ماذا يحدث لعدسة الكاميرا قبل أن تصل إلى المستشعر؟
التقط صورة.
إنه شعور فوري.
يدخل الضوء إلى الكاميرا، ويلتقطه المستشعر، وبطريقة ما تظهر الصورة على شاشتك.
بسيطة، أليس كذلك؟
حسنًا، من وجهة نظر مهندس بصري، ليس تمامًا.
بين مشهد العالم الحقيقي ووحدات البكسل الصغيرة الموجودة على مستشعر الصورة، يجب أن يمر الضوء برحلة معقدة بشكل مدهش. فهو ينكسر، ويركز، وينعكس جزئيًا، ويتم امتصاصه، وتشويهه، ونأمل – بعد كل ذلك – أن يتم توصيله إلى المكان الصحيح مع ما يكفي من التباين ليكون مفيدًا.
هذا الجزء الأخير هو حيث جيدةعدسة الكاميرايكسب أمواله.
يتخيل الناس أحيانًا العدسة كقطعة من الزجاج وظيفتها الوحيدة هي "تركيز الصورة".
هذا الوصف صحيح من الناحية الفنية تقريبًا بنفس الطريقة التي يكون بها القول بأن سيارة الفورمولا 1 هي "مركبة ذات أربع عجلات" صحيحًا.
هناك الكثير مما يحدث.
كل شيء يبدأ بالضوء من المشهد
قبل أن تفعل العدسة أي شيء، هناك المشهد نفسه.
كل جسم أمام الكاميرا يعكس الضوء أو يصدره. ينتقل هذا الضوء نحو الكاميرا من اتجاهات مختلفة وبأطوال موجية مختلفة.
فالسيارة الحمراء، على سبيل المثال، لا ترسل ببساطة "الضوء الأحمر" نحو الكاميرا في شعاع واحد أنيق. يصل الضوء من أجزاء مختلفة من السيارة، بزوايا مختلفة، وبكثافة مختلفة.
يجب على العدسة أن تأخذ هذه المجموعة الفوضوية من أشعة الضوء وتنظمها في صورة.
هذه هي وظيفة النظام البصري بشكل أساسي:
خذ الضوء القادم من اتجاهات مختلفة واجعله يشكل صورة يمكن التحكم فيها على المستشعر.
وعلى الفور، هناك مشكلة.
لا يتصرف الضوء بشكل طبيعي بالطريقة التي يريدها المهندسون.
عندما يمر الضوء من الهواء إلى الزجاج يتغير اتجاهه. وعندما يمر عبر عنصر بصري آخر، فإنه يتغير مرة أخرى.
وهذا ما يسمى الانكسار.
ومن خلال اختيار شكل والمادة لكل عنصر بصري بعناية، يستخدم مصممو العدسات هذا السلوك للتحكم في مكان التقاء الأشعة في النهاية.
ولهذا السبب يمكن أن تحتوي عدسة الكاميرا على عدة عناصر بصرية بدلاً من قطعة زجاجية واحدة بسيطة.
العدسة ليست عدسة واحدة
انظر إلى عدسة الكاميرا الحديثة وقد ترى جسمًا أسطوانيًا صغيرًا.
ومع ذلك، يمكن أن يكون هناك عناصر بصرية متعددة في الداخل.
كل عنصر لديه وظيفة.
يساعد البعض في تركيز الصورة. والبعض الآخر يصحح الانحرافات. بعضها يعمل على تحسين أداء الحافة. يساعد بعضها في التحكم في التشوه أو الانحراف اللوني.
والجزء المثير للاهتمام هو أن هذه العناصر لا تعمل بشكل مستقل.
إنهم يعملون كنظام.
قد يقوم المصمم بتغيير انحناء أحد العناصر ثم يحتاج إلى ضبط عنصر آخر للتعويض عن التأثير.
قم بتغيير الفتحة ويمكن أن يتغير السلوك البصري مرة أخرى.
اجعل العدسة أصغر ويصبح التصميم أكثر صعوبة.
زيادة مجال الرؤية ويصبح من الصعب السيطرة على التشويه.
اطلب أداء F1.0 وسيحصل المصمم البصري على صداع آخر مجانًا.
هذا هو السبب في أن التصميم البصري هو في الأساس تمرين على التسوية.
نادرًا ما تتمكن من تعظيم كل شيء في وقت واحد.
ثم تأتي الفتحة
في مكان ما داخل النظام البصري توجد الفتحة.
يمكنك اعتبار فتحة العدسة بمثابة "حارس البوابة" الذي يتحكم في مقدار الضوء الذي يدخل إلى العدسة.
تحتوي العدسة F1.0 على فتحة نسبية كبيرة جدًا، مما يسمح بدخول قدر أكبر من الضوء إلى النظام البصري بشكل ملحوظ مقارنة بالعدسة ذات الفتحة الأصغر.
يصبح هذا مهمًا بشكل خاص في التصوير في الإضاءة المنخفضة.
ولكن هناك صيد.
الفتحة الأكبر لا تعني ببساطة "الأفضل".
عندما تفتح الفتحة، يشارك المزيد من الأشعة من الأجزاء الخارجية للنظام البصري في تكوين الصورة. يصعب التحكم في هذه الأشعة بشكل عام.
ونتيجة لذلك، يمكن أن تصبح الانحرافات أكثر وضوحا.
وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل تصميم عدسة F1.0 عالية الأداء يمثل تحديًا أكبر بكثير من مجرد جعل الفتحة أكبر فعليًا.
ومع ذلك، بالنسبة لتطبيقات مثل المراقبة الليلية، يمكن أن تكون المقايضة جديرة بالاهتمام.
عندما يكون الضوء المتاح محدودًا، فإن جمع المزيد منه يمكن أن يحدث فرقًا بين الصورة المفيدة والصورة الصاخبة.
لا يصل كل شعاع إلى المستشعر بنفس الطريقة
إليك التفاصيل التي تصبح ذات أهمية خاصة عند اختيار عدسة لمستشعر صور حديث:
إن الزاوية التي يصل بها الضوء إلى المستشعر مهمة.
كثيرا ما يتحدث المهندسون عنرئيس زاوية راي، أو CRA.
بعبارات بسيطة، تصف CRA زاوية وصول الشعاع الرئيسي إلى مناطق مختلفة من المستشعر.
لماذا يجب أن نهتم؟
لأن مستشعرات الصور الحديثة ليست مجرد قطع مسطحة من مادة حساسة للضوء تنتظر بصبر أي شيء يصيبها.
توجد هياكل مجهرية فوق الثنائيات الضوئية، بما في ذلك العدسات الدقيقة والطبقات الأخرى.
إذا وصل الضوء الوارد إلى زاوية غير مناسبة، خاصة باتجاه حافة المستشعر، فقد لا يستخدم المستشعر هذا الضوء بكفاءة كما هو متوقع.
وهذا هو أحد أسباب أهمية مطابقة العدسة وأجهزة الاستشعار.
يمكن أن يكون للعدسة البعد البؤري الصحيح وتنسيق المستشعر ولا تزال غير مطابقة بصرية مثالية.
دائرة الصورة: هل ستغطي العدسة المستشعر فعليًا؟
إليك مشكلة أخرى شائعة بشكل مدهش.
تنتج العدسة دائرة صورة.
يقع المستشعر داخل دائرة الصورة ويستخدم الجزء الذي يقع في منطقته النشطة.
إذا كانت دائرة الصورة صغيرة جدًا، فقد لا تتلقى زوايا المستشعر معلومات كافية عن الصورة.
يمكن أن تكون النتيجة التظليل أو حتى الزوايا المظلمة المرئية.
هذا هو سبب أهمية تنسيق المستشعر.
لا يمكن ببساطة توصيل العدسة المصممة لمستشعر أصغر بمستشعر أكبر بكثير ومن المتوقع أن تعمل بشكل مثالي.
يمكنك ربط الاثنين جسديًا.
لكن من الناحية البصرية، قد تكون العلاقة أقل تعاونًا.
ولهذا السبب أيضًا ينظر المهندسون إلى أبعاد المستشعر الفعلية بدلاً من الاعتماد فقط على تسميات مثل "1/2.7 بوصة" أو "1/1.8 بوصة".
تعد أسماء التنسيقات هذه اختصارًا مفيدًا، ولكن المنطقة النشطة الفعلية والمتطلبات البصرية هي ما يهم في النهاية.
وبعد ذلك هناك انحرافات
هنا تصبح الهندسة البصرية أقل بريقًا.
الضوء الذي يمر عبر عدسة حقيقية لا يركز دائمًا على المكان الذي نريده بالضبط.
يمكن أن تتصرف الأطوال الموجية المختلفة بشكل مختلف.
قد يتم أيضًا تركيز الأشعة التي تمر عبر أجزاء مختلفة من العدسة بشكل مختلف.
وهذا يخلق انحرافات بصرية مختلفة.
انحراف لوني يمكن أن تنتج التهديب اللون.
الانحراف الكروي يمكن أن يقلل من حدة الصورة.
يمكن أن يؤثر الاستجماتيزم على كيفية إعادة إنتاج التفاصيل الدقيقة.
يمكن للغيبوبة أن تجعل الأجسام النقطية تبدو مشوهة، خاصة تجاه الحواف.
ويعني انحناء المجال أن المستوى الأفضل للتركيز قد لا يتصرف بالطريقة التي يفضلها مهندسو المستشعرات المسطحة تمامًا.
لا تبدو أي من هذه المشكلات مثيرة بشكل خاص.
لكنها بالضبط نوع الأشياء التي تحدد ما إذا كانت العدسة تنتج صورة واضحة أو شيئًا يبدو مريبًا وكأنه يحتاج إلى نظارات.
يدور التصميم البصري الحديث إلى حد كبير حول التحكم في هذه العيوب.
الصورة ليست حادة بنفس القدر في كل مكان
يقودنا هذا إلى أحد أكبر حالات سوء الفهم حول دقة العدسة.
لا تعمل العدسة بالضرورة بشكل جيد على قدم المساواة في المركز وعند الحافة.
عادةً ما يكون التحكم في مركز الصورة أسهل.
أثناء تحركك نحو الحافة، يمكن أن ينخفض الأداء البصري.
وهذا مهم بشكل خاص للعدسات واسعة الزاوية.
تخيل كاميرا مراقبة تراقب موقف السيارات.
قد يكون مركز الصورة حادًا للغاية.
ولكن ماذا يحدث عندما تدخل السيارة من الجانب؟
إذا كانت دقة الحافة ضعيفة، فقد تحتوي الكاميرا من الناحية الفنية على مستشعر عالي الدقة مع تقديم تفاصيل أقل فائدة بكثير عندما يكون ذلك مهمًا.
ولهذا السبب ينظر مهندسو البصريات إلى أداء MTF عبر مجال الصورة، بدلاً من مجرد السؤال عما إذا كانت العدسة "4MP" أو "8MP".
يخبرك عدد البكسلات بما يمكن للمستشعر أخذ عينات منه.
يساعدك MTF في إخبارك بمدى فعالية النظام البصري في تقديم التفاصيل إلى تلك البكسلات.
قبل أن يصل الضوء أخيرًا إلى المستشعر
حتى بعد المرور عبر عناصر العدسة والفتحة والتصحيحات البصرية، قد يواجه الضوء مكونات إضافية.
اعتمادًا على تصميم الكاميرا، يمكن أن يشمل المسار البصري ما يلي:
نوافذ واقية
مرشحات قطع الأشعة تحت الحمراء
زجاج غطاء المستشعر
مرشحات تمرير منخفض
طلاءات أو هياكل بصرية أخرى
يمكن لكل سطح إضافي أن يؤثر على النظام البصري.
الانعكاس يمكن أن يقلل من انتقال العدوى.
يمكن أن تؤدي الطلاءات الرديئة إلى زيادة التوهج أو الظلال.
يمكن أن تؤثر أيضًا سماكة المكونات الموجودة أمام المستشعر وخصائصها الانكسارية على التركيز والأداء البصري.
وهذا مهم بشكل خاص في أنظمة الكاميرات المدمجة حيث يتم تعبئة كل شيء في مساحة صغيرة جدًا.
لا يمكن للمصمم البصري أن يقول ببساطة:
"هذه هي مشكلة الشركة المصنعة لأجهزة الاستشعار."
المجموعة الضوئية بأكملها مهمة.
وأخيرًا، يصل الضوء إلى المستشعر
وبعد كل هذه التفاعلات، يصل الضوء أخيرًا إلى مستشعر الصورة.
يقوم المستشعر بتحويل الفوتونات الواردة إلى إشارات كهربائية.
في هذه المرحلة، قد يبدو أن العدسة قد أنهت مهمتها.
في الواقع، هذا هو المكان الذي يمكنك فيه أخيرًا معرفة ما إذا كانت العدسة قد قامت بعملها بشكل جيد.
إذا قام النظام البصري بتسليم:
ما يكفي من الضوء
التباين الجيد
التفاصيل الدقيقة
الانحرافات التي تسيطر عليها
زوايا الشعاع المناسبة
تغطية صورة كافية
يحتوي المستشعر على معلومات مفيدة للعمل معها.
إذا لم يكن الأمر كذلك، فإن نظام معالجة الصور يواجه مشكلة صعبة بين يديه.
الحد من الضوضاء يمكن أن يقلل من الضوضاء.
شحذ يمكن أن يعزز الحواف.
يمكن لخوارزميات الذكاء الاصطناعي تحسين الصور.
لكن البرمجيات لا تستطيع استعادة المعلومات البصرية التي لم يتم التقاطها مطلقًا.
ولهذا السبب تظل الجودة البصرية مهمة حتى عندما يصبح التصوير الحسابي أكثر تعقيدًا.
لماذا يجب أن يتم اختيار العدسة والمستشعر معًا
ربما يكون هذا هو الدرس العملي الذي أود التأكيد عليه بقوة.
لا تختر جهاز استشعار أولاً ثم تسأل عرضًا:
"ما هي العدسة التي يمكننا وضعها عليها؟"
بالنسبة للعديد من المشاريع، ينبغي النظر في اختيار العدسة والمستشعر معًا.
وعلى المهندس أن يفهم العلاقة بين:
المستشعر + العدسة + فتحة العدسة + مجال الرؤية + معالجة الصور + الإضاءة
التغيير في جزء واحد يمكن أن يؤثر على الأجزاء الأخرى.
يمكن أن يؤدي حجم البكسل الأصغر إلى زيادة متطلبات الدقة البصرية.
يمكن أن يؤدي مجال الرؤية الأوسع إلى زيادة التشويه وتحديات أداء الحافة.
يمكن للفتحة الأكبر تحسين الأداء في الإضاءة المنخفضة مع جعل التحكم في الانحراف أكثر صعوبة.
يمكن لمستشعر مختلف تغيير متطلبات CRA.
ولهذا السبب غالبًا ما يطرح موردو البصريات ذوو الخبرة أسئلة مفصلة بشكل مدهش قبل التوصية بالعدسة.
ليس لأنهم يستمتعون بالأعمال الورقية.
عادةً ما يحاولون تجنب التوصية بشيء يبدو مثاليًا على الورق ويخيب ظنك عند توصيله بالكاميرا الفعلية.
المسار البصري هو في الواقع سلسلة من القرارات
بمجرد أن تفهم ما يحدث بين المشهد والمستشعر، يصبح هناك شيء واحد واضح:
عدسة الكاميرا ليست مجرد "تركيز الضوء".
إنها إدارة الضوء.
كل سطح بصري، كل انحناء، كل مسافة، كل طلاء، وكل تسامح ميكانيكي يؤثر على الصورة النهائية.
يجب أن تجمع العدسة ما يكفي من الضوء.
يجب عليه توجيه هذا الضوء بشكل صحيح.
وعليها السيطرة على الانحرافات.
يجب أن توفر القرار الكافي.
يجب أن يتطابق مع المستشعر.
ومن الناحية المثالية، فإنه يحتاج إلى القيام بكل هذا آلاف أو ملايين المرات بأداء متسق.
ولهذا السبب يمكن أن تحتوي عدسة الكاميرا الصغيرة على قدر هائل من الهندسة.
في Boshi Optics، يتم تطوير الحلول البصرية لتطبيقات تتراوح من المراقبة الأمنية ورؤية الذكاء الاصطناعي إلى الطائرات بدون طيار وتصوير السيارات والأجهزة الطبية وأنظمة التصوير الأخرى. تغطي قدرات التصنيع للشركة معالجة المكونات البصرية، والقولبة الدقيقة، والقولبة بالحقن، وتجميع العدسات، والاختبار البصري.
قد تبدو الصورة النهائية بسيطة.
الرحلة التي خلقتها ليست كذلك.
طريقة أخيرة للتفكير في الأمر
في المرة القادمة التي تنظر فيها إلى مواصفات الكاميرا وترى:
مستشعر 8 ميجابكسل
لا تتخيل على الفور ثمانية ملايين قطعة صغيرة من التفاصيل.
تخيل ثمانية ملايين فرصة لتسجيل المعلومات.
ثم اسأل:
ماذا قدمت لهم العدسة فعليًا؟
هذا السؤال أقرب بكثير إلى قلب الهندسة البصرية.
لأن المستشعر يسجل الصورة.
ولكن قبل أن يتمكن المستشعر من تسجيل أي شيء، يجب أن تمنحه العدسة شيئًا يستحق التسجيل.
