Può un obiettivo migliore migliorare le prestazioni di un sensore più economico?
Ecco una domanda che sentiamo sorprendentemente spesso nello sviluppo delle fotocamere:
"Se utilizziamo un obiettivo migliore, possiamo ottenere prestazioni migliori da un sensore più economico?"
La risposta onesta è:
Sì, ma non nel modo in cui potresti pensare.
Un obiettivo migliore non può trasformare magicamente un sensore da 5 MP in un sensore da 8 MP. Non può aumentare il numero di pixel fisici del sensore, migliorare la sua gamma dinamica nativa o eliminare il rumore proveniente dal sensore stesso.
Ma c’è un altro lato della storia.
Un sensore può registrare solo le informazioni ottiche che gli raggiungono.
Se l'obiettivo fornisce scarsi dettagli, basso contrasto, luce insufficiente o aberrazioni mal controllate, anche un sensore costoso viene chiamato a lavorare con informazioni compromesse.
D'altra parte, un obiettivo ben progettato può aiutare un sensore più conveniente a estrarre molto di più di ciò di cui è effettivamente capace.
E questa distinzione è estremamente importante quando si progetta una fotocamera sensibile ai costi.
Il sensore non funziona da solo
È forte la tentazione di pensare al sensore come al “motore” della fotocamera.
In realtà, il sistema di imaging è più vicino a una squadra.
La lente raccoglie e organizza la luce.
Il sensore converte quella luce in segnali elettrici.
L'ISP elabora tali segnali.
Il software e l'intelligenza artificiale interpretano quindi l'immagine risultante.
Se una parte della catena è debole, le altre componenti devono compensare.
E il risarcimento ha dei limiti.
Immagina un sensore conveniente che sia perfettamente in grado di risolvere un particolare livello di dettaglio.
Ora mettigli davanti una lente di scarsa qualità.
L'obiettivo potrebbe sfocare quel dettaglio prima che raggiunga il sensore.
Il sensore non può registrare informazioni che non gli sono mai state fornite.
Questo è il motivo per cui acquistare il sensore più costoso trattando l’obiettivo come un componente di base può rivelarsi una strategia sorprendentemente inefficiente.
Una lente migliore non aggiunge pixel. Rende i pixel più utili.
Questa è l'idea chiave.
Supponiamo che due fotocamere utilizzino esattamente lo stesso sensore.
La fotocamera A utilizza un obiettivo mediocre.
La fotocamera B utilizza un sistema ottico migliore.
Le specifiche del sensore non sono cambiate.
Entrambi hanno ancora lo stesso numero di pixel.
Ma le immagini possono apparire notevolmente diverse.
Perché?
Perché il conteggio dei pixel è solo una parte della storia.
Il sistema ottico influenza:
Risoluzione
Contrasto
Trasmissione della luce
Distorsione
Aberrazione cromatica
Nitidezza dei bordi
Uniformità dell'immagine
Una lente migliore può quindi aiutare il sensore a sfruttare meglio i pixel di cui già dispone.
Pensatela in questo modo:
Un magazzino pieno di scatole vuote non significa che hai più prodotti.
Il sensore ti dà le scatole.
L'obiettivo aiuta a determinare quante informazioni utili vengono inserite al loro interno.
MTF: dove l'obiettivo incontra il sensore
Questo è doveMTF (funzione di trasferimento della modulazione)diventa utile.
MTF descrive l'efficacia con cui un sistema ottico preserva il contrasto a diversi livelli di dettaglio.
Non è necessario diventare un ingegnere ottico per comprenderne il significato pratico.
Un obiettivo con buone prestazioni MTF può preservare i dettagli più fini con un contrasto utile.
Un obiettivo con scarse prestazioni MTF può trasformare questi dettagli in schemi sempre più deboli e sfocati.
Ciò diventa particolarmente importante con i sensori moderni, dove le dimensioni dei pixel possono essere molto piccole.
Un sensore può tecnicamente avere molti pixel, ma se l’obiettivo non è in grado di risolvere abbastanza dettagli spaziali, quei pixel non vengono utilizzati in modo efficiente.
Questo è uno dei motivi per cui un sistema ottico ben progettato a volte può far sembrare la fotocamera “più nitida” anche se il sensore stesso non è cambiato.
L'obiettivo non aggiorna il sensore.
Semplicemente sta diventando meno d'intralcio.
Più luce può anche cambiare il gioco
La risoluzione non è l'unico problema.
Le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione sono un'altra area in cui la qualità delle lenti è importante.
Un'apertura maggiore consente a più luce di raggiungere il sensore.
Per applicazioni quali sorveglianza di sicurezza, monitoraggio esterno, robotica o telecamere per veicoli, ciò può essere particolarmente utile.
Considera due fotocamere che utilizzano lo stesso sensore.
Si utilizza un obiettivo con apertura relativamente piccola.
L'altro utilizza un obiettivo con apertura maggiore con una migliore capacità di raccolta della luce.
In un ambiente luminoso, la differenza potrebbe non essere drammatica.
Di notte può diventare molto più evidente.
La seconda fotocamera potrebbe essere in grado di mantenere un livello di guadagno inferiore, una migliore esposizione e informazioni sull'immagine più pulite.
Ciò non significa che l'obiettivo abbia migliorato le caratteristiche di rumore del sensore.
Significa che l'obiettivo ha fornito al sensore un segnale ottico migliore per cominciare.
E a volte, questa è metà della battaglia.
Dove una lente migliore non può aiutare
È importante non esagerare con questo.
Un obiettivo migliore ha dei limiti.
Se il sensore ha:
Scarsa gamma dinamica
Rumore di lettura elevato
Bassa efficienza quantistica
Prestazioni cromatiche limitate
Conteggio pixel insufficiente
l'obiettivo non può risolvere completamente questi problemi.
Allo stesso modo, un obiettivo non può trasformare un sensore a bassa risoluzione in un sensore ad alta risoluzione.
Non esiste un equivalente ottico dell'aggiornamento segreto del firmware del sensore.
Se qualcuno lo promette, sii sospettoso.
Una buona ingegneria ottica mira a massimizzare le prestazioni del sistema, non a fare miracoli.
La vera opportunità è l’abbinamento del sistema
La domanda più interessante non è:
"Cos'è meglio, il sensore costoso o l'obiettivo costoso?"
È:
"Come dovrebbero essere abbinati l'obiettivo e il sensore?"
È qui che la progettazione ottica sperimentata diventa preziosa.
Un obiettivo dovrebbe essere valutato in base al sensore reale:
Formato del sensore
Dimensione pixel
Area immagine attiva
Requisiti CRA
Risoluzione richiesta
Campo visivo
Apertura
Cerchio immagine
Ad esempio, l’utilizzo di un obiettivo ad altissima risoluzione con un sensore a risoluzione relativamente bassa può fornire scarsi vantaggi pratici.
Ma l'utilizzo di un obiettivo scarsamente abbinato con un sensore capace può lasciare sul tavolo prestazioni significative.
Il punto debole è da qualche parte nel mezzo.
È qui che l’ottimizzazione dei costi diventa interessante
Per i produttori di fotocamere, ciò può avere un notevole impatto commerciale.
Immagina che un prodotto debba raggiungere uno specifico obiettivo di qualità dell'immagine rimanendo entro un rigido costo della distinta base.
L’approccio ovvio è spesso:
"Compriamo un sensore migliore."
A volte è la risposta giusta.
Ma a volte l’approccio migliore è guardare all’intero sistema di imaging.
Un design ottico migliore potrebbe consentire a un sensore più conveniente di ottenere il risultato richiesto?
Un’apertura più ampia potrebbe migliorare le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione abbastanza da ridurre la necessità di un’elaborazione aggressiva delle immagini?
Migliori prestazioni dei bordi potrebbero migliorare il rilevamento dell’intelligenza artificiale senza aumentare la risoluzione del sensore?
Potrebbe una migliore corrispondenza sensore-obiettivo fornire la qualità dell'immagine richiesta senza semplicemente aggiungere più megapixel?
Queste sono domande di ingegneria molto più interessanti.
E possono avere un impatto diretto sul costo del prodotto.
Un buon obiettivo può essere l’aggiornamento più intelligente
Questo è il motivo per cui noi diOttica BoshiSpesso consideriamo la fotocamera come un sistema ottico completo piuttosto che valutare l'obiettivo isolatamente.
Una telecamera di sicurezza, un drone, una telecamera automobilistica, un robot, una telecamera industriale o un dispositivo di imaging medico possono avere priorità completamente diverse.
La migliore soluzione ottica non è necessariamente quella più costosa.
È quello che fornisce al sensore il giusto tipo di informazioni per il lavoro.
Presso Boshi Optics, lo sviluppo e la produzione di prodotti ottici coprono applicazioni tra cui sorveglianza di sicurezza, visione con intelligenza artificiale, droni, imaging automobilistico, dispositivi medici e altri sistemi di imaging. Questo approccio basato sull'applicazione aiuta gli ingegneri a bilanciare risoluzione, apertura, campo visivo, dimensioni, distorsione e altri requisiti anziché limitarsi a perseguire le specifiche più elevate.
Quindi, un obiettivo migliore può migliorare le prestazioni di un sensore più economico?
Sì, ma con una qualificazione importante.
Un obiettivo migliore non migliora fisicamente il sensore.
Fa qualcosa di più realistico:
Può aiutare il sensore a funzionare più vicino al suo potenziale effettivo.
Una buona ottica può fornire al sensore dettagli migliori, luce più utile, contrasto più forte e qualità dell'immagine più coerente.
Per lo sviluppo di fotocamere sensibili ai costi, questa può essere una strategia molto intelligente.
Perché a volte la risposta non è:
"Compra un sensore più costoso."
A volte è:
"Smettila di far funzionare il sensore con un obiettivo mediocre."
E questa è una conversazione che vale la pena affrontare prima che il prossimo progetto della fotocamera venga bloccato in una distinta base.
