Perché le ottiche asferiche sono ovunque nelle fotocamere moderne
Se smonti l'obiettivo di una fotocamera moderna, ci sono buone probabilità che troverai qualcosa che sembra leggermente diverso dagli altri elementi ottici.
Potrebbe essere più spesso al centro.
Potrebbe avere una curvatura insolita.
E a differenza della superficie di una lente sferica convenzionale, la sua curvatura non segue una semplice sfera.
Questo è unelemento della lente asferica.
Le ottiche asferiche si trovano ora ovunque, dalle fotocamere degli smartphone alle telecamere di sicurezza compatte, ai sistemi di imaging automobilistico, ai droni, alle telecamere per la visione artificiale e agli obiettivi fotografici professionali.
Non è sempre stato così.
Quindi cosa è cambiato?
La risposta breve è che le fotocamere moderne chiedono agli obiettivi di fare molto di più pur diventando più piccoli.
E la fisica, sfortunatamente, non ha accettato di rendere tutto ciò facile.
Una lente sferica è in realtà un comodo compromesso
Cominciamo con l'approccio tradizionale.
La superficie di una lente sferica è basata su una sfera.
Ciò rende la superficie relativamente semplice da produrre.
Ma c'è un problema.
I raggi luminosi che attraversano parti diverse di una lente sferica non sempre convergono esattamente nello stesso punto.
I raggi vicini all'asse ottico e i raggi che passano attraverso la parte esterna dell'obiettivo possono mettere a fuoco in modo diverso.
Questo produceaberrazione sferica.
L'immagine diventa meno nitida, in particolare quando l'obiettivo viene utilizzato con un'apertura ampia.
Potresti aggiungere più elementi ottici per compensare il problema.
E storicamente, questo è esattamente ciò che hanno fatto i progettisti di obiettivi.
Ma ora hai un altro problema:
Più elementi significano più spazio, più peso, più superfici, più complessità di produzione e potenzialmente più costi.
Alla fine qualcuno pone la domanda ovvia:
Perché non cambiare la forma della superficie della lente stessa?
È qui che diventano utili le ottiche asferiche.
Cosa rende diversa una superficie asferica?
Una superficie sferica ha un raggio di curvatura costante.
Una superficie asferica no.
La sua curvatura cambia gradualmente dal centro verso il bordo.
Potrebbe sembrare una piccola differenza geometrica.
Otticamente è estremamente utile.
Controllando attentamente la forma della superficie, i progettisti possono far convergere i raggi luminosi in modo molto più controllato.
Ciò consente a un elemento asferico di correggere le aberrazioni ottiche che altrimenti richiederebbero diversi elementi sferici convenzionali.
In termini semplici:
Invece di aggiungere altro vetro per risolvere un problema, a volte puoi modificare la forma del vetro.
Questo è uno dei motivi principali per cui l’ottica asferica è diventata così importante.
Il vero vantaggio non è solo “più nitido”
Le persone spesso descrivono le lenti asferiche come un modo per migliorare la nitidezza.
Questo è vero, ma incompleto.
Il vantaggio più grande èlibertà di progettazione ottica.
Una superficie asferica può aiutare gli ingegneri a gestire diverse caratteristiche ottiche, a seconda del progetto.
Questi possono includere:
Aberrazione sferica
Coma
Astigmatismo
Distorsione
Prestazione sul campo
Dimensioni complessive dell'obiettivo
Questo è estremamente importante nelle fotocamere compatte.
I moderni moduli telecamera spesso devono essere inseriti in spazi meccanici molto ristretti fornendo comunque:
Ampi campi visivi
Grandi aperture
Alta risoluzione
Buone prestazioni ai bordi
Cercare di ottenere tutto ciò utilizzando solo elementi sferici convenzionali può diventare estremamente difficile.
Le ottiche asferiche danno al progettista un altro strumento.
E a volte, una superficie asferica ben progettata può svolgere il lavoro che altrimenti dovrebbero svolgere diverse superfici convenzionali.
Perché le fotocamere grandangolari amano l'ottica asferica
Gli obiettivi grandangolari sono particolarmente impegnativi.
Man mano che il campo visivo diventa più ampio, la luce entra nel sistema ottico da angolazioni sempre più diverse.
Mantenere quei raggi sotto controllo diventa più difficile.
La distorsione diventa più difficile da gestire.
Le prestazioni Edge diventano più difficili da mantenere.
Questo è uno dei motivi per cui gli elementi asferici compaiono così frequentemente nei progetti di fotocamere grandangolari.
Considera una telecamera di sicurezza compatta.
Il produttore potrebbe desiderare un ampio campo visivo, dimensioni ridotte dell'obiettivo, alta risoluzione e buone prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione.
Questi requisiti spingono il design ottico in direzioni diverse.
Un'apertura più ampia aiuta a raccogliere la luce.
Un campo visivo più ampio aumenta la copertura.
Un pacchetto più piccolo facilita l'integrazione del prodotto.
Ma ognuna di queste decisioni crea sfide ottiche.
Le superfici asferiche possono aiutare i progettisti a trovare un equilibrio praticabile.
Perché gli smartphone hanno reso l'ottica asferica ancora più importante
Gli smartphone sono probabilmente l’esempio più semplice da comprendere.
La fotocamera di uno smartphone è minuscola.
Eppure i produttori si aspettano che produca immagini che vent’anni fa sarebbero sembrate straordinarie da una fotocamera molto più grande.
Semplicemente non c'è abbastanza spazio fisico per risolvere ogni problema ottico aggiungendo un gran numero di elementi in vetro convenzionali.
La soluzione è un design ottico altamente ottimizzato.
Le superfici asferiche possono fornire una correzione sostanziale all'interno di un pacchetto molto compatto.
Lo stesso principio si applica ad altri sistemi di imaging in miniatura.
Telecamere di sicurezza, moduli di visione integrati, telecamere automobilistiche, droni, robot e dispositivi intelligenti sono tutti sottoposti a pressioni simili:
Maggiori prestazioni ottiche in meno spazio fisico.
Ma asferico non significa “automaticamente migliore”
Questo è un punto importante.
Una lente asferica non è automaticamente superiore a una sferica.
È uno strumento di progettazione.
Una superficie asferica mal progettata può comunque produrre prestazioni ottiche scadenti.
E l’utilizzo di un elemento asferico non elimina la necessità di gestire:
Aberrazione cromatica
Distorsione
Tolleranze di fabbricazione
Allineamento
Prestazioni del rivestimento
Comportamento termico
L'intero sistema ottico deve ancora funzionare insieme.
Infatti, le superfici asferiche a volte possono rendere la produzione e il controllo qualità più impegnativi perché la geometria della superficie è più complessa.
Quindi il vero risultato non è semplicemente:
"Abbiamo utilizzato una lente asferica."
È:
"Abbiamo utilizzato la giusta geometria ottica per risolvere il problema giusto."
La produzione è il luogo in cui la teoria diventa interessante
C’è una grande differenza tra progettare una superficie asferica su un computer e produrne migliaia in modo coerente.
Il profilo della superficie richiesto deve essere prodotto con precisione.
L'elemento deve quindi essere assemblato correttamente.
Anche un buon design ottico può perdere prestazioni se le tolleranze di produzione non sono adeguatamente controllate.
Questo è il motivo per cui i produttori di ottica comeOttica Boshinecessità di considerare progettazione e produzione insieme.
La moderna produzione ottica può comportare stampaggio di precisione, lavorazione di componenti ottici, assemblaggio, ispezione dimensionale e test delle prestazioni ottiche.
Quanto più impegnativa è la superficie ottica, tanto più importante diventa il controllo del processo.
Il motivo principale per cui le ottiche asferiche sono ovunque
Allora perché vediamo l'ottica asferica in così tante fotocamere moderne?
Perché le fotocamere si sono evolute.
Sono più piccoli.
I sensori sono più capaci.
I campi visivi sono più ampi.
Le aperture sono più grandi.
I requisiti di risoluzione sono più elevati.
E le telecamere vengono collocate in ambienti sempre più limitati.
Un drone non può trasportare un obiettivo enorme.
Un robot ha bisogno di moduli di visione compatti.
Un veicolo ha bisogno di telecamere che si inseriscano in custodie progettate con cura.
Uno smartphone non ha quasi spazio a disposizione.
L'ottica asferica offre agli ingegneri ottici un altro grado di libertà per risolvere questi problemi.
Non sono un ingrediente magico.
Sono semplicemente uno degli strumenti più utili di cui dispongono i moderni progettisti ottici.
E considerando quanto oggi chiediamo a fotocamere così piccole, probabilmente dovremmo esserne grati.
