến phải phù hợp như thế nào?”

Đây là lúc thiết kế quang học có kinh nghiệm trở nên có giá trị.

Một ống kính nên được đánh giá theo cảm biến thực tế:

 Dạng cảm biến

Kích thước pixel

Khu vực hình ảnh hoạt động

Yêu cầu CRA

 Độ phân giải cần thiết

 Trường nhìn

Khẩu độ

Vòng tròn hình ảnh

Ví dụ: sử dụng ống kính có độ phân giải cực cao với cảm biến có độ phân giải tương đối thấp có thể mang lại ít lợi ích thực tế.

Tuy nhiên, việc sử dụng một ống kính không phù hợp với cảm biến có khả năng hoạt động tốt có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất.

Điểm ngọt ngào nằm ở đâu đó ở giữa.

Đây là lúc tối ưu hóa chi phí trở nên thú vị

Đối với các nhà sản xuất máy ảnh, điều này có thể có tác động lớn về mặt thương mại.

Hãy tưởng tượng một sản phẩm cần đạt được mục tiêu chất lượng hình ảnh cụ thể trong khi vẫn nằm trong mức chi phí BOM nghiêm ngặt.

Cách tiếp cận rõ ràng thường là:

“Hãy mua một cảm biến tốt hơn.”

Đôi khi đó là câu trả lời đúng.

Nhưng đôi khi cách tiếp cận tốt hơn là xem xét toàn bộ hệ thống hình ảnh.

Liệu một thiết kế quang học tốt hơn có thể cho phép một cảm biến giá cả phải chăng hơn đạt được kết quả cần thiết không?

Liệu khẩu độ lớn hơn có thể cải thiện hiệu suất ánh sáng yếu đủ để giảm nhu cầu xử lý hình ảnh mạnh mẽ không?

Hiệu suất biên tốt hơn có thể cải thiện khả năng phát hiện AI mà không cần tăng độ phân giải cảm biến không?

Liệu việc kết hợp ống kính cảm biến tốt hơn có thể mang lại chất lượng hình ảnh cần thiết mà không cần thêm nhiều megapixel hơn không?

Đây là những câu hỏi kỹ thuật thú vị hơn nhiều.

Và chúng có thể có tác động trực tiếp đến giá thành sản phẩm.

Một ống kính tốt có thể là bản nâng cấp thông minh hơn

Đây là lý do tại sao chúng tôiQuang học Boshithường xem máy ảnh như một hệ thống quang học hoàn chỉnh hơn là đánh giá ống kính một cách riêng biệt.

Camera an ninh, máy bay không người lái, camera ô tô, robot, camera công nghiệp hoặc thiết bị hình ảnh y tế có thể có những ưu tiên hoàn toàn khác nhau.

Giải pháp quang học tốt nhất không nhất thiết phải là giải pháp đắt nhất.

Nó là thứ cung cấp cho cảm biến loại thông tin phù hợp cho công việc.

Tại Boshi Optics, các ứng dụng sản xuất và phát triển quang học bao gồm giám sát an ninh, tầm nhìn AI, máy bay không người lái, hình ảnh ô tô, thiết bị y tế và các hệ thống hình ảnh khác. Cách tiếp cận dựa trên ứng dụng này giúp các kỹ sư cân bằng độ phân giải, khẩu độ, trường nhìn, kích thước, độ biến dạng và các yêu cầu khác thay vì chỉ theo đuổi thông số kỹ thuật cao nhất.

Vậy, ống kính tốt hơn có thể giúp cảm biến rẻ hơn hoạt động tốt hơn không?

Có—nhưng với bằng cấp quan trọng.

Một ống kính tốt hơn không cải thiện được cảm biến về mặt vật lý.

Nó thực hiện điều gì đó thực tế hơn:

Nó có thể giúp cảm biến hoạt động gần hơn với tiềm năng thực tế của nó.

Quang học tốt có thể mang lại chi tiết tốt hơn, ánh sáng hữu ích hơn, độ tương phản mạnh hơn và chất lượng hình ảnh ổn định hơn cho cảm biến.

Để phát triển máy ảnh có chi phí nhạy cảm, đó có thể là một chiến lược rất thông minh.

Bởi vì đôi khi câu trả lời không phải là:

“Mua một cảm biến đắt tiền hơn.”

Đôi khi đó là:

“Hãy ngừng làm cho cảm biến hoạt động với một ống kính tầm thường.”

Và đó là một cuộc trò chuyện đáng có trước khi dự án máy ảnh tiếp theo bị khóa vào BOM.