O que acontece com a lente de uma câmera antes de chegar ao sensor?

Tire uma fotografia.

Parece instantâneo.

A luz entra na câmera, o sensor a captura e de alguma forma uma imagem aparece na tela.

Simples, certo?

Bem, do ponto de vista de um engenheiro óptico, não exatamente.

Entre a cena do mundo real e os minúsculos pixels do sensor de imagem, a luz tem que passar por uma jornada surpreendentemente complicada. Ele é refratado, focado, parcialmente refletido, absorvido, distorcido e, esperançosamente – depois de tudo isso – entregue no lugar certo com contraste suficiente para ser útil.

Essa última parte é onde um bomlente da câmeraganha seu dinheiro.

Às vezes, as pessoas imaginam uma lente como um pedaço de vidro cuja única função é “focar a imagem”.

Essa descrição é tecnicamente verdadeira, aproximadamente da mesma forma que dizer que um carro de Fórmula 1 é “um veículo com quatro rodas” é verdade.

Há muito mais coisas acontecendo.

Tudo começa com a luz da cena

Antes que a lente faça qualquer coisa, existe a cena em si.

Cada objeto na frente da câmera reflete ou emite luz. Essa luz viaja em direção à câmera vindo de diferentes direções e com diferentes comprimentos de onda.

Um carro vermelho, por exemplo, não envia simplesmente “luz vermelha” em direção à câmera em um único feixe. A luz chega de diferentes partes do veículo, em diferentes ângulos, com diferentes intensidades.

A lente tem que pegar essa coleção caótica de raios de luz e organizá-la em uma imagem.

Esse é essencialmente o trabalho do sistema óptico:

Pegue a luz que vem de diferentes direções e faça com que ela forme uma imagem controlada no sensor.

E imediatamente, há um problema.

A luz não se comporta naturalmente da maneira que os engenheiros gostariam.

Quando a luz passa do ar para o vidro, sua direção muda. Ao passar por outro elemento óptico, ele muda novamente.

Isso é chamado de refração.

Ao selecionar cuidadosamente a forma e o material de cada elemento óptico, os projetistas de lentes usam esse comportamento para controlar onde os raios eventualmente se encontram.

É por isso que a lente de uma câmera pode conter vários elementos ópticos em vez de um simples pedaço de vidro.

A lente não é uma lente

Olhe para uma lente de câmera moderna e você poderá ver um pequeno objeto cilíndrico.

No interior, entretanto, pode haver vários elementos ópticos.

Cada elemento tem um trabalho.

Alguns ajudam a focar a imagem. Outros corrigem aberrações. Alguns melhoram o desempenho da borda. Alguns ajudam a controlar a distorção ou aberração cromática.

O interessante é que esses elementos não funcionam de forma independente.

Eles funcionam como um sistema.

Um designer pode alterar a curvatura de um elemento e depois precisar ajustar outro elemento para compensar o efeito.

Altere a abertura e o comportamento óptico poderá mudar novamente.

Diminua a lente e o design se tornará mais difícil.

Aumente o campo de visão e a distorção se tornará mais difícil de controlar.

Exija desempenho F1.0 e o designer óptico terá outra dor de cabeça de graça.

É por isso que o design óptico é fundamentalmente um exercício de compromisso.

Raramente você consegue maximizar tudo simultaneamente.

Então vem a abertura

Em algum lugar dentro do sistema óptico está a abertura.

Você pode pensar na abertura como o “gatekeeper” que controla a quantidade de luz que entra na lente.

Uma lente F1.0 tem uma abertura relativa muito grande, permitindo significativamente mais luz no sistema óptico do que uma lente de abertura menor.

Isso se torna especialmente importante em imagens com pouca luz.

Mas há um problema.

Uma abertura maior não significa simplesmente “melhor”.

Quando você abre a abertura, mais raios das partes externas do sistema óptico estão envolvidos na formação da imagem. Esses raios são geralmente mais difíceis de controlar.

Como resultado, as aberrações podem tornar-se mais visíveis.

Esta é uma das razões pelas quais projetar uma lente F1.0 de alto desempenho é muito mais desafiador do que simplesmente aumentar fisicamente a abertura.

Para aplicações como vigilância noturna, entretanto, a compensação pode valer a pena.

Quando a luz disponível é limitada, coletar mais luz pode fazer a diferença entre uma imagem útil e uma imagem barulhenta.

Nem todo raio chega ao sensor da mesma maneira

Aqui está um detalhe que se torna particularmente importante ao selecionar uma lente para um sensor de imagem moderno:

O ângulo em que a luz atinge o sensor é importante.

Os engenheiros falam frequentemente sobre oChefe Ray Angle, ou CRA.

Em termos simples, CRA descreve o ângulo do raio principal que atinge diferentes áreas do sensor.

Por que deveríamos nos importar?

Porque os sensores de imagem modernos não são simplesmente peças planas de material sensível à luz, esperando pacientemente que algo os atinja.

Existem estruturas microscópicas acima dos fotodiodos, incluindo microlentes e outras camadas.

Se a luz recebida chegar em um ângulo inadequado, especialmente em direção à borda do sensor, o sensor poderá não usar essa luz com a eficiência esperada.

Este é um dos motivos pelos quais a correspondência de lentes e sensores é importante.

Uma lente pode ter a distância focal e o formato de sensor corretos e ainda assim não ser uma combinação óptica ideal.

O círculo da imagem: a lente realmente cobrirá o sensor?

Aqui está outro problema surpreendentemente comum.

Uma lente produz um círculo de imagem.

O sensor fica dentro desse círculo de imagem e usa a parte que cai em sua área ativa.

Se o círculo da imagem for muito pequeno, os cantos do sensor poderão não receber informações de imagem suficientes.

O resultado pode ser vinhetas ou até cantos escuros visíveis.

É por isso que o formato do sensor é importante.

Uma lente projetada para um sensor menor não pode simplesmente ser acoplada a um sensor muito maior e ter um desempenho perfeito.

Você pode conectar fisicamente os dois.

Opticamente, entretanto, o relacionamento pode ser bem menos cooperativo.

É também por isso que os engenheiros observam as dimensões reais do sensor em vez de confiar apenas em rótulos como “1/2,7 polegada” ou “1/1,8 polegada”.

Esses nomes de formato são abreviações úteis, mas a área ativa real e os requisitos ópticos são o que importa.

E então há aberrações

É aqui que a engenharia óptica se torna um pouco menos glamorosa.

A luz que passa por uma lente real nem sempre foca exatamente onde queremos.

Diferentes comprimentos de onda podem se comportar de maneira diferente.

Os raios que passam por diferentes partes de uma lente também podem ter foco diferente.

Isso cria várias aberrações ópticas.

A aberração cromática pode produzir franjas de cores.

A aberração esférica pode reduzir a nitidez da imagem.

O astigmatismo pode afetar a forma como os detalhes são reproduzidos.

O coma pode fazer com que objetos pontiagudos pareçam distorcidos, especialmente nas bordas.

E a curvatura do campo significa que o plano de melhor foco pode não se comportar como os engenheiros de sensores perfeitamente planos prefeririam.

Nenhum desses problemas parece particularmente excitante.

Mas são exatamente o tipo de coisa que determina se uma lente produz uma imagem nítida ou algo que parece precisar de óculos.

O design óptico moderno trata principalmente do controle dessas imperfeições.

A imagem não é igualmente nítida em todos os lugares

Isso nos leva a um dos maiores mal-entendidos sobre a resolução das lentes.

Uma lente não tem necessariamente um desempenho igualmente bom no centro e nas bordas.

O centro da imagem geralmente é mais fácil de controlar.

À medida que você avança em direção ao limite, o desempenho óptico pode diminuir.

Isto é particularmente importante para lentes grande angulares.

Imagine uma câmera de vigilância monitorando um estacionamento.

O centro da imagem pode ficar extremamente nítido.

Mas o que acontece quando um veículo entra pela lateral?

Se a resolução das bordas for ruim, a câmera pode tecnicamente ter um sensor de alta resolução, ao mesmo tempo em que fornece detalhes muito menos úteis onde são importantes.

É por isso que os engenheiros ópticos analisam o desempenho do MTF em todo o campo da imagem, em vez de simplesmente perguntar se uma lente tem “4MP” ou “8MP”.

O número de pixels informa o que o sensor pode amostrar.

O MTF ajuda a informar a eficácia com que o sistema óptico pode fornecer detalhes a esses pixels.

Antes que a luz finalmente alcance o sensor

Mesmo depois de passar pelos elementos da lente, abertura e correções ópticas, a luz pode encontrar componentes adicionais.

Dependendo do design da câmera, o caminho óptico pode incluir:

Janelas de proteção

Filtros de corte IR

Vidro da tampa do sensor

Filtros passa-baixo

Outros revestimentos ou estruturas ópticas

Cada superfície adicional pode influenciar o sistema óptico.

A reflexão pode reduzir a transmissão.

Revestimentos ruins podem aumentar reflexos ou fantasmas.

A espessura e as propriedades de refração dos componentes na frente do sensor também podem afetar o foco e o desempenho óptico.

Isto é particularmente importante em sistemas de câmeras compactas, onde tudo é compactado em um espaço muito pequeno.

O designer óptico não pode simplesmente dizer:

“Esse é o problema do fabricante do sensor.”

Toda a pilha óptica é importante.

Finalmente, a luz atinge o sensor

Após todas essas interações, a luz finalmente chega ao sensor de imagem.

O sensor converte fótons recebidos em sinais elétricos.

Neste ponto, pode parecer que a lente terminou o seu trabalho.

Na verdade, é aqui que você pode finalmente ver se a lente fez bem o seu trabalho.

Se o sistema óptico for entregue:

 Luz suficiente

Bom contraste

 Detalhes finos

Aberrações controladas

Ângulos de raio apropriados

Cobertura de imagem adequada

o sensor possui informações úteis para trabalhar.

Caso contrário, o sistema de processamento de imagem terá um problema difícil em mãos.

A redução de ruído pode reduzir o ruído.

A nitidez pode melhorar as bordas.

Algoritmos de IA podem melhorar as imagens.

Mas o software não consegue recuperar perfeitamente informações ópticas que nunca foram capturadas.

É por isso que a qualidade óptica continua importante mesmo à medida que a imagem computacional se torna mais sofisticada.

Por que a seleção de lentes e sensores deve acontecer juntos

Esta é provavelmente a lição prática que eu enfatizaria mais fortemente.

Não escolha um sensor primeiro e depois pergunte casualmente:

“Que lente podemos colocar nisso?”

Para muitos projetos, a seleção de lentes e sensores deve ser considerada em conjunto.

O engenheiro precisa entender a relação entre:

Sensor + Lente + Abertura + Campo de Visão + Processamento de Imagem + Iluminação

Uma alteração em uma parte pode afetar as outras.

Um tamanho de pixel menor pode aumentar os requisitos de resolução óptica.

Um campo de visão mais amplo pode aumentar a distorção e os desafios de desempenho nas bordas.

Uma abertura maior pode melhorar o desempenho em condições de pouca luz e, ao mesmo tempo, dificultar o controle de aberrações.

Um sensor diferente pode alterar os requisitos do CRA.

É por isso que fornecedores ópticos experientes costumam fazer perguntas surpreendentemente detalhadas antes de recomendar uma lente.

Não é porque gostam de papelada.

Normalmente, eles tentam evitar recomendar algo que parece perfeito no papel e que decepciona quando conectado à câmera real.

O caminho óptico é realmente uma cadeia de decisões

Depois de entender o que acontece entre a cena e o sensor, uma coisa fica clara:

A lente de uma câmera não é simplesmente “focar a luz”.

É gerenciar a luz.

Cada superfície óptica, cada curvatura, cada espaçamento, cada revestimento e cada tolerância mecânica afetam a imagem final.

A lente deve coletar luz suficiente.

Tem que direcionar essa luz corretamente.

Tem que controlar as aberrações.

Deve fornecer resolução suficiente.

Tem que combinar com o sensor.

E, idealmente, precisa fazer tudo isso milhares ou milhões de vezes com desempenho consistente.

É por isso que uma lente de câmera pequena pode conter uma quantidade impressionante de engenharia.

Na Boshi Optics, soluções ópticas são desenvolvidas para aplicações que vão desde vigilância de segurança e visão de IA até drones, imagens automotivas, dispositivos médicos e outros sistemas de imagem. As capacidades de fabricação da empresa abrangem processamento de componentes ópticos, moldagem de precisão, moldagem por injeção, montagem de lentes e testes ópticos.

A imagem final pode parecer simples.

A jornada que o criou é tudo menos isso.

Uma última maneira de pensar sobre isso

Na próxima vez que você olhar as especificações de uma câmera e ver:

Sensor de 8 MP

não imagine imediatamente oito milhões de pequenos detalhes.

Imagine oito milhões de oportunidades para registrar informações.

Então pergunte:

O que a lente realmente proporcionou a eles?

Essa questão está muito mais próxima do cerne da engenharia óptica.

Porque o sensor grava a imagem.

Mas antes que o sensor possa registrar qualquer coisa, a lente precisa fornecer algo que valha a pena registrar.