Кількість лінзових елементів є критичним фактором, що визначає продуктивність зображення в оптичних системах, і відіграє центральну роль у загальній структурі проектування. З розвитком сучасних технологій обробки зображень посилюються вимоги користувачів до чіткості зображення, точності передачі кольору та відтворення дрібних деталей, що вимагає більшого контролю над поширенням світла в межах дедалі компактніших фізичних оболонок. У цьому контексті кількість лінзових елементів стає одним із найважливіших параметрів, що визначають можливості оптичної системи.
Кожен додатковий елемент лінзи додає додатковий ступінь свободи, що дозволяє точно маніпулювати траєкторіями світла та поведінкою фокусування по всьому оптичному шляху. Ця підвищена гнучкість конструкції не тільки сприяє оптимізації основного шляху зображення, але й дозволяє цілеспрямовано коригувати множинні оптичні аберації. Основні аберації включають сферичну аберацію, яка виникає, коли крайові та параксіальні промені не сходяться в спільній фокальній точці; аберацію коми, яка проявляється як асиметричне розмиття точкових джерел, особливо на периферії зображення; астигматизм, який призводить до розбіжностей фокусування, залежних від орієнтації; кривизну поля, де площина зображення викривляється, що призводить до різких центральних областей з погіршеним фокусуванням на краях; та геометричні спотворення, що проявляються у вигляді бочкоподібної або подушкоподібної деформації зображення.
Крім того, хроматичні аберації — як осьові, так і латеральні — викликані дисперсією матеріалу, знижують точність кольору та контрастність. Завдяки впровадженню додаткових лінзових елементів, особливо шляхом стратегічних комбінацій позитивних та негативних лінз, ці аберації можна систематично зменшити, тим самим покращуючи однорідність зображення по всьому полю зору.
Швидка еволюція зображень з високою роздільною здатністю ще більше посилила важливість складності об'єктивів. Наприклад, у фотографії смартфонів флагманські моделі тепер інтегрують CMOS-сенсори з кількістю пікселів понад 50 мільйонів, деякі з яких досягають 200 мільйонів, поряд з постійним зменшенням розмірів пікселів. Ці досягнення накладають суворі вимоги до кутової та просторової узгодженості падаючого світла. Щоб повною мірою використовувати роздільну здатність таких матриць сенсорів високої щільності, об'єктиви повинні досягати вищих значень функції передачі модуляції (MTF) у широкому просторовому діапазоні частот, забезпечуючи точне відтворення дрібних текстур. Отже, традиційні три- або п'ятиелементні конструкції більше не є адекватними, що спонукає до впровадження вдосконалених багатоелементних конфігурацій, таких як архітектури 7P, 8P та 9P. Ці конструкції забезпечують чудовий контроль над кутами косих променів, сприяючи майже нормальному падінню на поверхню сенсора та мінімізуючи перехресні перешкоди мікролінз. Крім того, інтеграція асферичних поверхонь підвищує точність корекції сферичної аберації та спотворень, значно покращуючи різкість від краю до краю та загальну якість зображення.
У професійних системах обробки зображень попит на оптичну досконалість спонукає до ще складніших рішень. Об'єктиви з великою діафрагмою (наприклад, f/1.2 або f/0.95), що використовуються у високоякісних дзеркальних та бездзеркальних камерах, за своєю суттю схильні до сильної сферичної аберації та коми через малу глибину різкості та високу світлопроникність. Щоб протидіяти цим ефектам, виробники зазвичай використовують стеки лінз, що складаються з 10-14 елементів, використовуючи передові матеріали та точну інженерію. Низькодисперсійне скло (наприклад, ED, SD) стратегічно використовується для придушення хроматичної дисперсії та усунення кольорової облямівки. Асферичні елементи замінюють кілька сферичних компонентів, досягаючи чудової корекції аберації, зменшуючи при цьому вагу та кількість елементів. Деякі високопродуктивні конструкції включають дифракційні оптичні елементи (DOE) або флюоритові лінзи для подальшого придушення хроматичної аберації без значного додавання маси. В ультрателеоб'єктивах зі змінною фокусною відстанню, таких як 400 мм f/4 або 600 мм f/4, оптичний вузол може перевищувати 20 окремих елементів у поєднанні з механізмами плаваючого фокусування для підтримки стабільної якості зображення від близького фокусування до нескінченності.
Незважаючи на ці переваги, збільшення кількості лінзових елементів призводить до значних інженерних компромісів. По-перше, кожен інтерфейс «повітря-скло» призводить до втрати відбиття приблизно на 4%. Навіть із найсучаснішими антибліковими покриттями, включаючи наноструктуровані покриття (ASC), субхвильові структури (SWC) та багатошарові широкосмугові покриття, кумулятивні втрати пропускання залишаються неминучими. Надмірна кількість елементів може погіршити загальне пропускання світла, знижуючи співвідношення сигнал/шум та збільшуючи схильність до відблисків, помутніння та зниження контрастності, особливо в умовах низької освітленості. По-друге, виробничі допуски стають дедалі вимогливішими: осьове положення, нахил та відстань між кожною лінзою повинні підтримуватися з точністю до мікрометра. Відхилення можуть спричинити погіршення позаосьової аберації або локалізоване розмиття, що підвищує складність виробництва та знижує вихід продукції.
Крім того, більша кількість лінз зазвичай збільшує об'єм і масу системи, що суперечить вимогам мініатюризації в побутовій електроніці. У випадках обмеженого простору, таких як смартфони, екшн-камери та системи обробки зображень, що монтуються на дрони, інтеграція високопродуктивної оптики в компактні форм-фактори створює серйозну проблему проектування. Крім того, механічні компоненти, такі як приводи автофокусування та модулі оптичної стабілізації зображення (OIS), потребують достатнього простору для руху групи лінз. Надто складні або погано розташовані оптичні стеки можуть обмежувати хід і швидкість реагування приводів, знижуючи швидкість фокусування та ефективність стабілізації.
Тому в практичному оптичному проектуванні вибір оптимальної кількості елементів лінзи вимагає комплексного інженерного аналізу компромісів. Розробники повинні узгодити теоретичні обмеження продуктивності з реальними обмеженнями, включаючи цільове застосування, умови навколишнього середовища, виробничі витрати та диференціацію ринку. Наприклад, об'єктиви мобільних камер у пристроях масового ринку зазвичай використовують конфігурації 6P або 7P для балансу продуктивності та економічної ефективності, тоді як професійні кінематографічні об'єктиви можуть пріоритезувати максимальну якість зображення на шкоду розміру та ваги. Одночасно, досягнення в програмному забезпеченні для оптичного проектування, такі як Zemax та Code V, дозволяють здійснювати складну багатовимірну оптимізацію, дозволяючи інженерам досягати рівнів продуктивності, порівнянних з більшими системами, використовуючи меншу кількість елементів, завдяки уточненим профілям кривизни, вибору показника заломлення та оптимізації коефіцієнта асферичності.
На завершення, кількість елементів лінзи – це не просто міра оптичної складності, а фундаментальна змінна, яка визначає верхню межу продуктивності візуалізації. Однак, чудова оптична конструкція досягається не лише шляхом числового збільшення, а й завдяки цілеспрямованому створенню збалансованої, фізично обґрунтованої архітектури, яка гармонізує корекцію аберацій, ефективність передачі, структурну компактність та технологічність. Очікується, що в майбутньому інновації в нових матеріалах, таких як полімери з високим показником заломлення та низькою дисперсією, а також метаматеріали, передові методи виготовлення, включаючи формування на рівні пластин та обробку поверхні вільної форми, а також обчислювальна візуалізація завдяки спільному проекту оптики та алгоритмів, як очікується, переосмислять парадигму «оптимальної» кількості лінз, що дозволить створити системи візуалізації наступного покоління, що характеризуються вищою продуктивністю, більшим інтелектом та покращеною масштабованістю.
Час публікації: 16 грудня 2025 р.