カメラのレンズはセンサーに到達する前にどうなりますか?
写真を撮ります。
瞬間的な感じがします。
光がカメラに入り、センサーがそれを捉え、何らかの形で画面に画像が表示されます。
シンプルですよね？
そうですね、光学技術者の観点から見ると、必ずしもそうではありません。
現実世界のシーンとイメージ センサー上の小さなピクセルの間で、光は驚くほど複雑な旅を通過する必要があります。光は屈折し、集束し、部分的に反射し、吸収され、歪められ、そしてうまくいけば、十分なコントラストを持って適切な場所に届けられます。
最後の部分が良いところですカメラのレンズお金を稼いでいます。
人々は時々、レンズを「画像の焦点を合わせる」ことだけが唯一の役割であるガラス片として想像します。
この説明は、F1 カーが「4 つの車輪を備えた車両」であると言うのとほぼ同じように、技術的には真実です。
さらに多くのことが起こっています。
すべては現場からの光から始まります
レンズが何かをする前に、シーンそのものがあります。
カメラの前にあるすべてのオブジェクトは光を反射または発光します。その光は、さまざまな方向からさまざまな波長でカメラに向かって進みます。
たとえば、赤い車は、単に「赤い光」を 1 つの整ったビームでカメラに向けて送信するわけではありません。光は車両のさまざまな部分から、さまざまな角度で、さまざまな強度で届きます。
レンズは、この混沌とした光線の集合を取り込み、それを画像に整理する必要があります。
それは本質的に光学システムの仕事です。
さまざまな方向から来る光を取り込み、センサー上に制御された画像を形成します。
そしてすぐに問題が発生します。
光は、エンジニアが望むように自然に動作しません。
光が空気からガラスに入ると、その方向が変わります。別の光学素子を通過すると、再び変化します。
これを屈折といいます。
各光学要素の形状と材料を慎重に選択することで、レンズ設計者はこの動作を利用して、光線が最終的にどこで交わるかを制御します。
そのため、カメラのレンズには 1 枚の単純なガラスではなく、複数の光学要素が含まれることがあります。
レンズは 1 つのレンズではありません
最新のカメラのレンズを見ると、小さな円筒形の物体が見えるかもしれません。
ただし、内部には複数の光学素子が存在する場合があります。
それぞれの要素には役割があります。
画像の焦点を合わせるのに役立つものもあります。その他は収差を修正します。エッジのパフォーマンスを向上させるものもあります。歪みや色収差の制御に役立つものもあります。
興味深いのは、これらの要素が独立して機能しないことです。
それらはシステムとして機能します。
設計者は、1 つの要素の曲率を変更した後、その効果を補正するために別の要素を調整する必要がある場合があります。
絞りを変更すると、光学動作が再び変化する可能性があります。
レンズを小さくすると設計が難しくなります。
視野が広がると歪みの制御が難しくなります。
F1.0 のパフォーマンスを要求すると、光学設計者は無料で別の悩みを抱えることになります。
このため、光学設計は基本的に妥協の作業となります。
すべてを同時に最大化することはほとんどありません。
次に絞りが登場します
光学系の内部のどこかに絞りがあります。
絞りは、レンズに入る光の量を制御する「門番」と考えることができます。
F1.0 レンズは相対口径が非常に大きいため、より小さな口径のレンズよりも大幅に多くの光を光学システムに取り込むことができます。
これは、低照度のイメージングでは特に重要になります。
しかし、落とし穴があります。
口径が大きいほど単に「優れている」というわけではありません。
絞りを開けると、光学系の外側からの光線がより多く画像の形成に関与します。これらの光線は一般に制御が困難です。
その結果、収差がより顕著になる可能性があります。
これが、高性能 F1.0 レンズの設計が、単に絞りを物理的に大きくすることよりもはるかに難しい理由の 1 つです。
ただし、夜間監視などの用途では、トレードオフに価値がある可能性があります。
利用できる光が限られている場合、より多くの光を集めることで、有益な画像とノイズの多い画像を区別することができます。
すべての光線が同じ方法でセンサーに到達するわけではありません
最新のイメージ センサー用のレンズを選択する際に特に重要になる詳細は次のとおりです。
光がセンサーに到達する角度が重要です。
エンジニアはよく次のようなことを話します。チーフ レイ アングル、または CRA。
簡単に言うと、CRA はセンサーのさまざまな領域に到達する主光線の角度を表します。
なぜ気にする必要があるのでしょうか？
なぜなら、現代のイメージセンサーは、何かが当たるのを辛抱強く待っている単純な感光性素材の平らな部分ではないからです。
フォトダイオードの上には、マイクロレンズやその他の層を含む微細な構造があります。
入射光が不適切な角度で、特にセンサーの端に向かって到達すると、センサーはその光を期待したほど効率的に利用できない可能性があります。
これが、レンズとセンサーのマッチングが重要な理由の 1 つです。
レンズの焦点距離とセンサー形式が正しくても、光学的に理想的に一致しない場合があります。
イメージサークル: レンズは実際にセンサーをカバーしますか?
驚くほど一般的な問題がもう 1 つあります。
レンズはイメージサークルを生成します。
センサーはイメージサークルの内側に位置し、アクティブエリアに該当する部分を使用します。
イメージサークルが小さすぎると、センサーの隅で十分な画像情報が得られない場合があります。
その結果、ケラレが発生したり、暗い隅が目に見えたりする可能性があります。
これが、センサーのフォーマットが重要となる理由です。
小型のセンサー用に設計されたレンズを、はるかに大型のセンサーに単純に取り付けて、完璧なパフォーマンスを期待することはできません。
2 つを物理的に接続することもできます。
しかし、視覚的には、この関係はあまり協力的ではないかもしれません。
これは、エンジニアが「1/2.7 インチ」や「1/1.8 インチ」などのラベルだけに頼るのではなく、実際のセンサーの寸法に注目する理由でもあります。
これらのフォーマット名は便利な省略表現ですが、最終的に重要なのは実際のアクティブ領域と光学要件です。
そして異常もある
ここで、光学工学は少し魅力的ではなくなります。
実際のレンズを通過する光は、必ずしも希望する場所に正確に焦点を結ぶわけではありません。
波長が異なれば、動作も異なります。
レンズの異なる部分を通過する光線の焦点も異なる場合があります。
これにより、さまざまな光学収差が発生します。
色収差により、色のにじみが発生することがあります。
球面収差により、画像の鮮明さが低下する可能性があります。
非点収差は、微細なディテールがどのように再現されるかに影響を与える可能性があります。
コマ収差により、点のようなオブジェクトが、特にエッジに向かって歪んで見えることがあります。
また、像面湾曲は、最適な焦点面が完全に平坦なセンサー技術者が望むように動作しない可能性があることを意味します。
これらの問題はどれも特に興味深いものではありません。
しかし、これらはまさに、レンズが鮮明な画像を生成するか、それとも眼鏡が必要なような疑わしい画像を生成するかを決定する類のものです。
現代の光学設計は主に、これらの不完全性を制御することに重点が置かれています。
画像がどこでも同じように鮮明ではない
これは、レンズの解像度に関する最大の誤解の 1 つをもたらします。
レンズは、中心部と周辺部で必ずしも同じように優れた性能を発揮するとは限りません。
通常、画像の中心は制御しやすいです。
端に近づくにつれて、光学性能が低下する可能性があります。
これは広角レンズの場合に特に重要です。
駐車場を監視する監視カメラを想像してください。
画像の中心が非常に鮮明になる場合があります。
しかし、車両が横から進入してきた場合はどうなるでしょうか?
エッジ解像度が低い場合、技術的にはカメラに高解像度センサーが搭載されている可能性がありますが、重要な部分ではあまり役に立たない詳細が表示されます。
このため、光学エンジニアは、レンズが「4MP」か「8MP」かを単純に問うのではなく、画像フィールド全体の MTF パフォーマンスに注目します。
ピクセル数は、センサーが何をサンプリングできるかを示します。
MTF は、光学システムがそれらのピクセルにどの程度効果的に詳細を表示できるかを知るのに役立ちます。
光がセンサーに到達する前に
レンズ要素、絞り、光学補正を通過した後でも、光は追加のコンポーネントに遭遇する可能性があります。
カメラの設計に応じて、光路には次のものが含まれる場合があります。
保護窓
・IRカットフィルター
・センサーカバーガラス
・ローパスフィルター
その他の光学コーティングまたは構造
追加の各面は光学システムに影響を与える可能性があります。
反射により透過率が低下する可能性があります。
コーティングが不十分だと、フレアやゴーストが増加する可能性があります。
センサー前面のコンポーネントの厚さと屈折特性も、焦点と光学性能に影響を与える可能性があります。
これは、すべてが非常に小さなスペースに詰め込まれているコンパクトなカメラ システムでは特に重要です。
光学設計者は単純に次のように言うことはできません。
「それはセンサーメーカーの問題です。」
光学スタック全体が重要です。
最後に光はセンサーに到達します
これらすべての相互作用を経て、光は最終的にイメージセンサーに到達します。
センサーは、入ってくる光子を電気信号に変換します。
この時点で、レンズはその役目を終えたように見えるかもしれません。
実際、ここでようやくレンズがうまく機能したかどうかがわかります。
光学システムが納入された場合:
十分な光
・良好なコントラスト
細かいディテール
収差の制御
適切な光線角度
適切な画像範囲
センサーには、操作に役立つ情報が含まれています。
そうでない場合は、画像処理システムが困難な問題を抱えていることになります。
ノイズリダクションを使用すると、ノイズを軽減できます。
シャープニングによりエッジを強調することができます。
AI アルゴリズムにより画像を改善できます。
しかし、ソフトウェアはキャプチャされなかった光学情報を完全に復元することはできません。
コンピューテーショナルイメージングがより洗練されても、光学品質が依然として重要であるのはこのためです。
レンズとセンサーの選択を同時に行う必要がある理由
これはおそらく私が最も強調したい実践的なレッスンです。
最初にセンサーを選択してから、気軽に次のように尋ねないでください。
「どのレンズを装着できますか？」
多くのプロジェクトでは、レンズとセンサーの選択を一緒に検討する必要があります。
エンジニアは以下の関係を理解する必要があります。
センサー + レンズ + 絞り + 視野 + 画像処理 + 照明
ある部分を変更すると、他の部分に影響を与える可能性があります。
ピクセル サイズが小さくなると、光学解像度の要件が増加する可能性があります。
視野が広いと、歪みやエッジパフォーマンスの課題が増加する可能性があります。
口径を大きくすると、低照度での性能が向上しますが、収差制御がより困難になります。
センサーが異なると CRA 要件が変わる可能性があります。
経験豊富な光学サプライヤーがレンズを推奨する前に、驚くほど詳細な質問をすることが多いのはこのためです。
それは彼らが事務処理を楽しんでいるからではありません。
通常、彼らは、紙の上では完璧に見えても、実際のカメラに接続するとがっかりするものを推奨することを避けようとしています。
光路はまさに決断の連鎖
シーンとセンサーの間で何が起こっているかを理解すると、次のことが明らかになります。
カメラのレンズは単なる「光を集める」ものではありません。
光を管理しているのです。
すべての光学面、すべての曲率、すべての間隔、すべてのコーティング、およびすべての機械的公差が最終画像に影響します。
レンズは十分な光を集める必要があります。
その光を正しく向ける必要があります。
収差を制御する必要があります。
十分な解像度を提供する必要があります。
センサーと一致する必要があります。
そして理想的には、これらすべてを一貫したパフォーマンスで何千回または何百万回も実行する必要があります。
小さなカメラのレンズに膨大な量のエンジニアリングが組み込まれているのはこのためです。
Boshi Optics では、セキュリティ監視や AI ビジョンから、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 システムに至るまで、幅広いアプリケーション向けに光学ソリューションを開発しています。同社の製造能力は、光学部品加工、精密成形、射出成形、レンズ組立、光学テストをカバーしています。
最終的なイメージはシンプルに見えるかもしれません。
それを生み出した旅は、決してそうではありません。
それについて考える最後の方法
次回カメラの仕様を確認すると、次のようになります。
8MPセンサー
800 万もの小さな詳細をすぐに想像しないでください。
情報を記録する機会が 800 万回あると想像してください。
次に次のように尋ねます。
レンズは実際に彼らに何をもたらしたのでしょうか？
この質問は、光学工学の核心にはるかに近いものです。
センサーが画像を記録するためです。
しかし、センサーが何かを記録する前に、レンズが記録に値するものをセンサーに提供する必要があります。
