Was passiert mit einem Kameraobjektiv, bevor es den Sensor erreicht?

Machen Sie ein Foto.

Es fühlt sich augenblicklich an.

Licht dringt in die Kamera ein, der Sensor erfasst es und irgendwie erscheint ein Bild auf Ihrem Bildschirm.

Ganz einfach, oder?

Nun, aus der Sicht eines Optikingenieurs nicht ganz.

Zwischen der realen Szene und den winzigen Pixeln auf dem Bildsensor muss das Licht einen überraschend komplizierten Weg zurücklegen. Es wird gebrochen, fokussiert, teilweise reflektiert, absorbiert, verzerrt und hoffentlich – nach all dem – mit genügend Kontrast an die richtige Stelle geliefert, um nützlich zu sein.

Der letzte Teil ist, wo ein gutesKameraobjektivverdient sein Geld.

Manchmal stellt man sich ein Objektiv als ein Stück Glas vor, dessen einzige Aufgabe darin besteht, „das Bild zu fokussieren“.

Diese Beschreibung ist technisch gesehen ungefähr so ​​wahr, wie die Aussage, ein Formel-1-Auto sei „ein Fahrzeug mit vier Rädern“, wahr ist.

Es ist noch deutlich mehr los.

Alles beginnt mit dem Licht der Szene

Bevor das Objektiv etwas tut, gibt es die Szene selbst.

Jedes Objekt vor der Kamera reflektiert oder emittiert Licht. Dieses Licht bewegt sich aus verschiedenen Richtungen und mit unterschiedlichen Wellenlängen auf die Kamera zu.

Ein rotes Auto sendet beispielsweise nicht einfach „rotes Licht“ in einem einzigen Strahl in Richtung der Kamera. Licht kommt aus verschiedenen Teilen des Fahrzeugs, in unterschiedlichen Winkeln und mit unterschiedlicher Intensität.

Das Objektiv muss diese chaotische Ansammlung von Lichtstrahlen aufnehmen und zu einem Bild zusammenfassen.

Das ist im Wesentlichen die Aufgabe des optischen Systems:

Nehmen Sie Licht aus verschiedenen Richtungen auf und erzeugen Sie ein kontrolliertes Bild auf dem Sensor.

Und sofort gibt es ein Problem.

Licht verhält sich von Natur aus nicht so, wie es Ingenieure gerne hätten.

Wenn Licht von Luft in Glas gelangt, ändert sich seine Richtung. Wenn es ein anderes optisches Element passiert, verändert es sich erneut.

Dies nennt man Brechung.

Durch die sorgfältige Auswahl der Form und des Materials jedes optischen Elements nutzen Linsendesigner dieses Verhalten, um zu steuern, wo sich die Strahlen schließlich treffen.

Aus diesem Grund kann ein Kameraobjektiv mehrere optische Elemente anstelle eines einfachen Glasstücks enthalten.

Die Linse ist nicht eine Linse

Schauen Sie sich ein modernes Kameraobjektiv an und Sie sehen möglicherweise ein kleines zylindrisches Objekt.

Im Inneren können sich jedoch mehrere optische Elemente befinden.

Jedes Element hat eine Aufgabe.

Einige helfen dabei, das Bild zu fokussieren. Andere korrigieren Abweichungen. Einige verbessern die Kantenleistung. Einige helfen dabei, Verzerrungen oder chromatische Aberrationen zu kontrollieren.

Das Interessante daran ist, dass diese Elemente nicht unabhängig voneinander funktionieren.

Sie funktionieren als System.

Ein Designer ändert möglicherweise die Krümmung eines Elements und muss dann ein anderes Element anpassen, um den Effekt auszugleichen.

Ändern Sie die Blende und das optische Verhalten kann sich erneut ändern.

Wenn Sie die Linse verkleinern, wird das Design schwieriger.

Wenn Sie das Sichtfeld vergrößern, wird es schwieriger, die Verzerrung zu kontrollieren.

Fordern Sie F1.0-Leistung und der Optikdesigner bekommt weitere Kopfschmerzen geschenkt.

Aus diesem Grund ist optisches Design grundsätzlich eine Kompromissübung.

Selten schafft man es, alles gleichzeitig zu maximieren.

Dann kommt die Blende

Irgendwo im Inneren des optischen Systems befindet sich die Blende.

Sie können sich die Blende als „Torwächter“ vorstellen, der steuert, wie viel Licht in das Objektiv eindringt.

Ein F1.0-Objektiv hat eine sehr große relative Blende, wodurch deutlich mehr Licht in das optische System gelangt als ein Objektiv mit kleinerer Blende.

Dies ist besonders wichtig bei Aufnahmen bei schlechten Lichtverhältnissen.

Aber es gibt einen Haken.

Eine größere Blende bedeutet nicht einfach „besser“.

Wenn Sie die Blende öffnen, sind mehr Strahlen von den äußeren Teilen des optischen Systems an der Bilderzeugung beteiligt. Diese Strahlen sind im Allgemeinen schwerer zu kontrollieren.

Dadurch können Aberrationen deutlicher hervortreten.

Dies ist einer der Gründe, warum die Entwicklung eines leistungsstarken F1.0-Objektivs weitaus anspruchsvoller ist, als einfach nur die Blende physisch zu vergrößern.

Für Anwendungen wie die Nachtüberwachung kann sich der Kompromiss jedoch lohnen.

Wenn das verfügbare Licht begrenzt ist, kann das Sammeln von mehr davon den Unterschied zwischen einem brauchbaren und einem verrauschten Bild ausmachen.

Nicht jeder Strahl erreicht den Sensor auf die gleiche Weise

Hier ist ein Detail, das bei der Auswahl eines Objektivs für einen modernen Bildsensor besonders wichtig ist:

Der Winkel, in dem das Licht den Sensor erreicht, ist entscheidend.

Ingenieure sprechen oft darüberChief Ray Angle oder CRA.

Vereinfacht ausgedrückt beschreibt CRA den Winkel, in dem der Hauptstrahl verschiedene Bereiche des Sensors erreicht.

Warum sollte es uns interessieren?

Denn moderne Bildsensoren sind nicht einfach flache Stücke lichtempfindlichen Materials, die geduldig darauf warten, dass etwas auf sie trifft.

Über den Fotodioden befinden sich mikroskopische Strukturen, darunter Mikrolinsen und andere Schichten.

Wenn einfallendes Licht in einem ungeeigneten Winkel eintrifft, insbesondere am Rand des Sensors, nutzt der Sensor das Licht möglicherweise nicht so effizient wie erwartet.

Dies ist einer der Gründe, warum die Abstimmung von Objektiv und Sensor wichtig ist.

Ein Objektiv kann zwar die richtige Brennweite und das richtige Sensorformat haben, aber trotzdem nicht optimal optisch passen.

Der Bildkreis: Wird das Objektiv den Sensor tatsächlich abdecken?

Hier ist ein weiteres überraschend häufiges Problem.

Eine Linse erzeugt einen Bildkreis.

Der Sensor sitzt innerhalb dieses Bildkreises und nutzt den Teil, der auf seinen aktiven Bereich fällt.

Wenn der Bildkreis zu klein ist, erhalten die Ecken des Sensors möglicherweise nicht genügend Bildinformationen.

Die Folge können Vignettierungen oder sogar sichtbare dunkle Ecken sein.

Aus diesem Grund ist das Sensorformat wichtig.

Ein für einen kleineren Sensor konzipiertes Objektiv kann nicht einfach an einen viel größeren Sensor angeschlossen werden und eine perfekte Leistung erwarten.

Sie könnten die beiden physisch verbinden.

Optisch dürfte das Verhältnis allerdings eher weniger kooperativ sein.

Aus diesem Grund achten Ingenieure auch auf die tatsächlichen Sensorabmessungen, anstatt sich nur auf Bezeichnungen wie „1/2,7 Zoll“ oder „1/1,8 Zoll“ zu verlassen.

Diese Formatnamen sind nützliche Abkürzungen, aber letztendlich kommt es auf die tatsächliche aktive Fläche und die optischen Anforderungen an.

Und dann gibt es Aberrationen

Hier wird die optische Technik etwas weniger glamourös.

Licht, das durch ein echtes Objektiv fällt, wird nicht immer genau dort fokussiert, wo wir es haben möchten.

Unterschiedliche Wellenlängen können sich unterschiedlich verhalten.

Strahlen, die durch verschiedene Teile einer Linse gehen, können auch unterschiedlich fokussiert werden.

Dadurch entstehen verschiedene optische Aberrationen.

Chromatische Aberration kann zu Farbsäumen führen.

Sphärische Aberration kann die Bildschärfe verringern.

Astigmatismus kann die Wiedergabe feiner Details beeinträchtigen.

Durch Koma können punktförmige Objekte insbesondere zu den Rändern hin verzerrt erscheinen.

Und die Bildfeldkrümmung bedeutet, dass sich die Ebene mit der besten Fokussierung möglicherweise nicht so verhält, wie es die Ingenieure der vollkommen flachen Sensoren bevorzugen würden.

Keines dieser Probleme klingt besonders spannend.

Aber sie sind genau die Dinge, die darüber entscheiden, ob ein Objektiv ein scharfes Bild erzeugt oder etwas, das verdächtig aussieht, als bräuchte es eine Brille.

Beim modernen optischen Design geht es hauptsächlich darum, diese Unvollkommenheiten zu kontrollieren.

Das Bild ist nicht überall gleich scharf

Dies bringt uns zu einem der größten Missverständnisse über die Objektivauflösung.

Ein Objektiv schneidet in der Mitte und am Rand nicht unbedingt gleich gut ab.

Die Bildmitte ist in der Regel leichter zu kontrollieren.

Wenn Sie sich dem Rand nähern, kann die optische Leistung nachlassen.

Dies ist besonders wichtig für Weitwinkelobjektive.

Stellen Sie sich eine Überwachungskamera vor, die einen Parkplatz überwacht.

Die Bildmitte kann extrem scharf sein.

Doch was passiert, wenn ein Fahrzeug von der Seite einfährt?

Wenn die Kantenauflösung schlecht ist, verfügt die Kamera technisch gesehen möglicherweise über einen hochauflösenden Sensor und liefert dort, wo es darauf ankommt, deutlich weniger nützliche Details.

Aus diesem Grund betrachten Optikingenieure die MTF-Leistung im gesamten Bildfeld, anstatt einfach zu fragen, ob ein Objektiv „4MP“ oder „8MP“ ist.

Die Anzahl der Pixel sagt Ihnen, was der Sensor erfassen kann.

Mithilfe von MTF erfahren Sie, wie effektiv das optische System diesen Pixeln Details liefern kann.

Bevor das Licht endlich den Sensor erreicht

Auch nach Durchlaufen der Linsenelemente, der Blende und optischer Korrekturen kann das Licht auf weitere Komponenten treffen.

Abhängig vom Kameradesign kann der optische Pfad Folgendes umfassen:

Schutzfenster

IR-Sperrfilter

Sensor-Abdeckglas

Tiefpassfilter

Andere optische Beschichtungen oder Strukturen

Jede zusätzliche Fläche kann das optische System beeinflussen.

Reflexion kann die Übertragung verringern.

Schlechte Beschichtungen können zu Streulicht oder Geisterbildern führen.

Auch die Dicke und die Brechungseigenschaften der Komponenten vor dem Sensor können den Fokus und die optische Leistung beeinflussen.

Dies ist besonders wichtig bei Kompaktkamerasystemen, bei denen alles auf engstem Raum untergebracht ist.

Der Optikdesigner kann nicht einfach sagen:

„Das ist das Problem des Sensorherstellers.“

Der gesamte optische Stapel ist wichtig.

Schließlich erreicht das Licht den Sensor

Nach all diesen Wechselwirkungen erreicht das Licht schließlich den Bildsensor.

Der Sensor wandelt einfallende Photonen in elektrische Signale um.

An diesem Punkt scheint es, als hätte das Objektiv seine Arbeit erledigt.

Tatsächlich kann man hier endlich erkennen, ob das Objektiv seine Aufgabe gut erfüllt hat.

Wenn das optische System geliefert wird:

Genug Licht

Guter Kontrast

Feine Details

Kontrollierte Aberrationen

Geeignete Strahlwinkel

Ausreichende Bildabdeckung

Der Sensor verfügt über nützliche Informationen, mit denen er arbeiten kann.

Wenn nicht, steht das Bildverarbeitungssystem vor einem schwierigen Problem.

Durch Rauschunterdrückung kann Lärm reduziert werden.

Durch Schärfen können Kanten verbessert werden.

KI-Algorithmen können Bilder verbessern.

Aber Software kann optische Informationen, die nie erfasst wurden, nicht perfekt wiederherstellen.

Aus diesem Grund bleibt die optische Qualität auch dann wichtig, wenn die computergestützte Bildgebung immer ausgefeilter wird.

Warum die Auswahl von Objektiv und Sensor gemeinsam erfolgen sollte

Dies ist wahrscheinlich die praktische Lektion, die ich am stärksten betonen würde.

Wählen Sie nicht zuerst einen Sensor aus und fragen Sie dann beiläufig:

„Welche Linse können wir darauf setzen?“

Bei vielen Projekten sollte die Auswahl von Objektiv und Sensor gemeinsam berücksichtigt werden.

Der Ingenieur muss die Beziehung zwischen Folgendem verstehen:

Sensor + Objektiv + Blende + Sichtfeld + Bildverarbeitung + Beleuchtung

Eine Änderung an einem Teil kann Auswirkungen auf die anderen haben.

Eine kleinere Pixelgröße kann die Anforderungen an die optische Auflösung erhöhen.

Ein breiteres Sichtfeld kann die Verzerrung und die Herausforderungen bei der Kantenleistung erhöhen.

Eine größere Blende kann die Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen verbessern und gleichzeitig die Aberrationskontrolle erschweren.

Ein anderer Sensor kann die CRA-Anforderungen ändern.

Aus diesem Grund stellen erfahrene Optikanbieter oft überraschend detaillierte Fragen, bevor sie ein Objektiv empfehlen.

Es liegt nicht daran, dass ihnen der Papierkram Spaß macht.

Normalerweise versuchen sie zu vermeiden, etwas zu empfehlen, das auf dem Papier perfekt aussieht und Sie enttäuscht, wenn es an die tatsächliche Kamera angeschlossen wird.

Der optische Weg ist eigentlich eine Kette von Entscheidungen

Wenn man erst einmal versteht, was zwischen der Szene und dem Sensor passiert, wird eines klar:

Ein Kameraobjektiv „fokussiert Licht“ nicht einfach.

Es verwaltet Licht.

Jede optische Oberfläche, jede Krümmung, jeder Abstand, jede Beschichtung und jede mechanische Toleranz beeinflusst das endgültige Bild.

Das Objektiv muss genügend Licht sammeln.

Es muss das Licht richtig lenken.

Es muss Aberrationen kontrollieren.

Es muss eine ausreichende Auflösung bieten.

Es muss zum Sensor passen.

Und im Idealfall muss es all dies tausende oder Millionen Mal mit konstanter Leistung tun.

Deshalb kann in einem kleinen Kameraobjektiv eine beeindruckende Menge an Technik stecken.

Bei Boshi Optics werden optische Lösungen für Anwendungen entwickelt, die von Sicherheitsüberwachung und KI-Vision bis hin zu Drohnen, Automobilbildgebung, medizinischen Geräten und anderen Bildgebungssystemen reichen. Die Fertigungskapazitäten des Unternehmens umfassen die Verarbeitung optischer Komponenten, Präzisionsformen, Spritzguss, Linsenmontage und optische Tests.

Das endgültige Bild sieht möglicherweise einfach aus.

Die Reise, die es geschaffen hat, ist alles andere als das.

Eine letzte Möglichkeit, darüber nachzudenken

Wenn Sie sich das nächste Mal eine Kameraspezifikation ansehen, sehen Sie Folgendes:

8MP-Sensor

Stellen Sie sich nicht sofort acht Millionen winzige Details vor.

Stellen Sie sich acht Millionen Möglichkeiten vor, Informationen aufzuzeichnen.

Dann fragen Sie:

Was hat ihnen das Objektiv tatsächlich geliefert?

Diese Frage liegt viel näher am Kern der optischen Technik.

Denn der Sensor zeichnet das Bild auf.

Doch bevor der Sensor etwas aufzeichnen kann, muss das Objektiv etwas liefern, das es wert ist, aufgenommen zu werden.