Cosa succede all'obiettivo di una fotocamera prima che raggiunga il sensore?
Scatta una fotografia.
Sembra istantaneo.
La luce entra nella fotocamera, il sensore la cattura e in qualche modo un'immagine appare sullo schermo.
Semplice, vero?
Beh, dal punto di vista di un ingegnere ottico, non proprio.
Tra la scena del mondo reale e i minuscoli pixel del sensore di immagine, la luce deve compiere un viaggio sorprendentemente complicato. Viene rifratto, focalizzato, parzialmente riflesso, assorbito, distorto e, si spera, dopo tutto questo, consegnato nel posto giusto con un contrasto sufficiente per essere utile.
L'ultima parte è dove va beneobiettivo della fotocameraguadagna i suoi soldi.
A volte le persone immaginano un obiettivo come un pezzo di vetro il cui unico compito è “mettere a fuoco l’immagine”.
Questa descrizione è tecnicamente vera più o meno allo stesso modo in cui è vero dire che un’auto di Formula 1 è “un veicolo a quattro ruote”.
C'è molto di più da fare.
Tutto inizia con la luce della scena
Prima che l’obiettivo faccia qualsiasi cosa, c’è la scena stessa.
Ogni oggetto davanti alla telecamera riflette o emette luce. Quella luce viaggia verso la telecamera da direzioni diverse e con lunghezze d'onda diverse.
Un’auto rossa, ad esempio, non invia semplicemente “luce rossa” verso la telecamera in un unico raggio. La luce arriva da diverse parti del veicolo, da diverse angolazioni, con diverse intensità.
L'obiettivo deve prendere questa raccolta caotica di raggi luminosi e organizzarla in un'immagine.
Questo è essenzialmente il lavoro del sistema ottico:
Prendi la luce proveniente da diverse direzioni e falle formare un'immagine controllata sul sensore.
E subito sorge un problema.
La luce non si comporta naturalmente come vorrebbero gli ingegneri.
Quando la luce passa dall'aria al vetro, la sua direzione cambia. Quando passa attraverso un altro elemento ottico, cambia nuovamente.
Questa è chiamata rifrazione.
Selezionando attentamente la forma e il materiale di ciascun elemento ottico, i progettisti delle lenti sfruttano questo comportamento per controllare il punto in cui i raggi eventualmente si incontrano.
Ecco perché l'obiettivo di una fotocamera può contenere diversi elementi ottici anziché un semplice pezzo di vetro.
L'obiettivo non è un obiettivo
Guarda l'obiettivo di una fotocamera moderna e potresti vedere un piccolo oggetto cilindrico.
All'interno, invece, possono essere presenti più elementi ottici.
Ogni elemento ha un lavoro.
Alcuni aiutano a focalizzare l'immagine. Altri correggono le aberrazioni. Alcuni migliorano le prestazioni dei bordi. Alcuni aiutano a controllare la distorsione o l'aberrazione cromatica.
La parte interessante è che questi elementi non funzionano in modo indipendente.
Funzionano come un sistema.
Un progettista potrebbe modificare la curvatura di un elemento e quindi dover regolare un altro elemento per compensare l'effetto.
Cambia l'apertura e il comportamento ottico può cambiare di nuovo.
Se l'obiettivo è più piccolo, il design diventa più difficile.
Aumentando il campo visivo, la distorsione diventa più difficile da controllare.
Richiedete prestazioni F1.0 e il progettista ottico avrà un altro grattacapo gratis.
Ecco perché la progettazione ottica è fondamentalmente un esercizio di compromesso.
Raramente riesci a massimizzare tutto contemporaneamente.
Poi arriva l'apertura
Da qualche parte all'interno del sistema ottico c'è l'apertura.
Puoi pensare all'apertura come al "guardiano" che controlla la quantità di luce che entra nell'obiettivo.
Un obiettivo F1.0 ha un'apertura relativa molto ampia, consentendo l'ingresso di molta più luce nel sistema ottico rispetto a un obiettivo con apertura più piccola.
Ciò diventa particolarmente importante nelle immagini in condizioni di scarsa illuminazione.
Ma c'è un problema.
Un’apertura maggiore non significa semplicemente “migliore”.
Quando si apre l'apertura, più raggi provenienti dalle parti esterne del sistema ottico vengono coinvolti nella formazione dell'immagine. Questi raggi sono generalmente più difficili da controllare.
Di conseguenza, le aberrazioni possono diventare più evidenti.
Questo è uno dei motivi per cui progettare un obiettivo F1.0 ad alte prestazioni è molto più impegnativo che semplicemente aumentare fisicamente l'apertura.
Per applicazioni come la sorveglianza notturna, tuttavia, il compromesso può essere utile.
Quando la luce disponibile è limitata, raccoglierne di più può fare la differenza tra un'immagine utile e una rumorosa.
Non tutti i raggi arrivano al sensore nello stesso modo
Ecco un dettaglio che diventa particolarmente importante quando si seleziona un obiettivo per un moderno sensore di immagine:
L’angolo con cui la luce raggiunge il sensore è importante.
Gli ingegneri parlano spesso diCapo Ray Angle, o CRA.
In termini semplici, CRA descrive l'angolo del raggio principale che raggiunge diverse aree del sensore.
Perché dovremmo preoccuparci?
Perché i moderni sensori di immagine non sono semplicemente pezzi piatti di materiale sensibile alla luce che aspettano pazientemente che qualcosa li colpisca.
Sopra i fotodiodi sono presenti strutture microscopiche, tra cui microlenti e altri strati.
Se la luce in entrata arriva con un'angolazione inadeguata, soprattutto verso il bordo del sensore, il sensore potrebbe non utilizzare la luce in modo efficiente come previsto.
Questo è uno dei motivi per cui la corrispondenza tra obiettivo e sensore è importante.
Un obiettivo può avere la lunghezza focale e il formato del sensore corretti e tuttavia non essere una corrispondenza ottica ideale.
Il cerchio dell'immagine: l'obiettivo coprirà effettivamente il sensore?
Ecco un altro problema sorprendentemente comune.
Una lente produce un cerchio di immagini.
Il sensore si trova all'interno del cerchio dell'immagine e utilizza la porzione che rientra nella sua area attiva.
Se il cerchio dell'immagine è troppo piccolo, gli angoli del sensore potrebbero non ricevere informazioni sull'immagine sufficienti.
Il risultato può essere una vignettatura o addirittura angoli scuri visibili.
Questo è il motivo per cui il formato del sensore è importante.
Un obiettivo progettato per un sensore più piccolo non può essere semplicemente collegato a un sensore molto più grande e si prevede che funzioni perfettamente.
Potresti connettere fisicamente i due.
Dal punto di vista ottico, tuttavia, la relazione potrebbe essere meno cooperativa.
Questo è anche il motivo per cui gli ingegneri guardano alle dimensioni effettive del sensore invece di fare affidamento solo su etichette come “1/2,7 pollici” o “1/1,8 pollici”.
Questi nomi di formato sono utili come abbreviazione, ma ciò che conta in definitiva è l’area attiva effettiva e i requisiti ottici.
E poi ci sono le aberrazioni
È qui che l'ingegneria ottica diventa un po' meno affascinante.
La luce che passa attraverso una lente reale non sempre si concentra esattamente dove vogliamo.
Diverse lunghezze d'onda possono comportarsi diversamente.
Anche i raggi che passano attraverso parti diverse di una lente possono focalizzarsi in modo diverso.
Ciò crea varie aberrazioni ottiche.
L'aberrazione cromatica può produrre frange di colore.
L'aberrazione sferica può ridurre la nitidezza dell'immagine.
L'astigmatismo può influenzare la riproduzione dei dettagli più fini.
Il coma può far apparire distorti gli oggetti puntiformi, soprattutto verso i bordi.
E la curvatura del campo significa che il piano di messa a fuoco migliore potrebbe non comportarsi come preferirebbero gli ingegneri dei sensori perfettamente piatti.
Nessuno di questi problemi sembra particolarmente entusiasmante.
Ma sono esattamente il genere di cose che determinano se un obiettivo produce un'immagine nitida o qualcosa che sembra sospettosamente come se avesse bisogno di occhiali.
Il design ottico moderno riguarda in gran parte il controllo di queste imperfezioni.
L'immagine non è altrettanto nitida ovunque
Questo ci porta a uno dei più grandi malintesi sulla risoluzione dell’obiettivo.
Un obiettivo non necessariamente funziona altrettanto bene al centro e ai bordi.
Il centro dell'immagine è solitamente più facile da controllare.
Man mano che ci si sposta verso il bordo, le prestazioni ottiche possono diminuire.
Ciò è particolarmente importante per gli obiettivi grandangolari.
Immagina una telecamera di sorveglianza che monitora un parcheggio.
Il centro dell'immagine potrebbe essere estremamente nitido.
Ma cosa succede quando un veicolo entra lateralmente?
Se la risoluzione dei bordi è scarsa, la fotocamera potrebbe tecnicamente avere un sensore ad alta risoluzione fornendo dettagli molto meno utili dove conta.
Questo è il motivo per cui gli ingegneri ottici esaminano le prestazioni MTF in tutto il campo dell’immagine, anziché semplicemente chiedersi se un obiettivo è “4MP” o “8MP”.
Il numero di pixel indica cosa può campionare il sensore.
MTF ti aiuta a dirti quanto efficacemente il sistema ottico può fornire dettagli a quei pixel.
Prima che la luce raggiunga finalmente il sensore
Anche dopo essere passata attraverso gli elementi dell'obiettivo, l'apertura e le correzioni ottiche, la luce potrebbe incontrare componenti aggiuntivi.
A seconda del design della fotocamera, il percorso ottico può includere:
Finestre protettive
Filtri taglia IR
Vetro di copertura del sensore
Filtri passa-basso
Altri rivestimenti o strutture ottiche
Ogni superficie aggiuntiva può influenzare il sistema ottico.
La riflessione può ridurre la trasmissione.
I rivestimenti scadenti possono aumentare il chiarore o l'effetto ghosting.
Anche lo spessore e le proprietà di rifrazione dei componenti davanti al sensore possono influenzare la messa a fuoco e le prestazioni ottiche.
Ciò è particolarmente importante nei sistemi di fotocamere compatti in cui tutto è racchiuso in uno spazio molto piccolo.
Il progettista ottico non può semplicemente dire:
"Questo è il problema del produttore del sensore."
L'intero stack ottico è importante.
Infine, la luce raggiunge il sensore
Dopo tutte queste interazioni, la luce raggiunge finalmente il sensore di immagine.
Il sensore converte i fotoni in arrivo in segnali elettrici.
A questo punto può sembrare che l’obiettivo abbia finito il suo lavoro.
In realtà, è qui che puoi finalmente vedere se l'obiettivo ha fatto bene il suo lavoro.
Se il sistema ottico ha fornito:
Abbastanza luce
Buon contrasto
Dettagli fini
Aberrazioni controllate
Angoli dei raggi appropriati
Adeguata copertura dell'immagine
il sensore dispone di informazioni utili con cui lavorare.
In caso contrario, il sistema di elaborazione delle immagini ha tra le mani un problema difficile.
La riduzione del rumore può ridurre il rumore.
L'affilatura può migliorare i bordi.
Gli algoritmi AI possono migliorare le immagini.
Ma il software non è in grado di recuperare perfettamente le informazioni ottiche che non sono mai state acquisite.
Ecco perché la qualità ottica rimane importante anche se l’imaging computazionale diventa più sofisticato.
Perché la selezione dell'obiettivo e del sensore dovrebbe avvenire insieme
Questa è probabilmente la lezione pratica che vorrei sottolineare con maggiore forza.
Non scegliere prima un sensore e poi chiedere casualmente:
“Quale obiettivo possiamo metterci?”
Per molti progetti, la scelta dell'obiettivo e del sensore dovrebbe essere considerata insieme.
L’ingegnere deve comprendere la relazione tra:
Sensore + Obiettivo + Apertura + Campo visivo + Elaborazione immagine + Illuminazione
Una modifica ad una parte può influenzare le altre.
Una dimensione di pixel più piccola può aumentare i requisiti di risoluzione ottica.
Un campo visivo più ampio può aumentare la distorsione e le sfide legate alle prestazioni dei bordi.
Un'apertura maggiore può migliorare le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione rendendo più difficile il controllo dell'aberrazione.
Un sensore diverso può modificare i requisiti della CRA.
Questo è il motivo per cui i fornitori di ottica esperti spesso pongono domande sorprendentemente dettagliate prima di consigliare un obiettivo.
Non è perché a loro piacciono le pratiche burocratiche.
Di solito, cercano di evitare di consigliare qualcosa che sembra perfetto sulla carta e che ti delude quando è collegato alla fotocamera vera e propria.
Il percorso ottico è davvero una catena di decisioni
Una volta capito cosa succede tra la scena e il sensore, una cosa diventa chiara:
L’obiettivo di una fotocamera non è semplicemente “focalizzare la luce”.
Sta gestendo la luce.
Ogni superficie ottica, ogni curvatura, ogni spaziatura, ogni rivestimento e ogni tolleranza meccanica influisce sull'immagine finale.
L'obiettivo deve raccogliere abbastanza luce.
Deve dirigere quella luce correttamente.
Deve controllare le aberrazioni.
Deve fornire una risoluzione sufficiente.
Deve corrispondere al sensore.
E idealmente, dovrebbe fare tutto questo migliaia o milioni di volte con prestazioni costanti.
Ecco perché un piccolo obiettivo fotografico può contenere una quantità impressionante di ingegneria.
Presso Boshi Optics, vengono sviluppate soluzioni ottiche per applicazioni che vanno dalla sorveglianza di sicurezza e visione AI a droni, imaging automobilistico, dispositivi medici e altri sistemi di imaging. Le capacità produttive dell'azienda coprono la lavorazione di componenti ottici, lo stampaggio di precisione, lo stampaggio a iniezione, l'assemblaggio di lenti e i test ottici.
L'immagine finale può sembrare semplice.
Il viaggio che lo ha creato è tutt’altro.
Un ultimo modo di pensarci
La prossima volta che guardi le specifiche di una fotocamera e vedi:
Sensore da 8MP
non immaginare immediatamente otto milioni di minuscoli dettagli.
Immagina otto milioni di opportunità per registrare informazioni.
Poi chiedi:
Cosa ha effettivamente offerto loro l’obiettivo?
Questa domanda è molto più vicina al cuore dell’ingegneria ottica.
Perché il sensore registra l'immagine.
Ma prima che il sensore possa registrare qualcosa, l’obiettivo deve dargli qualcosa che valga la pena registrare.
