비구면 광학이 현대 카메라 어디에나 있는 이유

최신 카메라 렌즈를 분해하면 다른 광학 요소와 약간 다르게 보이는 것을 발견할 가능성이 높습니다.

중앙이 더 두꺼울 수도 있습니다.

비정상적인 곡률이 있을 수 있습니다.

그리고 기존의 구면 렌즈 표면과 달리 곡률은 단순한 구를 따르지 않습니다.

이것은비구면 렌즈 요소.

비구면 광학은 이제 스마트폰 카메라와 소형 보안 카메라부터 자동차 이미징 시스템, 드론, 머신 비전 카메라, 전문 사진 렌즈에 이르기까지 모든 제품에서 찾아볼 수 있습니다.

항상 그런 것은 아니었습니다.

그럼 무엇이 바뀌었나요?

간단히 대답하자면, 최신 카메라는 렌즈가 작아지면서 더 많은 기능을 요구한다는 것입니다.

불행하게도 물리학은 그것을 쉽게 만드는 데 동의하지 않았습니다.

구면 렌즈는 실제로 편리한 절충안입니다

전통적인 접근 방식부터 시작해 보겠습니다.

구형 렌즈 표면은 구를 기반으로 합니다.

이는 표면을 제조하기 비교적 간단하게 만듭니다.

그러나 문제가 있습니다.

구면 렌즈의 여러 부분을 통과하는 광선이 항상 정확히 같은 지점에 모이는 것은 아닙니다.

광축 근처의 광선과 렌즈 바깥 부분을 통과하는 광선은 서로 다르게 초점을 맞출 수 있습니다.

이는구면수차.

특히 렌즈를 큰 조리개에서 사용할 경우 이미지의 선명도가 떨어집니다.

문제를 보완하기 위해 더 많은 광학 요소를 추가할 수 있습니다.

그리고 역사적으로 이것이 바로 렌즈 디자이너들이 했던 일이었습니다.

하지만 이제 또 다른 문제가 생겼습니다.

요소가 많을수록 더 많은 공간, 더 많은 무게, 더 많은 표면, 더 많은 제조 복잡성 및 잠재적으로 더 많은 비용을 의미합니다.

결국 누군가는 다음과 같은 당연한 질문을 던집니다.

렌즈 표면 자체의 모양을 바꾸면 어떨까요?

비구면 광학이 유용한 곳이 바로 여기입니다.

비구면 표면의 차이점은 무엇입니까?

구형 표면은 일정한 곡률 반경을 갖습니다.

비구면 표면은 그렇지 않습니다.

곡률은 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차적으로 변합니다.

그것은 작은 기하학적 차이처럼 들릴 수도 있습니다.

광학적으로 매우 유용합니다.

표면 모양을 신중하게 제어함으로써 설계자는 광선이 훨씬 더 제어된 방식으로 수렴되도록 할 수 있습니다.

이를 통해 비구면 요소는 기존의 여러 구면 요소가 필요했던 광학 수차를 교정할 수 있습니다.

간단히 말하면:

문제를 해결하기 위해 유리를 더 추가하는 대신 때로는 유리의 모양을 변경할 수 있습니다.

이것이 비구면 광학이 그토록 중요해진 주요 이유 중 하나입니다.

진정한 장점은 단지 "더 날카롭다"는 것이 아닙니다.

사람들은 종종 비구면 렌즈를 선명도를 향상시키는 방법으로 묘사합니다.

그것은 사실이지만 불완전합니다.

더 큰 장점은광학 디자인의 자유로움.

비구면은 엔지니어가 설계에 따라 다양한 광학 특성을 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다.

여기에는 다음이 포함될 수 있습니다.

구면 수차

혼수상태

난시

왜곡

 현장 성능

전체 렌즈 크기

이는 컴팩트 카메라에서는 매우 중요합니다.

최신 카메라 모듈은 다음과 같은 기능을 제공하면서도 매우 좁은 기계 공간에 장착되어야 하는 경우가 많습니다.

넓은 시야

대형 조리개

고해상도

좋은 가장자리 성능

기존의 구형 요소만을 사용하여 이 모든 것을 달성하는 것은 매우 어려울 수 있습니다.

비구면 광학은 설계자에게 또 다른 도구를 제공합니다.

때로는 잘 설계된 하나의 비구면 표면이 여러 기존 표면이 수행해야 하는 작업을 수행할 수도 있습니다.

광각 카메라가 비구면 광학을 선호하는 이유

광각 렌즈는 특히 까다롭습니다.

시야가 넓어짐에 따라 빛은 점점 더 다양한 각도에서 광학 시스템으로 들어옵니다.

이러한 광선을 제어하는 ​​것이 점점 더 어려워지고 있습니다.

왜곡을 관리하기가 더욱 어려워집니다.

Edge 성능을 유지하기가 더욱 어려워집니다.

이것이 광각 카메라 디자인에 비구면 요소가 자주 나타나는 이유 중 하나입니다.

소형 보안 카메라를 고려해보세요.

제조업체는 넓은 시야, 작은 렌즈 크기, 높은 해상도, 우수한 저조도 성능을 원할 수 있습니다.

이러한 요구 사항은 광학 설계를 다양한 방향으로 끌어냅니다.

조리개가 넓을수록 빛을 모으는 데 도움이 됩니다.

시야가 넓어지면 적용 범위가 늘어납니다.

패키지가 작을수록 제품 통합에 도움이 됩니다.

그러나 이러한 모든 결정은 시각적인 문제를 야기합니다.

비구면 표면은 설계자가 실행 가능한 균형을 찾는 데 도움이 됩니다.

스마트폰이 비구면 광학을 더욱 중요하게 만든 이유

스마트폰은 아마도 이해하기 가장 쉬운 예일 것입니다.

스마트폰 카메라는 작습니다.

그러나 제조업체들은 이 카메라가 20년 전에는 훨씬 더 큰 카메라로 보았던 놀라운 이미지를 만들어낼 것으로 기대하고 있습니다.

많은 수의 기존 유리 요소를 추가하여 모든 광학 문제를 해결하기에는 물리적 공간이 충분하지 않습니다.

솔루션은 고도로 최적화된 광학 설계입니다.

비구면 표면은 매우 컴팩트한 패키지 내에서 상당한 보정을 제공할 수 있습니다.

다른 소형 이미징 시스템에도 동일한 원리가 적용됩니다.

보안 카메라, 임베디드 비전 모듈, 자동차 카메라, 드론, 로봇 및 스마트 장치는 모두 비슷한 압력에 직면해 있습니다.

더 적은 물리적 공간에서 더 많은 광학 성능을 제공합니다.

그러나 비구면이 "자동으로 더 좋아진다"는 의미는 아닙니다.

이것은 중요한 포인트입니다.

비구면 렌즈 요소가 자동으로 구면 렌즈 요소보다 우수하지는 않습니다.

디자인 도구입니다.

잘못 설계된 비구면 표면은 여전히 ​​낮은 광학 성능을 생성할 수 있습니다.

그리고 비구면 요소를 사용한다고 해서 다음을 관리할 필요가 없어지는 것은 아닙니다.

색수차

왜곡

제조 공차

정렬

 코팅 성능

열적 행동

전체 광학 시스템은 여전히 ​​함께 작동해야 합니다.

실제로 비구면 표면은 표면 형상이 더 복잡하기 때문에 제조 및 품질 관리가 더 까다로워질 수 있습니다.

따라서 실제 성과는 단순히 다음과 같은 것이 아닙니다.

“저희는 비구면 렌즈를 사용했습니다.”

그것은:

"우리는 올바른 문제를 해결하기 위해 올바른 광학 기하학을 사용했습니다."

제조는 이론이 흥미로워지는 곳입니다.

컴퓨터에서 비구면을 디자인하는 것과 수천 개의 비구면을 지속적으로 제조하는 것에는 큰 차이가 있습니다.

필요한 표면 프로파일을 정확하게 생성해야 합니다.

그런 다음 요소를 올바르게 조립해야 합니다.

아무리 좋은 광학 설계라도 제조 공차를 잘못 제어하면 성능이 저하될 수 있습니다.

이것이 바로 다음과 같은 광학 제조업체가보시광학설계와 제조를 함께 고려해야 합니다.

현대 광학 생산에는 정밀 성형, 광학 부품 가공, 조립, 치수 검사 및 광학 성능 테스트가 포함될 수 있습니다.

광학 표면이 까다로울수록 공정 제어가 더욱 중요해집니다.

비구면 광학이 어디에나 있는 더 큰 이유

그렇다면 왜 그렇게 많은 최신 카메라에서 비구면 광학 장치를 볼 수 있습니까?

카메라가 발전했기 때문이죠.

그들은 더 작습니다.

센서의 능력이 더 뛰어납니다.

시야가 더 넓어졌습니다.

조리개가 더 큽니다.

해상도 요구 사항이 더 높습니다.

그리고 카메라는 점점 더 제한된 환경에 배치되고 있습니다.

드론은 거대한 렌즈를 탑재할 수 없습니다.

로봇에는 소형 비전 모듈이 필요합니다.

차량에는 세심하게 설계된 하우징에 맞는 카메라가 필요합니다.

스마트폰에는 여유 공간이 거의 없습니다.

비구면 광학은 광학 엔지니어에게 이러한 문제를 해결할 수 있는 또 다른 자유도를 제공합니다.

그것들은 마법의 성분이 아닙니다.

이는 현대 광학 설계자가 갖고 있는 가장 유용한 도구 중 하나일 뿐입니다.

그리고 우리가 지금 그토록 작은 카메라에 얼마나 많은 것을 요구하는지 생각해보면, 아마도 우리는 그들에게 감사해야 할 것입니다.