Điều gì xảy ra với ống kính máy ảnh trước khi nó chạm tới cảm biến?

Chụp một bức ảnh.

Nó cảm thấy ngay lập tức.

Ánh sáng đi vào máy ảnh, cảm biến sẽ chụp nó và bằng cách nào đó, một hình ảnh sẽ xuất hiện trên màn hình của bạn.

Đơn giản phải không?

Vâng, từ quan điểm của một kỹ sư quang học thì không hoàn toàn như vậy.

Giữa khung cảnh thế giới thực và những điểm ảnh nhỏ xíu trên cảm biến hình ảnh, ánh sáng phải trải qua một hành trình phức tạp đến bất ngờ. Nó bị khúc xạ, hội tụ, phản xạ một phần, hấp thụ, biến dạng và hy vọng—sau tất cả những điều đó—được đưa đến đúng nơi với đủ độ tương phản để có ích.

Phần cuối cùng đó là nơi tốtống kính máy ảnhkiếm được tiền của nó.

Đôi khi mọi người tưởng tượng thấu kính như một mảnh thủy tinh có nhiệm vụ duy nhất là “tập trung hình ảnh”.

Mô tả đó đúng về mặt kỹ thuật, gần giống như cách nói xe Công thức 1 là “phương tiện có bốn bánh” là đúng.

Còn nhiều điều đang diễn ra.

Tất cả bắt đầu với ánh sáng từ hiện trường

Trước khi ống kính làm bất cứ điều gì, chính cảnh đó đã có sẵn.

Mọi vật thể ở phía trước camera đều phản xạ hoặc phát ra ánh sáng. Ánh sáng đó truyền về phía camera từ các hướng khác nhau và với các bước sóng khác nhau.

Ví dụ, một chiếc ô tô màu đỏ không chỉ gửi “đèn đỏ” ​​về phía camera theo một chùm sáng rõ ràng. Ánh sáng đến từ các bộ phận khác nhau của xe, ở các góc khác nhau, với cường độ khác nhau.

Thấu kính phải thu tập hợp các tia sáng hỗn loạn này và sắp xếp nó thành một hình ảnh.

Về cơ bản đó là công việc của hệ thống quang học:

Lấy ánh sáng đến từ các hướng khác nhau và biến nó thành hình ảnh được điều khiển trên cảm biến.

Và ngay lập tức, có một vấn đề.

Ánh sáng không tự nhiên hoạt động theo cách mà các kỹ sư mong muốn.

Khi ánh sáng truyền từ không khí vào thủy tinh thì hướng của nó thay đổi. Khi nó đi qua một phần tử quang học khác, nó lại thay đổi.

Điều này được gọi là khúc xạ.

Bằng cách lựa chọn cẩn thận hình dạng và vật liệu của từng thành phần quang học, các nhà thiết kế thấu kính sử dụng hành vi này để kiểm soát nơi cuối cùng các tia gặp nhau.

Đó là lý do tại sao ống kính máy ảnh có thể chứa nhiều bộ phận quang học thay vì một tấm kính đơn giản.

Ống kính không phải là một ống kính

Nhìn vào ống kính máy ảnh hiện đại, bạn có thể thấy một vật thể hình trụ nhỏ.

Tuy nhiên, bên trong có thể có nhiều phần tử quang học.

Mỗi phần tử có một công việc.

Một số giúp tập trung hình ảnh. Những người khác sửa quang sai. Một số cải thiện hiệu suất cạnh. Một số giúp kiểm soát hiện tượng méo hoặc quang sai màu.

Điều thú vị là những yếu tố này không hoạt động độc lập.

Họ làm việc như một hệ thống.

Một nhà thiết kế có thể thay đổi độ cong của một phần tử và sau đó cần điều chỉnh phần tử khác để bù lại hiệu ứng.

Thay đổi khẩu độ và hoạt động quang học có thể thay đổi trở lại.

Làm cho ống kính nhỏ hơn và việc thiết kế trở nên khó khăn hơn.

Tăng trường nhìn và độ méo trở nên khó kiểm soát hơn.

Yêu cầu hiệu suất F1.0 và nhà thiết kế quang học lại phải đau đầu thêm nữa.

Đây là lý do tại sao thiết kế quang học về cơ bản là một quá trình thỏa hiệp.

Bạn hiếm khi có thể tối đa hóa mọi thứ cùng một lúc.

Sau đó đến khẩu độ

Đâu đó bên trong hệ thống quang học là khẩu độ.

Bạn có thể coi khẩu độ như “người gác cổng” kiểm soát lượng ánh sáng đi vào ống kính.

Ống kính F1.0 có khẩu độ tương đối rất lớn, cho phép nhiều ánh sáng vào hệ thống quang học hơn đáng kể so với ống kính có khẩu độ nhỏ hơn.

Điều này trở nên đặc biệt quan trọng trong chụp ảnh ánh sáng yếu.

Nhưng có một nhược điểm.

Khẩu độ lớn hơn không chỉ đơn giản có nghĩa là “tốt hơn”.

Khi bạn mở khẩu độ, nhiều tia từ phần bên ngoài của hệ thống quang học sẽ tham gia vào việc tạo thành hình ảnh. Những tia này thường khó kiểm soát hơn.

Kết quả là hiện tượng quang sai có thể trở nên dễ nhận thấy hơn.

Đây là một lý do khiến việc thiết kế ống kính F1.0 hiệu suất cao khó khăn hơn nhiều so với việc chỉ đơn giản là tăng khẩu độ về mặt vật lý.

Tuy nhiên, đối với các ứng dụng như giám sát ban đêm, sự đánh đổi có thể đáng giá.

Khi ánh sáng sẵn có bị hạn chế, việc thu thập thêm ánh sáng có thể tạo ra sự khác biệt giữa hình ảnh hữu ích và hình ảnh bị nhiễu.

Không phải mọi tia đều đến cảm biến theo cùng một cách

Đây là chi tiết trở nên đặc biệt quan trọng khi chọn ống kính cho cảm biến hình ảnh hiện đại:

Góc mà ánh sáng tới cảm biến rất quan trọng.

Các kỹ sư thường nói vềGóc tia chính, hay CRA.

Nói một cách đơn giản, CRA mô tả góc của tia chính tới các vùng khác nhau của cảm biến.

Tại sao chúng ta nên quan tâm?

Bởi vì cảm biến hình ảnh hiện đại không chỉ đơn giản là những miếng vật liệu nhạy sáng phẳng, kiên nhẫn chờ đợi bất cứ thứ gì chạm vào chúng.

Có các cấu trúc cực nhỏ phía trên các điốt quang, bao gồm các vi thấu kính và các lớp khác.

Nếu ánh sáng tới ở một góc không phù hợp, đặc biệt là về phía rìa của cảm biến, cảm biến có thể không sử dụng ánh sáng đó hiệu quả như mong đợi.

Đây là một lý do khiến việc kết hợp giữa ống kính và cảm biến rất quan trọng.

Một ống kính có thể có tiêu cự và định dạng cảm biến chính xác nhưng vẫn không phải là một kết hợp quang học lý tưởng.

Vòng tròn hình ảnh: Liệu ống kính có thực sự che được cảm biến không?

Đây là một vấn đề phổ biến đáng ngạc nhiên khác.

Một thấu kính tạo ra một vòng tròn ảnh.

Cảm biến nằm bên trong vòng tròn hình ảnh đó và sử dụng phần nằm trên vùng hoạt động của nó.

Nếu vòng tròn hình ảnh quá nhỏ, các góc của cảm biến có thể không nhận đủ thông tin hình ảnh.

Kết quả có thể là hiện tượng mờ nét hoặc thậm chí có thể nhìn thấy các góc tối.

Đây là lý do tại sao định dạng cảm biến lại quan trọng.

Một ống kính được thiết kế cho cảm biến nhỏ hơn không thể chỉ cần gắn vào một cảm biến lớn hơn nhiều và mong đợi sẽ hoạt động hoàn hảo.

Bạn có thể kết nối vật lý cả hai.

Tuy nhiên, về mặt quang học, mối quan hệ có thể kém hợp tác hơn.

Đây cũng là lý do tại sao các kỹ sư xem xét kích thước cảm biến thực tế thay vì chỉ dựa vào các nhãn như “1/2,7 inch” hoặc “1/1,8 inch”.

Những tên định dạng đó là cách viết tắt hữu ích, nhưng vùng hoạt động thực tế và các yêu cầu quang học mới là vấn đề quan trọng cuối cùng.

Và Sau Đó Có Những Sai Lầm

Đây là lúc kỹ thuật quang học trở nên kém hấp dẫn hơn một chút.

Ánh sáng truyền qua thấu kính thực không phải lúc nào cũng tập trung chính xác vào nơi chúng ta mong muốn.

Các bước sóng khác nhau có thể hoạt động khác nhau.

Các tia đi qua các phần khác nhau của thấu kính cũng có thể hội tụ khác nhau.

Điều này tạo ra quang sai khác nhau.

Quang sai màu có thể tạo ra viền màu.

Quang sai hình cầu có thể làm giảm độ sắc nét của hình ảnh.

Loạn thị có thể ảnh hưởng đến cách tái tạo các chi tiết đẹp.

Tình trạng hôn mê có thể làm cho các vật thể giống như điểm bị biến dạng, đặc biệt là về phía các cạnh.

Và độ cong trường có nghĩa là mặt phẳng lấy nét tốt nhất có thể không hoạt động giống như các kỹ sư cảm biến phẳng hoàn hảo mong muốn.

Không có vấn đề nào trong số này nghe có vẻ đặc biệt thú vị.

Nhưng chúng chính xác là những thứ quyết định liệu ống kính có tạo ra hình ảnh sắc nét hay thứ gì đó trông đáng ngờ như thể nó cần đeo kính.

Thiết kế quang học hiện đại chủ yếu tập trung vào việc kiểm soát những điểm không hoàn hảo này.

Hình ảnh không sắc nét như nhau ở mọi nơi

Điều này đưa chúng ta đến một trong những hiểu lầm lớn nhất về độ phân giải của ống kính.

Một ống kính không nhất thiết phải hoạt động tốt như nhau ở trung tâm và ở rìa.

Phần trung tâm của hình ảnh thường dễ kiểm soát hơn.

Khi bạn di chuyển về phía rìa, hiệu suất quang học có thể giảm.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với ống kính góc rộng.

Hãy tưởng tượng một camera giám sát đang giám sát một bãi đậu xe.

Phần trung tâm của hình ảnh có thể cực kỳ sắc nét.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra khi một chiếc xe đi vào từ bên cạnh?

Nếu độ phân giải cạnh kém, về mặt kỹ thuật, máy ảnh có thể có cảm biến độ phân giải cao trong khi cung cấp ít chi tiết hữu ích hơn ở những nơi quan trọng.

Đây là lý do tại sao các kỹ sư quang học xem xét hiệu suất MTF trên toàn bộ trường hình ảnh, thay vì chỉ hỏi xem ống kính là “4MP” hay “8MP”.

Số lượng pixel cho bạn biết cảm biến có thể lấy mẫu gì.

MTF giúp bạn biết hệ thống quang học có thể cung cấp chi tiết đến những pixel đó hiệu quả như thế nào.

Trước khi ánh sáng cuối cùng chạm tới cảm biến

Ngay cả sau khi đi qua các thành phần thấu kính, khẩu độ và hiệu chỉnh quang học, ánh sáng vẫn có thể gặp phải các thành phần bổ sung.

Tùy thuộc vào thiết kế máy ảnh, đường dẫn quang có thể bao gồm:

 Cửa sổ bảo vệ

Bộ lọc cắt IR

Kính che cảm biến

 Bộ lọc thông thấp

 Lớp phủ hoặc cấu trúc quang học khác

Mỗi bề mặt bổ sung có thể ảnh hưởng đến hệ thống quang học.

Sự phản xạ có thể làm giảm sự truyền tải.

Lớp phủ kém có thể làm tăng hiện tượng lóa hoặc bóng ma.

Độ dày và đặc tính khúc xạ của các bộ phận phía trước cảm biến cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất lấy nét và quang học.

Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống máy ảnh nhỏ gọn, nơi mọi thứ đều được gói gọn trong một không gian rất nhỏ.

Người thiết kế quang học không thể nói đơn giản:

“Đó là vấn đề của nhà sản xuất cảm biến.”

Toàn bộ ngăn xếp quang học đều quan trọng.

Cuối cùng, ánh sáng chạm đến cảm biến

Sau tất cả những tương tác này, ánh sáng cuối cùng cũng đến được cảm biến hình ảnh.

Cảm biến chuyển đổi các photon tới thành tín hiệu điện.

Tại thời điểm này, có vẻ như ống kính đã hoàn thành công việc của mình.

Trên thực tế, đây là nơi cuối cùng bạn có thể xem liệu ống kính có hoạt động tốt hay không.

Nếu hệ thống quang học được phân phối:

Đủ ánh sáng

 Độ tương phản tốt

 Chi tiết tinh tế

 Kiểm soát quang sai

 Góc tia thích hợp

 Vùng phủ sóng hình ảnh đầy đủ

cảm biến có thông tin hữu ích để làm việc.

Nếu không, hệ thống xử lý hình ảnh đang gặp vấn đề khó khăn.

Giảm tiếng ồn có thể làm giảm tiếng ồn.

Làm sắc nét có thể tăng cường các cạnh.

Thuật toán AI có thể cải thiện hình ảnh.

Nhưng phần mềm không thể khôi phục hoàn hảo thông tin quang học chưa từng được ghi lại.

Đó là lý do tại sao chất lượng quang học vẫn quan trọng ngay cả khi hình ảnh tính toán trở nên phức tạp hơn.

Tại sao việc lựa chọn ống kính và cảm biến nên diễn ra cùng nhau

Đây có lẽ là bài học thực tế tôi muốn nhấn mạnh nhất.

Đừng chọn cảm biến trước rồi mới hỏi một cách tùy tiện:

“Chúng ta có thể đặt ống kính nào vào nó?”

Đối với nhiều dự án, việc lựa chọn ống kính và cảm biến nên được xem xét cùng nhau.

Người kỹ sư cần hiểu mối quan hệ giữa:

Cảm biến + Ống kính + Khẩu độ + Trường nhìn + Xử lý ảnh + Ánh sáng

Sự thay đổi ở một phần có thể ảnh hưởng đến những phần khác.

Kích thước pixel nhỏ hơn có thể làm tăng yêu cầu về độ phân giải quang học.

Trường nhìn rộng hơn có thể làm tăng các thách thức về độ méo và hiệu suất cạnh.

Khẩu độ lớn hơn có thể cải thiện hiệu suất ánh sáng yếu đồng thời khiến việc kiểm soát quang sai trở nên khó khăn hơn.

Một cảm biến khác có thể thay đổi các yêu cầu CRA.

Đây là lý do tại sao các nhà cung cấp quang học có kinh nghiệm thường đặt ra những câu hỏi chi tiết đến mức đáng ngạc nhiên trước khi đề xuất một ống kính.

Không phải vì họ thích làm giấy tờ.

Thông thường, họ đang cố gắng tránh đề xuất thứ gì đó trông hoàn hảo trên giấy và làm bạn thất vọng khi kết nối với máy ảnh thực tế.

Con đường quang học thực sự là một chuỗi các quyết định

Khi bạn hiểu điều gì xảy ra giữa khung cảnh và cảm biến, một điều sẽ trở nên rõ ràng:

Ống kính máy ảnh không chỉ đơn giản là “tập trung ánh sáng”.

Đó là quản lý ánh sáng.

Mọi bề mặt quang học, mọi độ cong, mọi khoảng cách, mọi lớp phủ và mọi dung sai cơ học đều ảnh hưởng đến hình ảnh cuối cùng.

Ống kính phải thu đủ ánh sáng.

Nó phải hướng ánh sáng đó một cách chính xác.

Nó phải kiểm soát quang sai.

Nó phải cung cấp đủ độ phân giải.

Nó phải phù hợp với cảm biến.

Và lý tưởng nhất là nó cần thực hiện tất cả những điều này hàng nghìn hoặc hàng triệu lần với hiệu suất ổn định.

Đó là lý do tại sao một ống kính máy ảnh nhỏ có thể chứa đựng một lượng kỹ thuật ấn tượng.

Tại Boshi Optics, các giải pháp quang học được phát triển cho các ứng dụng từ giám sát an ninh và tầm nhìn AI đến máy bay không người lái, chụp ảnh ô tô, thiết bị y tế và các hệ thống hình ảnh khác. Khả năng sản xuất của công ty bao gồm xử lý thành phần quang học, đúc chính xác, ép phun, lắp ráp thấu kính và thử nghiệm quang học.

Hình ảnh cuối cùng có thể trông đơn giản.

Cuộc hành trình tạo ra nó chẳng là gì cả.

Cách cuối cùng để nghĩ về nó

Lần tới khi bạn nhìn vào thông số kỹ thuật của máy ảnh và thấy:

Cảm biến 8MP

đừng tưởng tượng ngay tới tám triệu chi tiết nhỏ.

Hãy tưởng tượng tám triệu cơ hội để ghi lại thông tin.

Sau đó hỏi:

Ống kính thực sự đã mang lại cho họ điều gì?

Câu hỏi đó gần với trọng tâm của kỹ thuật quang học hơn nhiều.

Vì cảm biến ghi lại hình ảnh.

Nhưng trước khi cảm biến có thể ghi lại bất cứ điều gì, ống kính phải cung cấp cho nó thứ gì đó đáng ghi lại.