より良いレンズはより安価なセンサーの性能を向上させることができますか

カメラ開発において驚くほどよく聞かれる質問は次のとおりです。

「より優れたレンズを使用すれば、より安価なセンサーでより優れたパフォーマンスを得ることができるでしょうか?」

正直な答えは次のとおりです。

はい、しかし、あなたが考えているような形ではありません。

より優れたレンズを使用しても、魔法のように 5MP センサーを 8MP センサーに変えることはできません。センサーの物理ピクセル数を増やしたり、ネイティブ ダイナミック レンジを改善したり、センサー自体から発生するノイズを除去したりすることはできません。

しかし、この話には別の側面もあります。

センサーは、到達した光学情報のみを記録できます。

レンズのディテールが不十分、コントラストが低い、光量が不足している、または収差が適切に制御されていない場合、たとえ高価なセンサーであっても、侵害された情報を処理することが求められます。

一方で、適切に設計されたレンズは、より手頃な価格のセンサーが実際にできることをより多く引き出すのに役立ちます。

そして、コスト重視のカメラを設計する場合、この区別は非常に重要です。

センサーは単独では機能しません

センサーをカメラの「エンジン」と考えたくなります。

実際には、イメージング システムはチームに近いものです。

レンズは光を集めて整理します。

センサーはその光を電気信号に変換します。

ISP はそれらの信号を処理します。

次に、ソフトウェアと AI が結果の画像を解釈します。

チェーンの一部が弱い場合、他のコンポーネントがそれを補わなければなりません。

そして補償には限界がある。

特定レベルの詳細を完全に解決できる手頃な価格のセンサーを想像してみてください。

次に、その前に低品質のレンズを置きます。

レンズがセンサーに到達する前にその細部がぼやけてしまう可能性があります。

センサーは、配信されなかった情報を記録することはできません。

このため、レンズを商品コンポーネントとして扱いながら最も高価なセンサーを購入するのは、驚くほど非効率な戦略となる可能性があります。

より良いレンズはピクセルを追加しません。ピクセルがさらに便利になります。

これが重要なアイデアです。

2 台のカメラがまったく同じセンサーを使用しているとします。

カメラ A は平凡なレンズを使用しています。

カメラ B はより優れた光学システムを使用しています。

センサーの仕様に変更はありません。

どちらも同じピクセル数を持っています。

しかし、画像は著しく異なって見える場合があります。

なぜ？

ピクセル数は話の一部にすぎないからです。

光学システムは以下に影響を与えます。

・解像度

・コントラスト

・光透過率

・ディストーション

・色収差

・エッジのシャープさ

・画像の均一性

したがって、より優れたレンズは、センサーがすでに備えているピクセルをより有効に活用するのに役立ちます。

このように考えてください:

倉庫が空箱でいっぱいになっても、商品が増えるわけではありません。

センサーがボックスを提供します。

レンズは、どれだけの有用な情報がその中に入れられるかを決定するのに役立ちます。

MTF: レンズとセンサーが出会う場所

ここがMTF (変調伝達関数)便利になります。

MTF は、光学システムがさまざまな詳細レベルでコントラストをどの程度効果的に維持するかを表します。

実際の意味を理解するために光学エンジニアになる必要はありません。

優れた MTF パフォーマンスを備えたレンズは、有用なコントラストを備えた微細なディテールを保存できます。

MTF パフォーマンスが低いレンズでは、細部がますます弱くぼやけたパターンになってしまう可能性があります。

これは、ピクセル サイズが非常に小さい可能性がある最新のセンサーでは特に重要になります。

技術的にはセンサーに多くのピクセルがある可能性がありますが、レンズが空間の詳細を十分に解決できない場合、それらのピクセルは効率的に使用されていません。

これが、センサー自体が変更されていない場合でも、適切に設計された光学システムによってカメラが「シャープ」に感じられる場合がある理由の 1 つです。

レンズはセンサーをアップグレードしていません。

単純に邪魔が少なくなってきています。

より多くの光がゲームを変えることもできる

解像度だけが問題ではありません。

低照度でのパフォーマンスもレンズの品質が重要な領域です。

開口部が大きいほど、より多くの光がセンサーに到達します。

これは、セキュリティ監視、屋外監視、ロボット工学、車載カメラなどのアプリケーションの場合、特に価値があります。

同じセンサーを使用する 2 台のカメラを考えてみましょう。

1つは比較的小さな口径のレンズを使用します。

もう 1 つは、より優れた集光能力を備えた大口径レンズを使用しています。

明るい環境では、違いはそれほど顕著ではないかもしれません。

夜になると、それがより顕著になることがあります。

2 台目のカメラは、より低いゲイン レベル、より良い露出、よりクリーンな画像情報を維持できる可能性があります。

それは、レンズがセンサーのノイズ特性を改善したことを意味するものではありません。

それは、レンズがセンサーに最初からより良い光信号を与えたことを意味します。

そして場合によっては、それが戦いの半分になることもあります。

より良いレンズが役に立たない場合

これを売り過ぎないことが重要です。

より優れたレンズには限界があります。

センサーに次の機能がある場合:

・ダイナミックレンジが狭い

・高い読み取りノイズ

・量子効率が低い

色のパフォーマンスが制限されている

・画素数が足りない

レンズはそれらの問題を完全に解決することはできません。

同様に、レンズで低解像度センサーを高解像度センサーに変えることはできません。

センサーのファームウェアを秘密裏にアップグレードするのと同等の光学的な方法はありません。

誰かがそう約束したら、疑ってください。

優れた光学エンジニアリングとは、奇跡を起こすことではなく、システムのパフォーマンスを最大化することです。

本当のチャンスはシステムマッチング

最も興味深い質問は次のようなものではありません。

「高価なセンサーと高価なレンズではどちらが優れていますか?」

それは次のとおりです。

「レンズとセンサーのマッチングはどうすればいいの？」

ここで、経験豊富な光学設計が役に立ちます。

レンズは実際のセンサーに従って評価する必要があります。

・センサーフォーマット

・ピクセルサイズ

アクティブ画像領域

CRA 要件

・必要な解像度

視野

・絞り

・イメージサークル

たとえば、非常に高解像度のレンズを比較的低解像度のセンサーで使用すると、実用的な利点はほとんど得られない可能性があります。

しかし、対応の悪いレンズと有能なセンサーを使用すると、大幅なパフォーマンスが損なわれる可能性があります。

スイートスポットはその中間にあります。

ここがコスト最適化の興味深いところです

カメラメーカーにとって、これは商業的に大きな影響を与える可能性があります。

製品が厳格な BOM コスト内に収まりながら、特定の画質目標を達成する必要があると想像してください。

多くの場合、明白なアプローチは次のとおりです。

「より良いセンサーを購入しましょう。」

それが正しい答えである場合もあります。

しかし、場合によっては、イメージング システム全体を検討する方がより良いアプローチになることもあります。

光学設計を改善すれば、より手頃な価格のセンサーで必要な結果を達成できるでしょうか?

より大きな口径は、積極的な画像処理の必要性を減らすのに十分なほど低照度でのパフォーマンスを向上させることができるでしょうか?

エッジパフォーマンスの向上により、センサーの解像度を上げずに AI 検出を改善できるでしょうか?

センサーとレンズのマッチングを改善すれば、単にメガピクセルを追加することなく、必要な画質を提供できるのでしょうか?

これらは、はるかに興味深い工学的な質問です。

そして、それらは製品コストに直接影響を与える可能性があります。

優れたレンズは賢いアップグレードになる可能性があります

だからこそ私たちは、ボシ光学レンズを単独で評価するのではなく、カメラを完全な光学システムとして見ることがよくあります。

セキュリティ カメラ、ドローン、車載カメラ、ロボット、産業用カメラ、医療用画像装置などでは、優先順位がまったく異なる場合があります。

最適な光学ソリューションが最も高価であるとは限りません。

これは、センサーにジョブに適した種類の情報を提供するものです。

Boshi Optics では、セキュリティ監視、AI ビジョン、ドローン、自動車用イメージング、医療機器、その他のイメージング システムなどのアプリケーションを光学開発および製造しています。このアプリケーション主導のアプローチは、エンジニアが単に最高の仕様を追い求めるのではなく、解像度、絞り、視野、サイズ、歪み、その他の要件のバランスを取るのに役立ちます。

では、より良いレンズを使えば、より安価なセンサーの性能も向上するのでしょうか?

はい、ただし重要な資格が必要です。

より優れたレンズが物理的にセンサーを向上させるわけではありません。

より現実的なことを行います。

これは、センサーが実際の潜在能力に近いパフォーマンスを発揮するのに役立ちます。

優れた光学系は、より優れたディテール、より有用な光、より強いコントラスト、より安定した画質をセンサーに提供できます。

コスト重視のカメラ開発にとって、これは非常に賢い戦略と言えます。

なぜなら、答えがそうでない場合もあるからです。

「もっと高価なセンサーを購入してください。」

場合によっては次のようなこともあります。

「平凡なレンズでセンサーを動作させるのはやめてください。」

これは、次のカメラ プロジェクトが BOM に固定される前に話し合う価値があります。