Por que a óptica asférica está em toda parte nas câmeras modernas

Se você desmontar uma lente de câmera moderna, há uma boa chance de encontrar algo que pareça um pouco diferente dos outros elementos ópticos.

Pode ser mais grosso no centro.

Pode ter uma curvatura incomum.

E, diferentemente de uma superfície de lente esférica convencional, sua curvatura não segue uma esfera simples.

Este é umelemento de lente asférica.

A óptica asférica agora é encontrada em tudo, desde câmeras de smartphones e câmeras de segurança compactas até sistemas de imagem automotivos, drones, câmeras de visão artificial e lentes fotográficas profissionais.

Nem sempre foi assim.

Então, o que mudou?

A resposta curta é que as câmeras modernas estão pedindo que as lentes façam muito mais enquanto se tornam menores.

E a física, infelizmente, não concordou em tornar isso fácil.

Uma lente esférica é na verdade um compromisso conveniente

Vamos começar com a abordagem tradicional.

Uma superfície de lente esférica é baseada em uma esfera.

Isso torna a superfície relativamente simples de fabricar.

Mas há um problema.

Os raios de luz que passam por diferentes partes de uma lente esférica nem sempre convergem exatamente no mesmo ponto.

Os raios próximos ao eixo óptico e os raios que passam pela parte externa da lente podem focar de maneira diferente.

Isso produzaberração esférica.

A imagem fica menos nítida, principalmente quando a lente é usada com uma abertura grande.

Você poderia adicionar mais elementos ópticos para compensar o problema.

E, historicamente, foi exatamente isso que os designers de lentes fizeram.

Mas agora você tem outro problema:

Mais elementos significam mais espaço, mais peso, mais superfícies, mais complexidade de fabricação e potencialmente mais custos.

Eventualmente, alguém faz a pergunta óbvia:

Por que não mudar o formato da própria superfície da lente?

É aí que a óptica asférica se torna útil.

O que torna uma superfície asférica diferente?

Uma superfície esférica tem um raio de curvatura constante.

Uma superfície asférica não.

Sua curvatura muda gradualmente do centro para a borda.

Isso pode soar como uma pequena diferença geométrica.

Opticamente, é extremamente útil.

Ao controlar cuidadosamente o formato da superfície, os designers podem fazer com que os raios de luz convirjam de uma forma muito mais controlada.

Isto permite que um elemento asférico corrija aberrações ópticas que de outra forma exigiriam vários elementos esféricos convencionais.

Em termos simples:

Em vez de adicionar mais vidro para resolver um problema, às vezes você pode alterar o formato do vidro.

Essa é uma das principais razões pelas quais a óptica asférica se tornou tão importante.

A verdadeira vantagem não é apenas “mais nítida”

As pessoas costumam descrever as lentes asféricas como uma forma de melhorar a nitidez.

Isso é verdade, mas incompleto.

A maior vantagem éliberdade de design óptico.

Uma superfície asférica pode ajudar os engenheiros a gerenciar diversas características ópticas, dependendo do projeto.

Isso pode incluir:

Aberração esférica

Coma

Astigmatismo

Distorção

Desempenho em campo

Tamanho geral da lente

Isso é extremamente importante em câmeras compactas.

Os módulos de câmera modernos muitas vezes precisam caber em espaços mecânicos muito apertados, ao mesmo tempo que fornecem:

Amplos campos de visão

Grandes aberturas

Alta resolução

Bom desempenho de borda

Tentar conseguir tudo isso usando apenas elementos esféricos convencionais pode se tornar extremamente difícil.

A óptica asférica oferece ao projetista outra ferramenta.

E, às vezes, uma superfície asférica bem projetada pode realizar o trabalho que várias superfícies convencionais precisariam realizar.

Por que as câmeras grande angulares adoram a óptica asférica

Lentes grande angulares são particularmente desafiadoras.

À medida que o campo de visão aumenta, a luz entra no sistema óptico de ângulos cada vez mais diferentes.

Manter esses raios sob controle fica mais difícil.

A distorção se torna mais difícil de gerenciar.

O desempenho da borda torna-se mais difícil de manter.

Esta é uma das razões pelas quais os elementos asféricos aparecem com tanta frequência em designs de câmeras grande angular.

Considere uma câmera de segurança compacta.

O fabricante pode querer um amplo campo de visão, lentes de dimensões pequenas, alta resolução e bom desempenho em pouca luz.

Esses requisitos levam o design óptico em diferentes direções.

Uma abertura mais ampla ajuda a coletar luz.

Um campo de visão mais amplo aumenta a cobertura.

Um pacote menor ajuda na integração do produto.

Mas cada uma dessas decisões cria desafios ópticos.

Superfícies asféricas podem ajudar os designers a encontrar um equilíbrio viável.

Por que os smartphones tornaram a óptica asférica ainda mais importante

Os smartphones são provavelmente o exemplo mais fácil de entender.

A câmera de um smartphone é minúscula.

Mesmo assim, os fabricantes esperam que ela produza imagens que teriam parecido notáveis ​​com uma câmera muito maior há vinte anos.

Simplesmente não há espaço físico suficiente para resolver todos os problemas ópticos adicionando um grande número de elementos de vidro convencionais.

A solução é um design óptico altamente otimizado.

Superfícies asféricas podem fornecer correção substancial em um pacote muito compacto.

O mesmo princípio se aplica a outros sistemas de imagem em miniatura.

Câmeras de segurança, módulos de visão incorporados, câmeras automotivas, drones, robôs e dispositivos inteligentes enfrentam pressão semelhante:

Mais desempenho óptico em menos espaço físico.

Mas asférico não significa “automaticamente melhor”

Este é um ponto importante.

Um elemento de lente asférico não é automaticamente superior a um esférico.

É uma ferramenta de design.

Uma superfície asférica mal projetada ainda pode produzir um desempenho óptico ruim.

E usar um elemento asférico não elimina a necessidade de gerenciar:

Aberração cromática

Distorção

Tolerâncias de fabricação

Alinhamento

Desempenho do revestimento

Comportamento térmico

Todo o sistema óptico ainda precisa funcionar em conjunto.

Na verdade, as superfícies asféricas podem às vezes tornar a fabricação e o controle de qualidade mais exigentes porque a geometria da superfície é mais complexa.

Portanto, a verdadeira conquista não é simplesmente:

“Usamos uma lente asférica.”

Isso é:

“Usamos a geometria óptica correta para resolver o problema certo.”

A fabricação é onde a teoria se torna interessante

Há uma grande diferença entre projetar uma superfície asférica em um computador e fabricar milhares delas de forma consistente.

O perfil de superfície necessário precisa ser produzido com precisão.

O elemento deve então ser montado corretamente.

Mesmo um bom projeto óptico pode perder desempenho se as tolerâncias de fabricação forem mal controladas.

É por isso que fabricantes ópticos comoÓptica Boshiprecisa considerar o design e a fabricação juntos.

A produção óptica moderna pode envolver moldagem de precisão, processamento de componentes ópticos, montagem, inspeção dimensional e testes de desempenho óptico.

Quanto mais exigente for a superfície óptica, mais importante se tornará o controle do processo.

A maior razão pela qual a óptica asférica está em toda parte

Então, por que vemos óptica asférica em tantas câmeras modernas?

Porque as câmeras evoluíram.

Eles são menores.

Os sensores são mais capazes.

Os campos de visão são mais amplos.

As aberturas são maiores.

Os requisitos de resolução são mais elevados.

E as câmeras estão sendo colocadas em ambientes cada vez mais restritos.

Um drone não pode carregar uma lente enorme.

Um robô precisa de módulos de visão compactos.

Um veículo precisa de câmeras que caibam em caixas cuidadosamente projetadas.

Um smartphone quase não tem espaço de sobra.

A óptica asférica dá aos engenheiros ópticos outro grau de liberdade para resolver esses problemas.

Eles não são um ingrediente mágico.

Eles são simplesmente uma das ferramentas mais úteis que os designers ópticos modernos possuem.

E considerando o quanto pedimos agora de câmeras tão pequenas, provavelmente deveríamos ser gratos por elas.