Warum asphärische Optiken in modernen Kameras allgegenwärtig sind
Wenn Sie ein modernes Kameraobjektiv auseinandernehmen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Sie etwas finden, das sich optisch geringfügig von den anderen optischen Elementen unterscheidet.
In der Mitte kann es dicker sein.
Es kann eine ungewöhnliche Krümmung aufweisen.
Und im Gegensatz zu einer herkömmlichen sphärischen Linsenoberfläche folgt ihre Krümmung nicht einer einfachen Kugel.
Dies ist einasphärisches Linsenelement.
Asphärische Optiken sind mittlerweile in allem zu finden, von Smartphone-Kameras und kompakten Sicherheitskameras bis hin zu Bildgebungssystemen für Kraftfahrzeuge, Drohnen, Bildverarbeitungskameras und professionellen Fotoobjektiven.
Das war nicht immer so.
Was hat sich also geändert?
Die kurze Antwort ist, dass moderne Kameras den Objektiven viel mehr abverlangen und gleichzeitig kleiner werden.
Und leider hat die Physik nicht zugestimmt, das einfach zu machen.
Eine sphärische Linse ist eigentlich ein praktischer Kompromiss
Beginnen wir mit dem traditionellen Ansatz.
Eine sphärische Linsenoberfläche basiert auf einer Kugel.
Dadurch lässt sich die Oberfläche relativ einfach herstellen.
Aber es gibt ein Problem.
Lichtstrahlen, die durch verschiedene Teile einer sphärischen Linse fallen, konvergieren nicht immer genau am gleichen Punkt.
Strahlen in der Nähe der optischen Achse und Strahlen, die durch den äußeren Teil der Linse gehen, können unterschiedlich fokussieren.
Das erzeugtsphärische Aberration.
Das Bild wird weniger scharf, insbesondere wenn das Objektiv mit einer großen Blende verwendet wird.
Sie könnten weitere optische Elemente hinzufügen, um das Problem zu beheben.
Und historisch gesehen ist es genau das, was die Objektivdesigner getan haben.
Aber jetzt hast du ein anderes Problem:
Mehr Elemente bedeuten mehr Platz, mehr Gewicht, mehr Oberflächen, mehr Komplexität bei der Herstellung und möglicherweise mehr Kosten.
Irgendwann stellt jemand die offensichtliche Frage:
Warum nicht die Form der Linsenoberfläche selbst ändern?
Hier kommen asphärische Optiken zum Einsatz.
Was zeichnet eine asphärische Oberfläche aus?
Eine Kugeloberfläche hat einen konstanten Krümmungsradius.
Bei einer asphärischen Oberfläche ist dies nicht der Fall.
Seine Krümmung ändert sich allmählich von der Mitte zum Rand.
Das mag nach einem kleinen geometrischen Unterschied klingen.
Optisch ist es äußerst brauchbar.
Durch sorgfältige Steuerung der Oberflächenform können Designer die Lichtstrahlen viel kontrollierter konvergieren lassen.
Dadurch kann ein asphärisches Element optische Aberrationen korrigieren, für die sonst mehrere herkömmliche sphärische Elemente erforderlich wären.
In einfachen Worten:
Anstatt mehr Glas hinzuzufügen, um ein Problem zu beheben, können Sie manchmal die Form des Glases ändern.
Das ist einer der Hauptgründe, warum asphärische Optiken so wichtig geworden sind.
Der wahre Vorteil ist nicht nur „schärfer“
Asphärische Linsen werden oft als eine Möglichkeit beschrieben, die Schärfe zu verbessern.
Das stimmt, aber unvollständig.
Der größere Vorteil istoptische Gestaltungsfreiheit.
Eine asphärische Oberfläche kann Ingenieuren je nach Design dabei helfen, verschiedene optische Eigenschaften zu verwalten.
Dazu können gehören:
Sphärische Aberration
Koma
Astigmatismus
Verzerrung
Leistung vor Ort
Gesamtlinsengröße
Dies ist bei Kompaktkameras von enormer Bedeutung.
Moderne Kameramodule müssen oft in sehr enge mechanische Räume passen und gleichzeitig Folgendes bieten:
Große Sichtfelder
Große Öffnungen
Hohe Auflösung
Gute Kantenleistung
All dies nur mit herkömmlichen Kugelelementen zu erreichen, kann sich als äußerst schwierig erweisen.
Asphärische Optiken geben dem Designer ein weiteres Werkzeug an die Hand.
Und manchmal kann eine gut gestaltete asphärische Oberfläche die Arbeit erledigen, die sonst mehrere herkömmliche Oberflächen leisten müssten.
Warum Weitwinkelkameras asphärische Optiken lieben
Eine besondere Herausforderung stellen Weitwinkelobjektive dar.
Mit zunehmendem Sichtfeld gelangt Licht aus immer unterschiedlichen Winkeln in das optische System.
Es wird schwieriger, diese Strahlen unter Kontrolle zu halten.
Es wird schwieriger, mit Verzerrungen umzugehen.
Die Aufrechterhaltung der Edge-Leistung wird schwieriger.
Dies ist einer der Gründe, warum asphärische Elemente in Weitwinkelkameradesigns so häufig vorkommen.
Ziehen Sie eine kompakte Überwachungskamera in Betracht.
Der Hersteller möchte möglicherweise ein großes Sichtfeld, kleine Objektivabmessungen, eine hohe Auflösung und eine gute Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen.
Diese Anforderungen ziehen das optische Design in verschiedene Richtungen.
Eine größere Blende hilft, Licht zu sammeln.
Ein breiteres Sichtfeld erhöht die Abdeckung.
Ein kleineres Paket erleichtert die Produktintegration.
Aber jede dieser Entscheidungen bringt optische Herausforderungen mit sich.
Asphärische Oberflächen können Designern dabei helfen, eine praktikable Balance zu finden.
Warum Smartphones die asphärische Optik noch wichtiger machten
Smartphones sind wahrscheinlich das am einfachsten zu verstehende Beispiel.
Eine Smartphone-Kamera ist winzig.
Dennoch erwarten die Hersteller von ihr Bilder, die vor zwanzig Jahren von einer viel größeren Kamera bemerkenswert erschienen wären.
Es gibt einfach nicht genügend Platz, um jedes optische Problem durch das Hinzufügen einer großen Anzahl herkömmlicher Glaselemente zu lösen.
Die Lösung ist ein hochoptimiertes optisches Design.
Asphärische Oberflächen können eine erhebliche Korrektur in einem sehr kompakten Gehäuse ermöglichen.
Das gleiche Prinzip gilt auch für andere Miniatur-Bildgebungssysteme.
Sicherheitskameras, eingebettete Bildverarbeitungsmodule, Automobilkameras, Drohnen, Roboter und intelligente Geräte stehen alle unter einem ähnlichen Druck:
Mehr optische Leistung auf weniger Platz.
Aber asphärisch bedeutet nicht „automatisch besser“
Das ist ein wichtiger Punkt.
Ein asphärisches Linsenelement ist einem sphärischen nicht automatisch überlegen.
Es ist ein Design-Tool.
Auch eine schlecht gestaltete asphärische Oberfläche kann zu einer schlechten optischen Leistung führen.
Und die Verwendung eines asphärischen Elements macht Folgendes nicht überflüssig:
Chromatische Aberration
Verzerrung
Herstellungstoleranzen
Ausrichtung
Beschichtungsleistung
Thermisches Verhalten
Das gesamte optische System muss weiterhin zusammenarbeiten.
Tatsächlich können asphärische Oberflächen manchmal die Herstellung und Qualitätskontrolle anspruchsvoller machen, da die Oberflächengeometrie komplexer ist.
Die eigentliche Errungenschaft besteht also nicht einfach darin:
„Wir haben eine asphärische Linse verwendet.“
Es ist:
„Wir haben die richtige optische Geometrie verwendet, um das richtige Problem zu lösen.“
In der Fertigung wird die Theorie interessant
Es gibt einen großen Unterschied zwischen dem Entwerfen einer asphärischen Oberfläche am Computer und der konsequenten Herstellung tausender davon.
Das erforderliche Oberflächenprofil muss präzise hergestellt werden.
Anschließend muss das Element korrekt zusammengebaut werden.
Selbst ein gutes optisches Design kann an Leistung verlieren, wenn die Herstellungstoleranzen schlecht kontrolliert werden.
Aus diesem Grund sind Optikhersteller wie z.BBoshi-Optikmüssen Design und Fertigung gemeinsam berücksichtigen.
Die moderne optische Produktion kann Präzisionsformung, Verarbeitung optischer Komponenten, Montage, Maßprüfung und Prüfung der optischen Leistung umfassen.
Je anspruchsvoller die optische Oberfläche, desto wichtiger wird die Prozesskontrolle.
Der Hauptgrund dafür, dass asphärische Optiken überall sind
Warum sehen wir in so vielen modernen Kameras asphärische Optiken?
Weil sich Kameras weiterentwickelt haben.
Sie sind kleiner.
Sensoren sind leistungsfähiger.
Die Sichtfelder sind breiter.
Die Blenden sind größer.
Die Anforderungen an die Auflösung sind höher.
Und Kameras werden in immer beengteren Umgebungen platziert.
Eine Drohne kann kein riesiges Objektiv tragen.
Ein Roboter braucht kompakte Vision-Module.
Ein Fahrzeug braucht Kameras, die in sorgfältig gestaltete Gehäuse passen.
Ein Smartphone hat fast keinen Platz mehr.
Asphärische Optiken geben Optikingenieuren einen weiteren Freiheitsgrad zur Lösung dieser Probleme.
Sie sind keine magische Zutat.
Sie sind einfach eines der nützlichsten Werkzeuge, über die moderne Optikdesigner verfügen.
Und wenn man bedenkt, wie viel wir heutzutage von so kleinen Kameras verlangen, sollten wir ihnen wahrscheinlich dankbar sein.
