現代のカメラの随所に非球面光学系が使われている理由

最新のカメラのレンズを分解すると、他の光学素子とは若干異なって見えるものが見つかる可能性が高くなります。

中心部が厚くなる場合があります。

異常な曲がりがある場合があります。

また、従来の球面レンズ面とは異なり、その曲率は単純な球面に従っていません。

これは非球面レンズ素子.

非球面光学系は現在、スマートフォンのカメラや小型セキュリティカメラから、自動車用画像システム、ドローン、マシンビジョンカメラ、プロ用写真レンズに至るまで、あらゆるものに使用されています。

いつもそうだったわけではありません。

それで何が変わったのでしょうか？

簡単に言うと、現代のカメラは、小型化しながらレンズにさらに多くの機能を要求しているということです。

そして残念なことに、物理学はそれを容易にすることに同意していません。

球面レンズは実は便利な妥協案である

従来のアプローチから始めましょう。

球面レンズ面は球をベースにしています。

これにより、表面の製造が比較的簡単になります。

しかし、問題があります。

球面レンズの異なる部分を通過する光線は、常に正確に同じ点に収束するとは限りません。

光軸近くの光線とレンズの外側部分を通過する光線では、焦点が異なります。

これにより、球面収差。

特にレンズを大口径で使用すると、画像の鮮明さが低下します。

この問題を補うために、さらに光学要素を追加することもできます。

そして歴史的に、それはまさにレンズ設計者が行ってきたことです。

しかし、今度は別の問題が発生します。

要素が増えると、スペース、重量、表面積が増加し、製造がより複雑になり、潜在的にコストが増加することを意味します。

最終的に、誰かが明白な質問をします。

レンズ面の形状自体を変えてみてはいかがでしょうか？

そこで非球面光学系が役に立ちます。

非球面は何が違うのでしょうか?

球面は一定の曲率半径を持っています。

非球面はそうではありません。

中心から端に向かって徐々に曲率が変化しています。

それは小さな幾何学的な違いのように聞こえるかもしれません。

光学的には非常に便利です。

表面の形状を注意深く制御することで、設計者はより制御された方法で光線を収束させることができます。

これにより、非球面素子を使用しないと従来のいくつかの球面素子が必要となる光学収差を補正することができます。

簡単に言うと:

問題を解決するためにガラスを追加する代わりに、ガラスの形状を変更できる場合があります。

これが、非球面光学が非常に重要になった主な理由の 1 つです。

本当の利点は「鋭い」だけではありません

非球面レンズはシャープネスを向上させる方法としてよく説明されます。

それは本当ですが、不完全です。

より大きな利点は、光学設計の自由度。

非球面は、設計に応じてエンジニアがいくつかの光学特性を管理するのに役立ちます。

これらには次のものが含まれる場合があります。

・球面収差

昏睡状態

乱視

・ディストーション

フィールドパフォーマンス

レンズ全体のサイズ

これはコンパクトカメラでは非常に重要です。

最新のカメラ モジュールは、多くの場合、次の機能を備えながら、非常に狭い機械スペース内に収まる必要があります。

・広い視野

・大口径

・高解像度

優れたエッジパフォーマンス

従来の球状要素のみを使用してこれらすべてを達成しようとすると、非常に困難になる可能性があります。

非球面光学は、設計者に別のツールを提供します。

また、場合によっては、適切に設計された 1 つの非球面表面が、従来の複数の表面で実行する必要があった機能を実行できることがあります。

広角カメラが非球面光学系を好む理由

広角レンズは特に難しいです。

視野が広くなるにつれて、光はますますさまざまな角度から光学システムに入ります。

それらの光線を制御し続けることはますます困難になります。

歪みを管理するのはさらに難しくなります。

エッジのパフォーマンスを維持することがより困難になります。

これが、広角カメラの設計に非球面要素が頻繁に使用される理由の 1 つです。

コンパクトな防犯カメラを考えてみましょう。

メーカーは、広い視野、小さなレンズ寸法、高解像度、および優れた低照度性能を望んでいる場合があります。

これらの要件は、光学設計をさまざまな方向に導きます。

より広い開口部は光を集めるのに役立ちます。

広い視野によりカバー範囲が広がります。

パッケージが小さいため、製品の統合が容易になります。

しかし、これらの決定のひとつひとつが光学的な課題を生み出します。

非球面は、設計者が実行可能なバランスを見つけるのに役立ちます。

スマートフォンにより非球面光学がさらに重要になった理由

スマートフォンが最もわかりやすい例かもしれません。

スマホのカメラって小さいですよね。

しかし、メーカーは、20 年前にはるかに大型のカメラから驚異的に見えたであろう画像を生成することを期待しています。

従来のガラス要素を多数追加してあらゆる光学問題を解決するには、物理​​的に十分なスペースがありません。

この解決策は、高度に最適化された光学設計です。

非球面は、非常にコンパクトなパッケージ内で大幅な補正を実現します。

同じ原理が他の小型イメージング システムにも当てはまります。

セキュリティ カメラ、組み込みビジョン モジュール、車載カメラ、ドローン、ロボット、スマート デバイスはすべて、同様のプレッシャーに直面しています。

より少ない物理スペースでより高い光学性能を実現します。

しかし、非球面は「自動的に良くなる」という意味ではありません

これは重要な点です。

非球面レンズ要素が自動的に球面レンズ要素より優れているわけではありません。

デザインツールです。

非球面の設計が不十分であっても、光学性能が低下する可能性があります。

また、非球面要素を使用しても、以下の管理の必要性がなくなるわけではありません。

・色収差

・ディストーション

・製造公差

・アライメント

・コーティング性能

熱的挙動

光学システム全体が連携して動作する必要があります。

実際、非球面では表面の形状がより複雑になるため、製造と品質管理の要求がさらに厳しくなることがあります。

つまり、本当の成果は次のような単純なものではありません。

「非球面レンズを使用しました。」

それは次のとおりです。

「適切な問題を解決するために、適切な光学幾何学形状を使用しました。」

製造業では理論が面白くなる

コンピューター上で非球面を設計することと、何千もの非球面を一貫して製造することの間には大きな違いがあります。

必要な表面形状を正確に作成する必要があります。

その後、要素を正しく組み立てる必要があります。

たとえ優れた光学設計であっても、製造公差の管理が不十分であれば、性能が低下する可能性があります。

このため、光学メーカーなどは、ボシ光学設計と製造を一緒に考える必要があります。

現代の光学製品の製造には、精密成形、光学部品の加工、組み立て、寸法検査、光学性能テストが含まれる場合があります。

光学面の要求が厳しくなるほど、プロセス制御がより重要になります。

非球面光学があらゆる場所に普及している大きな理由

では、なぜこれほど多くの最新のカメラに非球面光学系が搭載されているのでしょうか?

カメラが進化しているからです。

そちらのほうが小さいです。

センサーの方が高性能です。

視野がさらに広がります。

開口部が大きくなります。

解像度要件はさらに高くなります。

そして、カメラはますます制約された環境に設置されるようになってきています。

ドローンは巨大なレンズを搭載できません。

ロボットにはコンパクトなビジョンモジュールが必要です。

車両には、慎重に設計されたハウジングに適合するカメラが必要です。

スマホではほとんど余裕がありません。

非球面光学により、光学エンジニアはこれらの問題を解決するためのさらなる自由度を得ることができます。

これらは魔法の成分ではありません。

これらは、現代の光学設計者が持つ最も便利なツールの 1 つです。

そして、私たちが今このような小さなカメラにどれほど多くのことを求めているかを考えると、おそらくそれらに感謝する必要があるでしょう。