Uma lente melhor pode fazer com que um sensor mais barato tenha melhor desempenho

Aqui está uma pergunta que ouvimos com surpreendente frequência no desenvolvimento de câmeras:

“Se usarmos uma lente melhor, poderemos obter melhor desempenho com um sensor mais barato?”

A resposta honesta é:

Sim, mas não da maneira que você imagina.

Uma lente melhor não pode transformar magicamente um sensor de 5 MP em um sensor de 8 MP. Ele não pode aumentar a contagem de pixels físicos do sensor, melhorar sua faixa dinâmica nativa ou eliminar o ruído proveniente do próprio sensor.

Mas há outro lado da história.

Um sensor só pode registrar as informações ópticas que chegam até ele.

Se a lente fornecer detalhes ruins, baixo contraste, luz insuficiente ou aberrações mal controladas, até mesmo um sensor caro será solicitado a trabalhar com informações comprometidas.

Por outro lado, uma lente bem projetada pode ajudar um sensor mais acessível a extrair muito mais daquilo que realmente é capaz.

E essa distinção é extremamente importante ao projetar uma câmera econômica.

O sensor não está funcionando sozinho

É tentador pensar no sensor como o “motor” da câmera.

Na realidade, o sistema de imagem está mais próximo de uma equipe.

A lente coleta e organiza a luz.

O sensor converte essa luz em sinais elétricos.

O ISP processa esses sinais.

O software e a IA interpretam a imagem resultante.

Se uma parte da cadeia estiver fraca, os outros componentes terão de compensar.

E a compensação tem limites.

Imagine um sensor acessível que seja perfeitamente capaz de resolver um determinado nível de detalhe.

Agora coloque uma lente de baixa qualidade na frente dela.

A lente pode desfocar esse detalhe antes mesmo de chegar ao sensor.

O sensor não pode registrar informações que nunca foram entregues a ele.

É por isso que comprar o sensor mais caro e tratar a lente como um componente de commodity pode ser uma estratégia surpreendentemente ineficiente.

Uma lente melhor não adiciona pixels. Isso torna os pixels mais úteis.

Esta é a ideia chave.

Suponha que duas câmeras usem exatamente o mesmo sensor.

A câmera A usa uma lente medíocre.

A câmera B usa um sistema óptico melhor.

As especificações do sensor não foram alteradas.

Ambos ainda têm o mesmo número de pixels.

Mas as imagens podem parecer visivelmente diferentes.

Por que?

Porque a contagem de pixels é apenas parte da história.

O sistema óptico influencia:

Resolução

Contraste

Transmissão de luz

Distorção

Aberração cromática

Nitidez das bordas

Uniformidade da imagem

Uma lente melhor pode, portanto, ajudar o sensor a aproveitar melhor os pixels que já possui.

Pense desta forma:

Um armazém cheio de caixas vazias não significa que você tenha mais produtos.

O sensor fornece as caixas.

A lente ajuda a determinar quanta informação útil é colocada dentro delas.

MTF: Onde a lente encontra o sensor

É aqui queMTF (Função de Transferência de Modulação)torna-se útil.

O MTF descreve a eficácia com que um sistema óptico preserva o contraste em diferentes níveis de detalhe.

Você não precisa se tornar um engenheiro óptico para entender o significado prático.

Uma lente com bom desempenho MTF pode preservar detalhes finos com contraste útil.

Uma lente com baixo desempenho de MTF pode transformar esses detalhes em padrões cada vez mais fracos e desfocados.

Isto se torna particularmente importante com sensores modernos, onde os tamanhos dos pixels podem ser muito pequenos.

Um sensor pode tecnicamente ter muitos pixels, mas se a lente não conseguir resolver detalhes espaciais suficientes, esses pixels não estão sendo usados ​​de forma eficiente.

Esta é uma das razões pelas quais um sistema óptico bem projetado às vezes pode fazer com que a câmera pareça “mais nítida”, mesmo que o sensor em si não tenha mudado.

A lente não está atualizando o sensor.

Está simplesmente atrapalhando menos.

Mais luz também pode mudar o jogo

A resolução não é o único problema.

O desempenho em condições de pouca luz é outra área em que a qualidade da lente é importante.

Uma abertura maior permite que mais luz alcance o sensor.

Para aplicações como vigilância de segurança, monitoramento externo, robótica ou câmeras de veículos, isso pode ser particularmente valioso.

Considere duas câmeras usando o mesmo sensor.

Um usa uma lente de abertura relativamente pequena.

A outra usa uma lente de abertura maior com melhor capacidade de captação de luz.

Em um ambiente claro, a diferença pode não ser dramática.

À noite, isso pode se tornar muito mais óbvio.

A segunda câmera pode ser capaz de manter um nível de ganho mais baixo, melhor exposição e informações de imagem mais limpas.

Isso não significa que a lente melhorou as características de ruído do sensor.

Isso significa que a lente deu ao sensor um sinal óptico melhor para começar.

E às vezes, isso é metade da batalha.

Onde uma lente melhor não pode ajudar

É importante não exagerar nisso.

Uma lente melhor tem limites.

Se o sensor tiver:

Faixa dinâmica ruim

Alto ruído de leitura

Baixa eficiência quântica

Desempenho de cores limitado

Contagem de pixels insuficiente

a lente não pode resolver completamente esses problemas.

Da mesma forma, uma lente não pode transformar um sensor de baixa resolução em um sensor de alta resolução.

Não há equivalente óptico para atualizar secretamente o firmware do sensor.

Se alguém prometer isso, desconfie.

Uma boa engenharia óptica visa maximizar o desempenho do sistema – e não realizar milagres.

A verdadeira oportunidade é a correspondência do sistema

A questão mais interessante não é:

“O que é melhor, o sensor caro ou a lente cara?”

Isso é:

“Como a lente e o sensor devem ser combinados?”

É aqui que o design óptico experiente se torna valioso.

Uma lente deve ser avaliada de acordo com o sensor real:

Formato do sensor

Tamanho do pixel

Área de imagem ativa

Requisitos de CRA

Resolução necessária

Campo de visão

Abertura

Círculo de imagem

Por exemplo, usar uma lente de resolução extremamente alta com um sensor de resolução relativamente baixa pode trazer poucos benefícios práticos.

Mas usar uma lente mal combinada com um sensor capaz pode deixar um desempenho significativo em jogo.

O ponto ideal está em algum lugar no meio.

É aqui que a otimização de custos se torna interessante

Para os fabricantes de câmeras, isso pode ter um grande impacto comercial.

Imagine que um produto precisa atingir uma meta específica de qualidade de imagem e, ao mesmo tempo, permanecer dentro de um custo estrito de BOM.

A abordagem óbvia é frequentemente:

“Vamos comprar um sensor melhor.”

Às vezes essa é a resposta certa.

Mas às vezes a melhor abordagem é observar todo o sistema de imagem.

Um design óptico melhor poderia permitir que um sensor mais acessível alcançasse o resultado desejado?

Uma abertura maior poderia melhorar o desempenho com pouca luz o suficiente para reduzir a necessidade de processamento agressivo de imagem?

Um melhor desempenho de borda poderia melhorar a detecção de IA sem aumentar a resolução do sensor?

Uma melhor correspondência sensor-lente poderia fornecer a qualidade de imagem necessária sem simplesmente adicionar mais megapixels?

Estas são questões de engenharia muito mais interessantes.

E podem ter um impacto direto no custo do produto.

Uma boa lente pode ser uma atualização mais inteligente

É por isso que nós emÓptica Boshimuitas vezes olham para a câmera como um sistema óptico completo, em vez de avaliar a lente isoladamente.

Uma câmera de segurança, um drone, uma câmera automotiva, um robô, uma câmera industrial ou um dispositivo de imagem médica podem ter prioridades completamente diferentes.

A melhor solução óptica não é necessariamente a mais cara.

É aquele que fornece ao sensor o tipo certo de informação para o trabalho.

Na Boshi Optics, o desenvolvimento e a fabricação óptica abrangem aplicações que incluem vigilância de segurança, visão de IA, drones, imagens automotivas, dispositivos médicos e outros sistemas de imagem. Essa abordagem orientada a aplicativos ajuda os engenheiros a equilibrar resolução, abertura, campo de visão, tamanho, distorção e outros requisitos, em vez de simplesmente buscar as especificações mais altas.

Então, uma lente melhor pode melhorar o desempenho de um sensor mais barato?

Sim, mas com uma qualificação importante.

Uma lente melhor não melhora fisicamente o sensor.

Faz algo mais realista:

Isso pode ajudar o sensor a ter um desempenho mais próximo de seu potencial real.

Uma boa óptica pode fornecer melhores detalhes, luz mais útil, contraste mais forte e qualidade de imagem mais consistente ao sensor.

Para o desenvolvimento de câmeras sensíveis ao custo, essa pode ser uma estratégia muito inteligente.

Porque às vezes a resposta não é:

“Compre um sensor mais caro.”

Às vezes é:

“Pare de fazer o sensor funcionar com lentes medíocres.”

E essa é uma conversa que vale a pena ter antes que o próximo projeto de câmera fique preso a uma lista técnica.