Колькасць лінзавых элементаў з'яўляецца найважнейшым фактарам, які вызначае прадукцыйнасць візуалізацыі ў аптычных сістэмах, і адыгрывае цэнтральную ролю ў агульнай структуры праектавання. Па меры развіцця сучасных тэхналогій візуалізацыі патрабаванні карыстальнікаў да выразнасці выявы, дакладнасці колераперадачы і перадачы дробных дэталяў узмацняюцца, што патрабуе большага кантролю над распаўсюджваннем святла ва ўсё больш кампактных фізічных абалонках. У гэтым кантэксце колькасць лінзавых элементаў становіцца адным з найбольш уплывовых параметраў, якія вызначаюць магчымасці аптычнай сістэмы.
Кожны дадатковы элемент лінзы ўводзіць паступова павялічваемую ступень свабоды, што дазваляе дакладна маніпуляваць траекторыямі святла і паводзінамі факусоўкі па ўсім аптычным шляху. Гэтая павышаная гнуткасць канструкцыі не толькі спрыяе аптымізацыі асноўнага шляху візуалізацыі, але і дазваляе мэтанакіравана карэктаваць некалькі аптычных аберацый. Да асноўных аберацый адносяцца сферычная аберацыя, якая ўзнікае, калі краявыя і параксіяльныя прамяні не сыходзяцца ў агульнай факальнай кропцы; аберацыя комы, якая праяўляецца як асіметрычнае размыццё кропкавых крыніц, асабліва на перыферыі выявы; астыгматызм, які прыводзіць да разыходжанняў у фокусе, якія залежаць ад арыентацыі; крывізна поля, дзе плоскасць выявы выгінаецца, што прыводзіць да рэзкіх цэнтральных абласцей з пагаршэннем фокусу па краях; і геаметрычныя скажэнні, якія праяўляюцца ў выглядзе дэфармацыі выявы ў форме бочкі або падушкі.
Акрамя таго, храматычныя аберацыі — як восевыя, так і бакавыя, — выкліканыя дысперсіяй матэрыялу, пагаршаюць дакладнасць колераперадачы і кантраснасць. Дзякуючы ўкамплектаванню дадатковых лінзавых элементаў, асабліва шляхам стратэгічных камбінацый станоўчых і адмоўных лінзаў, гэтыя аберацыі можна сістэматычна паменшыць, тым самым паляпшаючы аднастайнасць выявы па ўсім полі зроку.
Хуткае развіццё візуалізацыі з высокім разрозненнем яшчэ больш павялічыла важнасць складанасці аб'ектываў. Напрыклад, у смартфоннай фатаграфіі флагманскія мадэлі цяпер інтэгруюць CMOS-датчыкі з колькасцю пікселяў, якая перавышае 50 мільёнаў, а некаторыя дасягаюць 200 мільёнаў, пры гэтым памеры пікселяў пастаянна памяншаюцца. Гэтыя дасягненні ўстанаўліваюць жорсткія патрабаванні да вуглавой і прасторавай узгодненасці падаючага святла. Каб цалкам выкарыстаць раздзяляльную здольнасць такіх масіваў датчыкаў высокай шчыльнасці, аб'ектывы павінны дасягнуць больш высокіх значэнняў функцыі перадачы мадуляцыі (MTF) у шырокім дыяпазоне прасторавых частот, забяспечваючы дакладную перадачу дробных тэкстур. Такім чынам, звычайныя трох- або пяціэлементныя канструкцыі больш не з'яўляюцца дастатковымі, што прыводзіць да прыняцця перадавых шматэлементных канфігурацый, такіх як архітэктуры 7P, 8P і 9P. Гэтыя канструкцыі дазваляюць лепш кантраляваць куты касых прамянёў, спрыяючы амаль нармальнаму падзенню на паверхню датчыка і мінімізуючы перакрыжаваныя перашкоды мікралінзаў. Акрамя таго, інтэграцыя асферычных паверхняў павышае дакладнасць карэкцыі сферычных аберацый і скажэнняў, значна паляпшаючы рэзкасць ад краю да краю і агульную якасць выявы.
У прафесійных сістэмах візуалізацыі попыт на аптычную дасканаласць прыводзіць да яшчэ больш складаных рашэнняў. Аб'ектывы з вялікай дыяфрагмай (напрыклад, f/1.2 або f/0.95), якія выкарыстоўваюцца ў высакаякасных люстраных і блюстэркавых камерах, па сваёй прыродзе схільныя да сур'ёзных сферычных аберацый і комы з-за малой глыбіні рэзкасці і высокай прапускной здольнасці святла. Каб супрацьстаяць гэтым эфектам, вытворцы рэгулярна выкарыстоўваюць стэкі лінзаў, якія складаюцца з 10-14 элементаў, выкарыстоўваючы перадавыя матэрыялы і дакладную інжынерыю. Нізкадысперсійнае шкло (напрыклад, ED, SD) стратэгічна выкарыстоўваецца для падаўлення храматычнай дысперсіі і ліквідацыі каляровай аблямоўкі. Асферычныя элементы замяняюць некалькі сферычных кампанентаў, дасягаючы найлепшай карэкцыі аберацый, адначасова зніжаючы вагу і колькасць элементаў. Некаторыя высокапрадукцыйныя канструкцыі ўключаюць дыфракцыйныя аптычныя элементы (DOE) або флюарытавыя лінзы для далейшага падаўлення храматычнай аберацыі без значнага дадання масы. У ультратэлеаб'ектывах з пераменным фокусам, такіх як 400 мм f/4 або 600 мм f/4, аптычны вузел можа перавышаць 20 асобных элементаў у спалучэнні з механізмамі плаваючай факусоўкі для падтрымання паслядоўнай якасці выявы ад блізкай да бясконцасці.
Нягледзячы на гэтыя перавагі, павелічэнне колькасці лінзавых элементаў прыводзіць да значных інжынерных кампрамісаў. Па-першае, кожная паверхня паветра-шкло спрыяе стратам адлюстравання прыкладна 4%. Нават з самымі сучаснымі антыблікавымі пакрыццямі, у тым ліку нанаструктураванымі пакрыццямі (ASC), субхвалевымі структурамі (SWC) і шматслаёвымі шырокапалоснымі пакрыццямі, сукупныя страты прапускання застаюцца непазбежнымі. Залішняя колькасць элементаў можа пагоршыць агульную прапусканне святла, зніжаючы суадносіны сігнал/шум і павялічваючы ўспрымальнасць да блікаў, памутнення і зніжэння кантраснасці, асабліва ва ўмовах нізкай асветленасці. Па-другое, вытворчыя дапушчэнні становяцца ўсё больш патрабавальнымі: восевае становішча, нахіл і адлегласць паміж кожнай лінзай павінны падтрымлівацца з дакладнасцю да мікраметра. Адхіленні могуць выклікаць пазавосевую аберацыю або лакалізаванае размыццё, павялічваючы складанасць вытворчасці і зніжаючы прыбытак.
Акрамя таго, большая колькасць лінзаў звычайна павялічвае аб'ём і масу сістэмы, што супярэчыць патрабаванням мініятурызацыі ў бытавой электроніцы. У прыладах з абмежаванай прасторай, такіх як смартфоны, экшн-камеры і сістэмы візуалізацыі, якія мацуюцца на беспілотнікі, інтэграцыя высокапрадукцыйнай оптыкі ў кампактныя форм-фактары ўяўляе сабой сур'ёзную праблему праектавання. Больш за тое, механічныя кампаненты, такія як прывады аўтафокуса і модулі аптычнай стабілізацыі выявы (OIS), патрабуюць дастатковага зазору для руху групы лінзаў. Занадта складаныя або дрэнна размешчаныя аптычныя стэкі могуць абмяжоўваць ход і хуткасць рэагавання прывада, пагаршаючы хуткасць факусоўкі і эфектыўнасць стабілізацыі.
Такім чынам, у практычным аптычным праектаванні выбар аптымальнай колькасці элементаў лінзы патрабуе ўсебаковага інжынернага аналізу кампрамісаў. Канструктары павінны ўзгадніць тэарэтычныя абмежаванні прадукцыйнасці з рэальнымі абмежаваннямі, уключаючы мэтавае прымяненне, умовы навакольнага асяроддзя, вытворчы кошт і дыферэнцыяцыю рынку. Напрыклад, аб'ектывы мабільных камер у прыладах масавага рынку звычайна выкарыстоўваюць канфігурацыі 6P або 7P, каб збалансаваць прадукцыйнасць і эканамічную эфектыўнасць, у той час як прафесійныя кінематаграфічныя аб'ектывы могуць аддаваць прыярытэт найвышэйшай якасці выявы за кошт памеру і вагі. Адначасова, дасягненні ў праграмным забеспячэнні для аптычнага праектавання, такія як Zemax і Code V, дазваляюць праводзіць складаную шматмерную аптымізацыю, дазваляючы інжынерам дасягнуць узроўняў прадукцыйнасці, параўнальных з больш буйнымі сістэмамі, выкарыстоўваючы меншую колькасць элементаў, дзякуючы ўдасканаленым профілям крывізны, выбару паказчыка праламлення і аптымізацыі каэфіцыента асферычнасці.
У заключэнне, колькасць элементаў лінзы — гэта не проста паказчык аптычнай складанасці, але і фундаментальная зменная, якая вызначае верхнюю мяжу прадукцыйнасці візуалізацыі. Аднак найлепшы аптычны дызайн дасягаецца не толькі шляхам лікавага павелічэння, але і шляхам мэтанакіраванага стварэння збалансаванай, фізічнай архітэктуры, якая гарманізуе карэкцыю аберацый, эфектыўнасць перадачы, структурную кампактнасць і тэхналагічнасць. У будучыні чакаецца, што інавацыі ў новых матэрыялах, такіх як палімеры і метаматэрыялы з высокім паказчыкам праламлення і нізкай дысперсіяй, перадавыя тэхналогіі вырабу, у тым ліку ліццё на ўзроўні пласцін і апрацоўка паверхні свабоднай формы, а таксама вылічальная візуалізацыя дзякуючы сумеснаму праектаванню оптыкі і алгарытмаў, пераасэнсуюць парадыгму «аптымальнай» колькасці лінзаў, што дазволіць стварыць сістэмы візуалізацыі наступнага пакалення, якія характарызуюцца больш высокай прадукцыйнасцю, большым інтэлектам і палепшанай маштабаванасцю.
Час публікацыі: 16 снежня 2025 г.