Lęšių elementų skaičius yra labai svarbus optinių sistemų vaizdo gavimo našumo veiksnys ir vaidina pagrindinį vaidmenį bendrame projektavimo kontekste. Tobulėjant šiuolaikinėms vaizdo gavimo technologijoms, didėja vartotojų reikalavimai vaizdo aiškumui, spalvų tikslumui ir smulkių detalių atkūrimui, todėl reikia geriau kontroliuoti šviesos sklidimą vis kompaktiškesniuose fiziniuose apvalkaluose. Šiame kontekste lęšių elementų skaičius iškyla kaip vienas iš įtakingiausių parametrų, lemiančių optinės sistemos galimybes.
Kiekvienas papildomas objektyvo elementas suteikia laipsnišką laisvės laipsnį, leidžiantį tiksliai valdyti šviesos trajektorijas ir fokusavimo elgseną visame optiniame kelyje. Šis padidintas konstrukcijos lankstumas ne tik palengvina pagrindinio vaizdo kelio optimizavimą, bet ir leidžia tikslingai koreguoti daugybę optinių aberacijų. Pagrindinės aberacijos apima sferinę aberaciją, atsirandančią, kai kraštiniai ir paraksialiniai spinduliai nesueina į bendrą židinio tašką; komos aberaciją, pasireiškiančią asimetrišku taškinių šaltinių ištepimu, ypač vaizdo periferijos link; astigmatizmą, dėl kurio atsiranda nuo orientacijos priklausomų fokusavimo neatitikimų; lauko iškreipimą – kai vaizdo plokštuma išlenkiama, todėl susidaro ryškios centrinės sritys su pablogėjusiu kraštų fokusavimu; ir geometrinį iškraipymą, pasireiškiantį statinės arba adatų pagalvėlės formos vaizdo deformacija.
Be to, chromatinės aberacijos – tiek ašinės, tiek šoninės – dėl medžiagos dispersijos pablogina spalvų tikslumą ir kontrastą. Įtraukus papildomus lęšių elementus, ypač strateginius teigiamų ir neigiamų lęšių derinius, šias aberacijas galima sistemingai sumažinti, taip pagerinant vaizdo vienodumą visame matymo lauke.
Sparčiai evoliucionuojant didelės skiriamosios gebos vaizdavimui, dar labiau išryškėjo objektyvų sudėtingumo svarba. Pavyzdžiui, išmaniųjų telefonų fotografijoje flagmanų modeliuose dabar integruoti CMOS jutikliai, kurių pikselių skaičius viršija 50 milijonų, o kai kurie siekia net 200 milijonų, o pikselių dydis nuolat mažėja. Šie pasiekimai kelia griežtus reikalavimus krintančios šviesos kampiniam ir erdviniam nuoseklumui. Norint visapusiškai išnaudoti tokių didelio tankio jutiklių matricų skiriamąją gebą, objektyvai turi pasiekti didesnes moduliacijos perdavimo funkcijos (MTF) vertes plačiame erdvinio dažnio diapazone, užtikrindami tikslų smulkių tekstūrų perteikimą. Todėl įprasti trijų ar penkių elementų dizainai nebetinkami, todėl atsirado pažangios daugiaelementės konfigūracijos, tokios kaip 7P, 8P ir 9P architektūros. Šie dizainai leidžia geriau valdyti įstrižinius spindulių kampus, skatina beveik normalų kritimą ant jutiklio paviršiaus ir sumažina mikrolęšio trukdžius. Be to, asferinių paviršių integravimas padidina sferinės aberacijos ir iškraipymo korekcijos tikslumą, žymiai pagerindamas ryškumą nuo krašto iki krašto ir bendrą vaizdo kokybę.
Profesionaliose vaizdo gavimo sistemose optinio meistriškumo poreikis skatina dar sudėtingesnius sprendimus. Didelės diafragmos fiksuoto židinio nuotolio objektyvai (pvz., f/1.2 arba f/0.95), naudojami aukščiausios klasės DSLR ir beveidrodiniuose fotoaparatuose, yra linkę į didelę sferinę aberaciją ir komą dėl mažo lauko gylio ir didelio šviesos pralaidumo. Siekdami neutralizuoti šį poveikį, gamintojai įprastai naudoja objektyvų paketus, sudarytus iš 10–14 elementų, pasitelkdami pažangias medžiagas ir tiksliąją inžineriją. Mažos dispersijos stiklas (pvz., ED, SD) yra strategiškai išdėstytas siekiant sumažinti chromatinę dispersiją ir pašalinti spalvų iškraipymus. Asferiniai elementai pakeičia kelis sferinius komponentus, užtikrinant geresnę aberacijos korekciją, tuo pačiu sumažinant svorį ir elementų skaičių. Kai kuriuose didelio našumo modeliuose yra difrakciniai optiniai elementai (DOE) arba fluorito lęšiai, siekiant dar labiau sumažinti chromatinę aberaciją, nepadidinant reikšmingo masės. Itin didelio židinio nuotolio objektyvuose, tokiuose kaip 400 mm f/4 arba 600 mm f/4, optinė konstrukcija gali viršyti 20 atskirų elementų, kartu su slankiojančiais fokusavimo mechanizmais, kad būtų išlaikyta pastovi vaizdo kokybė nuo artimo fokusavimo iki begalybės.
Nepaisant šių privalumų, didinant lęšių elementų skaičių, reikia atlikti didelius inžinerinius kompromisus. Pirma, kiekviena oro ir stiklo sąsaja sudaro maždaug 4 % atspindžio nuostolių. Net ir naudojant pažangiausias antirefleksines dangas, įskaitant nanostruktūrines dangas (ASC), subbangos ilgio struktūras (SWC) ir daugiasluoksnes plačiajuostes dangas, kaupiamieji pralaidumo nuostoliai išlieka neišvengiami. Per didelis elementų skaičius gali sumažinti bendrą šviesos pralaidumą, sumažinti signalo ir triukšmo santykį bei padidinti jautrumą blyksniams, miglai ir kontrasto sumažėjimui, ypač esant prastam apšvietimui. Antra, gamybos tolerancijos tampa vis griežtesnės: kiekvieno lęšio ašinė padėtis, pakreipimas ir atstumas turi būti išlaikomi mikrometrų tikslumu. Nukrypimai gali sukelti neašinės aberacijos pablogėjimą arba lokalizuotą suliejimą, padidindami gamybos sudėtingumą ir sumažindami našumą.
Be to, didesnis objektyvų skaičius paprastai padidina sistemos tūrį ir masę, o tai prieštarauja miniatiūrizacijos būtinybei plataus vartojimo elektronikoje. Erdvės apribojimų turinčiose srityse, tokiose kaip išmanieji telefonai, veiksmo kameros ir prie dronų montuojamos vaizdo gavimo sistemos, didelio našumo optikos integravimas į kompaktišką formą yra didelis projektavimo iššūkis. Be to, mechaniniams komponentams, tokiems kaip automatinio fokusavimo pavaros ir optinio vaizdo stabilizavimo (OIS) moduliai, reikia pakankamai vietos objektyvų grupės judėjimui. Pernelyg sudėtingi arba prastai išdėstyti optiniai elementai gali apriboti pavaros eigą ir reagavimą, o tai pablogina fokusavimo greitį ir stabilizavimo efektyvumą.
Todėl praktiniame optiniame projekte optimalaus lęšių elementų skaičiaus parinkimas reikalauja išsamios inžinerinės kompromisų analizės. Dizaineriai turi suderinti teorines našumo ribas su realaus pasaulio apribojimais, įskaitant tikslinį pritaikymą, aplinkos sąlygas, gamybos sąnaudas ir rinkos diferenciaciją. Pavyzdžiui, mobiliųjų kamerų objektyvai masinės rinkos įrenginiuose paprastai naudoja 6P arba 7P konfigūracijas, kad subalansuotų našumą ir ekonomiškumą, o profesionalūs kino objektyvai gali teikti pirmenybę maksimaliai vaizdo kokybei dydžio ir svorio sąskaita. Tuo pačiu metu optinio projektavimo programinės įrangos, tokios kaip „Zemax“ ir „Code V“, pažanga leidžia atlikti sudėtingą daugiamačio kintamojo optimizavimą, leidžiantį inžinieriams pasiekti našumo lygius, palyginamus su didesnėmis sistemomis, naudojant mažiau elementų, patobulintais kreivumo profiliais, lūžio rodiklio parinkimu ir asferinio koeficiento optimizavimu.
Apibendrinant galima teigti, kad lęšių elementų skaičius yra ne tik optinio sudėtingumo matas, bet ir esminis kintamasis, apibrėžiantis viršutinę vaizdo gavimo našumo ribą. Tačiau geresnis optinis dizainas pasiekiamas ne vien skaitmeniniu eskalavimu, bet ir sąmoningai konstruojant subalansuotą, fizikos dėsniais pagrįstą architektūrą, kuri suderina aberacijų korekciją, perdavimo efektyvumą, konstrukcijos kompaktiškumą ir gaminamumą. Žvelgiant į ateitį, tikimasi, kad naujovės, susijusios su naujomis medžiagomis, tokiomis kaip didelio lūžio rodiklio, mažo dispersijos polimerai ir metamedžiagos, pažangios gamybos technologijos, įskaitant plokštelių lygmens liejimą ir laisvos formos paviršiaus apdorojimą, ir skaičiavimo vaizdavimas, bendrai projektuojant optiką ir algoritmus, iš naujo apibrėš „optimalaus“ lęšių skaičiaus paradigmą, sudarydamos sąlygas naujos kartos vaizdo gavimo sistemoms, pasižyminčioms didesniu našumu, didesniu intelektu ir geresniu mastelio keitimu.
Įrašo laikas: 2025 m. gruodžio 16 d.