Kamera Lensi Sensöre Ulaşmadan Önce Ne Olur?

Bir fotoğraf çekin.

Bir anda hissediliyor.

Işık kameraya girer, sensör onu yakalar ve bir şekilde ekranınızda bir görüntü belirir.

Basit, değil mi?

Bir optik mühendisinin bakış açısından pek de öyle değil.

Işık, gerçek dünya sahnesi ile görüntü sensöründeki küçük pikseller arasında şaşırtıcı derecede karmaşık bir yolculuktan geçmek zorundadır. Kırılır, odaklanır, kısmen yansıtılır, emilir, çarpıtılır ve umarım - tüm bunlardan sonra - faydalı olması için yeterli kontrastla doğru yere iletilir.

Bu son kısım, iyi birkamera merceğiparasını kazanıyor.

İnsanlar bazen merceği tek görevi "görüntüye odaklanmak" olan bir cam parçası olarak hayal ederler.

Bu açıklama teknik olarak, bir Formula 1 aracının "dört tekerlekli bir araç" olduğunu söylemenin doğru olduğu kadar doğrudur.

Çok daha fazlası oluyor.

Her Şey Sahneden Gelen Işıkla Başlar

Objektif herhangi bir şey yapmadan önce sahnenin kendisi vardır.

Kameranın önündeki her nesne ışığı yansıtır veya yayar. Bu ışık kameraya farklı yönlerden ve farklı dalga boylarıyla gelir.

Örneğin kırmızı bir araba, kameraya tek bir ışınla "kırmızı ışık" göndermez. Işık aracın farklı yerlerinden, farklı açılardan, farklı yoğunluklarda gelir.

Objektifin bu kaotik ışık ışınları koleksiyonunu alıp bir görüntü halinde düzenlemesi gerekiyor.

Bu aslında optik sistemin işidir:

Farklı yönlerden gelen ışığı alın ve sensör üzerinde kontrollü bir görüntü oluşturmasını sağlayın.

Ve hemen bir sorun ortaya çıkıyor.

Işık doğal olarak mühendislerin istediği gibi davranmaz.

Işık havadan cama geçtiğinde yönü değişir. Başka bir optik elemandan geçtiğinde tekrar değişir.

Buna kırılma denir.

Mercek tasarımcıları, her bir optik elemanın şeklini ve malzemesini dikkatli bir şekilde seçerek, bu davranışı ışınların en sonunda nerede buluşacağını kontrol etmek için kullanır.

Bu nedenle bir kamera merceği tek bir cam parçası yerine birden fazla optik öğe içerebilir.

Lens Tek Bir Lens Değildir

Modern bir kamera merceğine baktığınızda küçük silindirik bir nesne görebilirsiniz.

Ancak içeride birden fazla optik eleman bulunabilir.

Her elementin bir görevi vardır.

Bazıları görüntünün odaklanmasına yardımcı olur. Diğerleri sapmaları düzeltir. Bazıları kenar performansını artırır. Bazıları distorsiyonu veya renk sapmasını kontrol etmeye yardımcı olur.

İşin ilginç tarafı bu unsurların bağımsız olarak çalışmamasıdır.

Bir sistem olarak çalışırlar.

Bir tasarımcı bir öğenin eğriliğini değiştirebilir ve daha sonra bu etkiyi telafi etmek için başka bir öğeyi ayarlaması gerekebilir.

Diyaframı değiştirdiğinizde optik davranış yeniden değişebilir.

Lensi küçültürseniz tasarım daha zor hale gelir.

Görüş alanını artırdığınızda distorsiyonun kontrol edilmesi zorlaşır.

F1.0 performansını talep ettiğinizde optik tasarımcı ücretsiz olarak başka bir baş ağrısıyla karşı karşıya kalır.

Optik tasarımın temelde bir uzlaşma egzersizi olmasının nedeni budur.

Her şeyi aynı anda en üst düzeye çıkarmak nadiren mümkündür.

Sonra Diyafram Geliyor

Optik sistemin içinde bir yerde açıklık bulunur.

Diyaframı, merceğe ne kadar ışığın gireceğini kontrol eden "bekçi" olarak düşünebilirsiniz.

Bir F1.0 lensin çok geniş bir bağıl açıklığı vardır ve optik sisteme daha küçük açıklıklı bir lense göre önemli ölçüde daha fazla ışık girmesine izin verir.

Bu özellikle düşük ışıklı görüntülemede önemli hale gelir.

Ama bir sorun var.

Daha büyük bir diyafram açıklığı yalnızca "daha iyi" anlamına gelmez.

Açıklığı açtığınızda, optik sistemin dış kısımlarından gelen daha fazla ışın görüntünün oluşturulmasına dahil olur. Bu ışınların kontrol edilmesi genellikle daha zordur.

Sonuç olarak sapmalar daha belirgin hale gelebilir.

Yüksek performanslı bir F1.0 lens tasarlamanın, diyafram açıklığını fiziksel olarak büyütmekten çok daha zor olmasının bir nedeni de budur.

Ancak gece gözetimi gibi uygulamalar için bu ödünleşim faydalı olabilir.

Mevcut ışık sınırlı olduğunda, daha fazlasını toplamak, kullanışlı bir görüntü ile gürültülü bir görüntü arasındaki farkı yaratabilir.

Her Işın Sensöre Aynı Şekilde Ulaşmaz

Modern bir görüntü sensörü için lens seçerken özellikle önem kazanan bir ayrıntıyı burada bulabilirsiniz:

Işığın sensöre ulaştığı açı önemlidir.

Mühendisler sıklıkla bunun hakkında konuşurlar.Şef Ray Angle veya CRA.

Basit bir ifadeyle CRA, ana ışının sensörün farklı alanlarına ulaşan açısını tanımlar.

Neden önemsemeliyiz?

Çünkü modern görüntü sensörleri, herhangi bir şeyin kendilerine çarpmasını sabırla bekleyen, ışığa duyarlı düz malzeme parçaları değildir.

Fotodiyotların üzerinde mikromercekler ve diğer katmanlar da dahil olmak üzere mikroskobik yapılar bulunur.

Gelen ışık uygun olmayan bir açıyla, özellikle sensörün kenarına doğru gelirse sensör bu ışığı beklendiği kadar verimli kullanamayabilir.

Lens ve sensör eşleşmesinin önemli olmasının bir nedeni de budur.

Bir lens, doğru odak uzaklığına ve sensör formatına sahip olmasına rağmen yine de ideal bir optik eşleşme olmayabilir.

Görüntü Çemberi: Lens Gerçekten Sensörü Kapatacak mı?

İşte şaşırtıcı derecede yaygın bir sorun daha.

Bir mercek bir görüntü çemberi oluşturur.

Sensör bu görüntü çemberinin içinde yer alır ve aktif alanına düşen kısmı kullanır.

Görüntü çemberi çok küçükse sensörün köşeleri yeterli görüntü bilgisini alamayabilir.

Sonuç, kenar ayrıntısı kaybı veya hatta görünür karanlık köşeler olabilir.

Sensör formatının önemli olmasının nedeni budur.

Daha küçük bir sensör için tasarlanan bir lens, çok daha büyük bir sensöre kolayca bağlanıp mükemmel performans göstermesi beklenemez.

İkisini fiziksel olarak bağlayabilirsiniz.

Ancak görsel olarak ilişki daha az işbirlikçi olabilir.

Mühendislerin yalnızca "1/2,7 inç" veya "1/1,8 inç" gibi etiketlere güvenmek yerine gerçek sensör boyutlarına bakmalarının nedeni de budur.

Bu format adları kullanışlı bir kısaltmadır ancak asıl önemli olan gerçek aktif alan ve optik gereksinimlerdir.

Ve Sonra Sapmalar Var

İşte burada optik mühendisliği biraz daha az çekici hale geliyor.

Gerçek bir mercekten geçen ışık her zaman tam olarak istediğimiz yere odaklanmaz.

Farklı dalga boyları farklı davranabilir.

Bir merceğin farklı kısımlarından geçen ışınlar da farklı şekilde odaklanabilir.

Bu, çeşitli optik sapmalar yaratır.

Renk sapması renk saçaklarına neden olabilir.

Küresel sapma görüntü keskinliğini azaltabilir.

Astigmatlık, ince ayrıntıların çoğaltılma şeklini etkileyebilir.

Koma, nokta benzeri nesnelerin özellikle kenarlara doğru bozuk görünmesine neden olabilir.

Ve alan eğriliği, en iyi odaklama düzleminin, mühendislerin tercih edeceği tamamen düz sensör gibi davranmayabileceği anlamına gelir.

Bu sorunların hiçbiri özellikle heyecan verici gelmiyor.

Ancak bunlar tam olarak bir merceğin net bir görüntü üretip üretmediğini veya şüpheli bir şekilde gözlüğe ihtiyacı varmış gibi görünen bir şey mi ürettiğini belirleyen türden şeylerdir.

Modern optik tasarım büyük ölçüde bu kusurların kontrol altına alınmasıyla ilgilidir.

Görüntü Her Yerde Eşit Şekilde Keskin Değil

Bu bizi lens çözünürlüğüyle ilgili en büyük yanlış anlamalardan birine getiriyor.

Bir lensin merkezde ve kenarda eşit derecede iyi performans göstermesi şart değildir.

Görüntünün merkezini kontrol etmek genellikle daha kolaydır.

Kenara doğru ilerledikçe optik performans düşebilir.

Bu özellikle geniş açılı lensler için önemlidir.

Bir otoparkı izleyen bir güvenlik kamerası düşünün.

Görüntünün merkezi aşırı derecede keskin olabilir.

Peki yandan bir araç girdiğinde ne olur?

Kenar çözünürlüğü zayıfsa, kamera teknik olarak yüksek çözünürlüklü bir sensöre sahip olabilir ve önemli olduğu yerde çok daha az kullanışlı ayrıntı sunabilir.

Bu nedenle optik mühendisleri bir lensin "4MP" mi yoksa "8MP" mi olduğunu sormak yerine görüntü alanı genelinde MTF performansına bakarlar.

Piksel sayısı size sensörün neyi örnekleyebileceğini gösterir.

MTF, optik sistemin bu piksellere ayrıntıları ne kadar etkili şekilde aktarabildiğini size anlatmaya yardımcı olur.

Işık Sonunda Sensöre Ulaşmadan Önce

Işık, mercek elemanlarından, diyafram açıklığından ve optik düzeltmelerden geçtikten sonra bile ek bileşenlerle karşılaşabilir.

Kamera tasarımına bağlı olarak optik yol şunları içerebilir:

Koruyucu pencereler

IR kesme filtreleri

Sensör kapak camı

 Alçak geçiren filtreler

Diğer optik kaplamalar veya yapılar

Her ilave yüzey optik sistemi etkileyebilir.

Yansıma iletimi azaltabilir.

Kötü kaplamalar parlamayı veya gölgelenmeyi artırabilir.

Sensörün önündeki bileşenlerin kalınlığı ve kırılma özellikleri de odaklamayı ve optik performansı etkileyebilir.

Bu, her şeyin çok küçük bir alana sığdırıldığı kompakt kamera sistemlerinde özellikle önemlidir.

Optik tasarımcı basitçe şunu söyleyemez:

"Bu sensör üreticisinin sorunu."

Optik yığının tamamı önemlidir.

Sonunda Işık Sensöre Ulaşır

Tüm bu etkileşimlerden sonra ışık nihayet görüntü sensörüne ulaşır.

Sensör, gelen fotonları elektrik sinyallerine dönüştürür.

Bu noktada lens işini bitirmiş gibi görünebilir.

Aslında burası merceğin işini iyi yapıp yapmadığını nihayet görebileceğiniz yerdir.

Optik sistem teslim edilirse:

Yeterli ışık

İyi kontrast

İnce detay

Kontrollü sapmalar

Uygun ışın açıları

Yeterli görüntü kapsamı

sensör üzerinde çalışılacak yararlı bilgilere sahiptir.

Aksi halde görüntü işleme sisteminin zor bir sorunu var demektir.

Gürültü azaltma gürültüyü azaltabilir.

Bileme kenarları geliştirebilir.

Yapay zeka algoritmaları görüntüleri iyileştirebilir.

Ancak yazılım, hiç yakalanmamış optik bilgileri mükemmel şekilde kurtaramaz.

Bu nedenle, hesaplamalı görüntüleme daha karmaşık hale gelse bile optik kalite önemini koruyor.

Lens ve Sensör Seçimi Neden Birlikte Olmalı?

Bu muhtemelen en güçlü şekilde vurgulayacağım pratik derstir.

Önce bir sensör seçip sonra gelişigüzel sormayın:

“Hangi lensi takabiliriz?”

Birçok projede lens ve sensör seçiminin birlikte düşünülmesi gerekir.

Mühendisin aşağıdakiler arasındaki ilişkiyi anlaması gerekir:

Sensör + Lens + Diyafram + Görüş Alanı + Görüntü İşleme + Aydınlatma

Bir bölümdeki değişiklik diğerlerini etkileyebilir.

Daha küçük bir piksel boyutu optik çözünürlük gereksinimlerini artırabilir.

Daha geniş bir görüş alanı distorsiyonu ve kenar performansı zorluklarını artırabilir.

Daha geniş bir diyafram açıklığı düşük ışık performansını iyileştirebilir ve sapma kontrolünü daha da zorlaştırabilir.

Farklı bir sensör CRA gerekliliklerini değiştirebilir.

Bu nedenle deneyimli optik tedarikçiler, bir lens önermeden önce sıklıkla şaşırtıcı derecede ayrıntılı sorular sorarlar.

Bunun nedeni evrak işlerinden hoşlanmaları değil.

Genellikle kağıt üzerinde mükemmel görünen ve gerçek kameraya bağlandığında sizi hayal kırıklığına uğratan bir şeyi tavsiye etmekten kaçınmaya çalışırlar.

Optik Yol Gerçekten Bir Kararlar Zinciridir

Sahne ile sensör arasında ne olduğunu anladığınızda bir şey netleşir:

Bir kamera merceği yalnızca “ışığı odaklamak” değildir.

Işığı yönetiyor.

Her optik yüzey, her eğrilik, her aralık, her kaplama ve her mekanik tolerans nihai görüntüyü etkiler.

Lensin yeterince ışık toplaması gerekiyor.

O ışığı doğru yönlendirmesi gerekiyor.

Sapkınlıkları kontrol etmesi gerekiyor.

Yeterli çözünürlük sağlamalıdır.

Sensörle eşleşmesi gerekiyor.

Ve ideal olarak tüm bunları tutarlı bir performansla binlerce veya milyonlarca kez yapması gerekir.

Bu nedenle küçük bir kamera merceği etkileyici miktarda mühendislik içerebilir.

Boshi Optics'te güvenlik gözetimi ve yapay zeka vizyonundan drone'lara, otomotiv görüntülemeye, tıbbi cihazlara ve diğer görüntüleme sistemlerine kadar çeşitli uygulamalar için optik çözümler geliştirilmektedir. Şirketin üretim yetenekleri arasında optik bileşen işleme, hassas kalıplama, enjeksiyonlu kalıplama, lens montajı ve optik testler yer almaktadır.

Son görüntü basit görünebilir.

Onu yaratan yolculuk bundan başka bir şey değil.

Bunu Düşünmenin Son Bir Yolu

Bir dahaki sefere bir kameranın teknik özelliklerine baktığınızda şunu görürsünüz:

8 MP Sensör

Sekiz milyon küçük detay parçasını hemen hayal etmeyin.

Bilgiyi kaydetmek için sekiz milyon fırsat hayal edin.

Sonra şunu sorun:

Lens onlara gerçekte ne sağladı?

Bu soru optik mühendisliğinin kalbine çok daha yakındır.

Çünkü sensör görüntüyü kaydeder.

Ancak sensörün herhangi bir şeyi kaydedebilmesi için önce merceğin ona kaydedilmeye değer bir şey vermesi gerekir.