Tại sao quang học phi cầu lại có mặt ở mọi nơi trong máy ảnh hiện đại

Nếu bạn tháo rời một ống kính máy ảnh hiện đại, rất có thể bạn sẽ tìm thấy thứ gì đó trông hơi khác so với các thành phần quang học khác.

Nó có thể dày hơn ở trung tâm.

Nó có thể có độ cong bất thường.

Và không giống như bề mặt thấu kính hình cầu thông thường, độ cong của nó không tuân theo một hình cầu đơn giản.

Đây là mộtphần tử thấu kính phi cầu.

Quang học phi cầu hiện được tìm thấy trong mọi thứ, từ máy ảnh điện thoại thông minh và máy ảnh an ninh nhỏ gọn đến hệ thống hình ảnh ô tô, máy bay không người lái, máy ảnh thị giác máy và ống kính chụp ảnh chuyên nghiệp.

Đó không phải là luôn luôn như vậy.

Vậy điều gì đã thay đổi?

Câu trả lời ngắn gọn là các máy ảnh hiện đại đang yêu cầu ống kính làm được nhiều việc hơn trong khi trở nên nhỏ hơn.

Và thật không may, vật lý học đã không đồng ý làm điều đó trở nên dễ dàng.

Một thấu kính hình cầu thực sự là một sự thỏa hiệp tiện lợi

Hãy bắt đầu với cách tiếp cận truyền thống.

Một bề mặt thấu kính hình cầu dựa trên một hình cầu.

Điều đó làm cho bề mặt tương đối dễ sản xuất.

Nhưng có một vấn đề.

Các tia sáng truyền qua các phần khác nhau của thấu kính hình cầu không phải lúc nào cũng hội tụ tại cùng một điểm.

Các tia ở gần trục quang và các tia đi qua phần ngoài của thấu kính có thể hội tụ khác nhau.

Điều này tạo raquang sai hình cầu.

Hình ảnh trở nên kém sắc nét, đặc biệt khi sử dụng ống kính ở khẩu độ lớn.

Bạn có thể thêm nhiều thành phần quang học hơn để bù đắp cho vấn đề.

Và về mặt lịch sử, đó chính xác là những gì các nhà thiết kế ống kính đã làm.

Nhưng bây giờ bạn có một vấn đề khác:

Nhiều yếu tố hơn có nghĩa là nhiều không gian hơn, nhiều trọng lượng hơn, nhiều bề mặt hơn, độ phức tạp sản xuất cao hơn và có thể có nhiều chi phí hơn.

Cuối cùng cũng có người hỏi một câu hỏi hiển nhiên:

Tại sao không thay đổi hình dạng của bề mặt thấu kính?

Đó là lúc quang học phi cầu trở nên hữu ích.

Điều gì tạo nên sự khác biệt cho một bề mặt hình cầu?

Một bề mặt hình cầu có bán kính cong không đổi.

Một bề mặt hình cầu thì không.

Độ cong của nó thay đổi dần dần từ tâm ra rìa.

Điều đó nghe có vẻ giống như một sự khác biệt hình học nhỏ.

Về mặt quang học, nó cực kỳ hữu ích.

Bằng cách kiểm soát cẩn thận hình dạng bề mặt, các nhà thiết kế có thể làm cho các tia sáng hội tụ theo cách được kiểm soát tốt hơn nhiều.

Điều này cho phép một phần tử hình cầu có thể khắc phục quang sai mà lẽ ra sẽ cần đến một số phần tử hình cầu thông thường.

Nói một cách đơn giản:

Thay vì lắp thêm kính để khắc phục sự cố, đôi khi bạn có thể thay đổi hình dạng của kính.

Đó là một trong những lý do chính khiến quang học phi cầu trở nên quan trọng đến vậy.

Lợi thế thực sự không chỉ là “sắc nét hơn”

Mọi người thường mô tả thấu kính phi cầu như một cách để cải thiện độ sắc nét.

Điều đó đúng, nhưng chưa đầy đủ.

Ưu điểm lớn hơn làtự do thiết kế quang học.

Bề mặt hình cầu có thể giúp các kỹ sư quản lý một số đặc tính quang học, tùy thuộc vào thiết kế.

Chúng có thể bao gồm:

 Quang sai hình cầu

 Hôn mê

 Loạn thị

Biến dạng

Hiệu suất hiện trường

Kích thước ống kính tổng thể

Điều này rất quan trọng đối với máy ảnh compact.

Các mô-đun máy ảnh hiện đại thường cần phải vừa với không gian cơ học rất chật hẹp trong khi vẫn cung cấp:

 Trường nhìn rộng

 Khẩu độ lớn

Độ phân giải cao

 Hiệu suất cạnh tốt

Việc cố gắng đạt được tất cả những điều này chỉ bằng cách sử dụng các phần tử hình cầu thông thường có thể trở nên cực kỳ khó khăn.

Quang học phi cầu cung cấp cho nhà thiết kế một công cụ khác.

Và đôi khi, một bề mặt hình cầu được thiết kế tốt có thể thực hiện công việc mà một số bề mặt thông thường sẽ cần phải thực hiện.

Tại sao máy ảnh góc rộng lại yêu thích thấu kính phi cầu

Ống kính góc rộng đặc biệt khó khăn.

Khi trường nhìn trở nên lớn hơn, ánh sáng đi vào hệ thống quang học từ các góc độ ngày càng khác nhau.

Việc kiểm soát những tia đó trở nên khó khăn hơn.

Sự biến dạng trở nên khó quản lý hơn.

Hiệu suất biên trở nên khó duy trì hơn.

Đây là một lý do khiến các thấu kính phi cầu xuất hiện thường xuyên trong các thiết kế máy ảnh góc rộng.

Hãy xem xét một camera an ninh nhỏ gọn.

Nhà sản xuất có thể muốn có trường nhìn rộng, kích thước ống kính nhỏ, độ phân giải cao và hiệu suất ánh sáng yếu tốt.

Những yêu cầu đó kéo thiết kế quang học theo các hướng khác nhau.

Khẩu độ rộng hơn giúp thu thập ánh sáng.

Trường nhìn rộng hơn làm tăng phạm vi bao phủ.

Một gói nhỏ hơn giúp tích hợp sản phẩm.

Nhưng mỗi quyết định đó đều tạo ra những thách thức về mặt quang học.

Bề mặt phi cầu có thể giúp các nhà thiết kế tìm ra sự cân bằng khả thi.

Tại sao điện thoại thông minh lại khiến quang học phi cầu trở nên quan trọng hơn

Điện thoại thông minh có lẽ là ví dụ dễ hiểu nhất.

Máy ảnh của điện thoại thông minh rất nhỏ.

Tuy nhiên, các nhà sản xuất kỳ vọng nó sẽ tạo ra những hình ảnh có vẻ đáng chú ý so với một chiếc máy ảnh lớn hơn nhiều cách đây hai mươi năm.

Đơn giản là không có đủ không gian vật lý để giải quyết mọi vấn đề quang học bằng cách thêm một số lượng lớn các thành phần thủy tinh thông thường.

Giải pháp là thiết kế quang học được tối ưu hóa cao.

Bề mặt phi cầu có thể cung cấp hiệu chỉnh đáng kể trong một gói rất nhỏ gọn.

Nguyên tắc tương tự áp dụng cho các hệ thống hình ảnh thu nhỏ khác.

Camera an ninh, mô-đun tầm nhìn nhúng, camera ô tô, máy bay không người lái, robot và thiết bị thông minh đều phải đối mặt với áp lực tương tự:

Hiệu suất quang học cao hơn trong không gian vật lý ít hơn.

Nhưng phi cầu không có nghĩa là “Tự động tốt hơn”

Đây là một điểm quan trọng.

Một thành phần thấu kính phi cầu không tự động vượt trội hơn một thành phần hình cầu.

Nó là một công cụ thiết kế.

Bề mặt phi cầu được thiết kế kém vẫn có thể tạo ra hiệu suất quang học kém.

Và việc sử dụng phần tử phi cầu không loại bỏ nhu cầu quản lý:

 Quang sai màu

Biến dạng

 Dung sai sản xuất

 Căn chỉnh

 Hiệu suất phủ

 Tính chất nhiệt

Toàn bộ hệ thống quang học vẫn phải làm việc cùng nhau.

Trên thực tế, các bề mặt hình cầu đôi khi có thể khiến việc sản xuất và kiểm soát chất lượng trở nên khắt khe hơn vì hình dạng bề mặt phức tạp hơn.

Vì vậy, thành tựu thực sự không chỉ đơn giản là:

“Chúng tôi sử dụng một thấu kính phi cầu.”

Đó là:

“Chúng tôi đã sử dụng hình học quang học phù hợp để giải quyết đúng vấn đề.”

Sản xuất là nơi lý thuyết trở nên thú vị

Có sự khác biệt lớn giữa việc thiết kế một bề mặt hình cầu trên máy tính và việc sản xuất hàng nghìn bề mặt như vậy một cách nhất quán.

Hồ sơ bề mặt cần thiết cần phải được sản xuất chính xác.

Phần tử sau đó phải được lắp ráp chính xác.

Ngay cả một thiết kế quang học tốt cũng có thể giảm hiệu suất nếu dung sai sản xuất được kiểm soát kém.

Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất quang học nhưQuang học Boshicần phải xem xét thiết kế và sản xuất cùng nhau.

Sản xuất quang học hiện đại có thể bao gồm đúc chính xác, xử lý thành phần quang học, lắp ráp, kiểm tra kích thước và kiểm tra hiệu suất quang học.

Bề mặt quang học càng đòi hỏi khắt khe thì việc kiểm soát quá trình càng trở nên quan trọng.

Lý do lớn hơn Quang học phi cầu có ở khắp mọi nơi

Vậy tại sao chúng ta lại nhìn thấy quang học phi cầu trong rất nhiều máy ảnh hiện đại?

Bởi vì máy ảnh đã phát triển.

Chúng nhỏ hơn.

Cảm biến có khả năng cao hơn.

Các trường nhìn rộng hơn.

Khẩu độ lớn hơn.

Yêu cầu độ phân giải cao hơn.

Và máy ảnh đang được đặt trong môi trường ngày càng hạn chế.

Máy bay không người lái không thể mang theo một ống kính lớn.

Một robot cần các mô-đun tầm nhìn nhỏ gọn.

Một chiếc xe cần có camera vừa với vỏ được thiết kế cẩn thận.

Một chiếc điện thoại thông minh gần như không còn chỗ trống.

Quang học phi cầu mang lại cho các kỹ sư quang học một mức độ tự do khác để giải quyết những vấn đề này.

Chúng không phải là một thành phần ma thuật.

Chúng đơn giản là một trong những công cụ hữu ích nhất mà các nhà thiết kế quang học hiện đại có.

Và xem xét hiện nay chúng ta đòi hỏi bao nhiêu từ những chiếc máy ảnh nhỏ bé như vậy, có lẽ chúng ta nên biết ơn chúng.