Objektīva elementu skaits ir kritisks attēlveidošanas veiktspējas noteicējs optiskajās sistēmās un tam ir galvenā loma kopējā dizaina ietvarā. Attīstoties mūsdienu attēlveidošanas tehnoloģijām, lietotāju prasības pēc attēla skaidrības, krāsu precizitātes un smalku detaļu reproducēšanas ir pastiprinājušās, radot nepieciešamību pēc lielākas gaismas izplatīšanās kontroles arvien kompaktākās fiziskās robežās. Šajā kontekstā objektīva elementu skaits kļūst par vienu no ietekmīgākajiem parametriem, kas nosaka optiskās sistēmas iespējas.
Katrs papildu lēcas elements ievieš pakāpenisku brīvības pakāpi, ļaujot precīzi manipulēt ar gaismas trajektorijām un fokusēšanas uzvedību visā optiskajā ceļā. Šī uzlabotā konstrukcijas elastība ne tikai atvieglo primārā attēlveidošanas ceļa optimizāciju, bet arī ļauj mērķtiecīgi koriģēt vairākas optiskās aberācijas. Galvenās aberācijas ietver sfērisku aberāciju, kas rodas, ja marginālie un paraksiālie stari nesaplūst kopējā fokusa punktā; komas aberāciju, kas izpaužas kā asimetriska punktveida avotu izsmērēšanās, īpaši attēla perifērijas virzienā; astigmātismu, kas izraisa no orientācijas atkarīgas fokusa neatbilstības; lauka izliekumu, kur attēla plakne izliecas, radot asus centra apgabalus ar degradētu malu fokusu; un ģeometrisku deformāciju, kas izpaužas kā mucas vai spilvena formas attēla deformācija.
Turklāt hromatiskās aberācijas — gan aksiālās, gan laterālās —, ko izraisa materiāla dispersija, pasliktina krāsu precizitāti un kontrastu. Iekļaujot papildu lēcu elementus, īpaši stratēģiski kombinējot pozitīvo un negatīvo lēcu, šīs aberācijas var sistemātiski mazināt, tādējādi uzlabojot attēlveidošanas vienmērīgumu visā redzes laukā.
Augstas izšķirtspējas attēlveidošanas straujā attīstība ir vēl vairāk pastiprinājusi objektīva sarežģītības nozīmi. Piemēram, viedtālruņu fotografēšanā vadošajos modeļos tagad ir integrēti CMOS sensori ar pikseļu skaitu, kas pārsniedz 50 miljonus, daži sasniedzot pat 200 miljonus, kā arī nepārtraukti samazinot pikseļu izmērus. Šie sasniegumi izvirza stingras prasības attiecībā uz krītošās gaismas leņķisko un telpisko konsekvenci. Lai pilnībā izmantotu šādu augsta blīvuma sensoru masīvu izšķirtspējas jaudu, objektīviem ir jāpanāk augstākas modulācijas pārneses funkcijas (MTF) vērtības plašā telpiskās frekvenču diapazonā, nodrošinot precīzu smalku tekstūru atveidošanu. Līdz ar to parastās trīs vai piecu elementu konstrukcijas vairs nav pietiekamas, kas veicina tādu uzlabotu daudzelementu konfigurāciju kā 7P, 8P un 9P arhitektūru ieviešanu. Šīs konstrukcijas nodrošina izcilu slīpo staru leņķu kontroli, veicinot gandrīz normālu krišanu uz sensora virsmas un samazinot mikrolēcu šķērsrunu. Turklāt asfērisko virsmu integrācija uzlabo sfēriskās aberācijas un deformācijas korekcijas precizitāti, ievērojami uzlabojot asumu no malas līdz malai un kopējo attēla kvalitāti.
Profesionālajās attēlveidošanas sistēmās pieprasījums pēc optiskās izcilības veicina vēl sarežģītākus risinājumus. Augstas klases digitālajās spoguļkamerās un bezspoguļu kamerās izmantotie objektīvi ar lielu diafragmas atvērumu (piemēram, f/1,2 vai f/0,95) ir pakļauti smagai sfēriskai aberācijai un komai to mazā lauka dziļuma un augstās gaismas caurlaidības dēļ. Lai novērstu šīs sekas, ražotāji regulāri izmanto objektīvu blokus, kas sastāv no 10 līdz 14 elementiem, izmantojot progresīvus materiālus un precīzu inženieriju. Zemas dispersijas stikls (piemēram, ED, SD) ir stratēģiski izvietots, lai nomāktu hromatisko dispersiju un novērstu krāsu malu veidošanos. Asfēriskie elementi aizstāj vairākus sfēriskus komponentus, panākot izcilu aberācijas korekciju, vienlaikus samazinot svaru un elementu skaitu. Dažos augstas veiktspējas dizainos ir iekļauti difrakcijas optiskie elementi (DOE) vai fluorīta lēcas, lai vēl vairāk nomāktu hromatisko aberāciju, nepalielinot ievērojamu masu. Ultratelefoto tālummaiņas objektīvos, piemēram, 400 mm f/4 vai 600 mm f/4, optiskā konstrukcija var pārsniegt 20 atsevišķus elementus, kas apvienoti ar peldošiem fokusēšanas mehānismiem, lai saglabātu nemainīgu attēla kvalitāti no tuva fokusa līdz bezgalībai.
Neskatoties uz šīm priekšrocībām, lēcu elementu skaita palielināšana rada ievērojamus inženiertehniskus kompromisus. Pirmkārt, katra gaisa-stikla saskarne rada aptuveni 4% atstarošanas zudumu. Pat ar modernākajiem pretatstarojošajiem pārklājumiem, tostarp nanostrukturētiem pārklājumiem (ASC), apakšviļņu struktūrām (SWC) un daudzslāņu platjoslas pārklājumiem, kumulatīvie caurlaidības zudumi joprojām ir neizbēgami. Pārmērīgs elementu skaits var pasliktināt kopējo gaismas caurlaidību, samazinot signāla un trokšņa attiecību un palielinot uzņēmību pret uzplaiksnījumiem, dūmakaini un kontrasta samazināšanos, īpaši vāja apgaismojuma apstākļos. Otrkārt, ražošanas pielaides kļūst arvien prasīgākas: katras lēcas aksiālais novietojums, slīpums un atstatums ir jāuztur mikrometra līmeņa precizitātē. Novirzes var izraisīt ārpusass aberācijas degradāciju vai lokalizētu izplūšanu, palielinot ražošanas sarežģītību un samazinot ražības rādītājus.
Turklāt lielāks objektīvu skaits parasti palielina sistēmas tilpumu un masu, kas ir pretrunā ar miniaturizācijas prasību plaša patēriņa elektronikā. Ierobežotas telpas lietojumprogrammās, piemēram, viedtālruņos, sporta kamerās un uz droniem montētās attēlveidošanas sistēmās, augstas veiktspējas optikas integrēšana kompaktos formātos rada lielu dizaina izaicinājumu. Turklāt mehāniskiem komponentiem, piemēram, autofokusa izpildmehānismiem un optiskās attēla stabilizācijas (OIS) moduļiem, ir nepieciešama pietiekama atstarpe objektīvu grupas kustībai. Pārāk sarežģītas vai slikti izvietotas optiskās sistēmas var ierobežot izpildmehānisma gājienu un reaģētspēju, apdraudot fokusēšanas ātrumu un stabilizācijas efektivitāti.
Tāpēc praktiskajā optiskajā projektēšanā optimāla lēcu elementu skaita izvēlei ir nepieciešama visaptveroša inženiertehniskā kompromisa analīze. Projektētājiem ir jāsaskaņo teorētiskās veiktspējas robežas ar reālās pasaules ierobežojumiem, tostarp mērķa pielietojumu, vides apstākļiem, ražošanas izmaksām un tirgus diferenciāciju. Piemēram, mobilo kameru objektīvi masveida tirgus ierīcēs parasti izmanto 6P vai 7P konfigurācijas, lai līdzsvarotu veiktspēju un izmaksu efektivitāti, savukārt profesionālie kino objektīvi var dot priekšroku maksimālajai attēla kvalitātei uz izmēra un svara rēķina. Vienlaikus optiskā projektēšanas programmatūras sasniegumi, piemēram, Zemax un Code V, nodrošina sarežģītu daudzfaktoru optimizāciju, ļaujot inženieriem sasniegt veiktspējas līmeņus, kas ir salīdzināmi ar lielākām sistēmām, izmantojot mazāk elementu, izmantojot uzlabotus izliekuma profilus, refrakcijas indeksa izvēli un asfēriskā koeficienta optimizāciju.
Noslēgumā jāsaka, ka lēcu elementu skaits nav tikai optiskās sarežģītības mērs, bet gan fundamentāls mainīgais, kas nosaka attēlveidošanas veiktspējas augšējo robežu. Tomēr izcils optiskais dizains netiek panākts tikai ar skaitlisku eskalāciju, bet gan ar apzinātu līdzsvarotas, uz fiziku balstītas arhitektūras konstruēšanu, kas saskaņo aberāciju korekciju, pārraides efektivitāti, strukturālo kompaktumu un ražojamību. Raugoties nākotnē, inovācijas jaunos materiālos, piemēram, augsta refrakcijas indeksa, zemas dispersijas polimēros un metamateriālos, progresīvās ražošanas tehnikās, tostarp plākšņu līmeņa formēšanā un brīvas formas virsmas apstrādē, un skaitļošanas attēlveidošanā, izmantojot optikas un algoritmu kopīgu dizainu, paredzams, ka no jauna definēs "optimālā" lēcu skaita paradigmu, ļaujot izveidot nākamās paaudzes attēlveidošanas sistēmas, kurām raksturīga augstāka veiktspēja, lielāka intelekta pakāpe un uzlabota mērogojamība.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 16. decembris