Количество линзовых элементов является критически важным фактором, определяющим качество изображения в оптических системах, и играет центральную роль в общей конструкции. По мере развития современных технологий обработки изображений требования пользователей к четкости изображения, точности цветопередачи и воспроизведению мелких деталей возрастают, что требует более тщательного контроля над распространением света во все более компактных физических размерах. В этом контексте количество линзовых элементов становится одним из наиболее влиятельных параметров, определяющих возможности оптической системы.
Каждый дополнительный линзовый элемент вносит дополнительную степень свободы, позволяя точно управлять траекториями света и поведением фокусировки по всему оптическому пути. Такая повышенная гибкость конструкции не только облегчает оптимизацию основного пути формирования изображения, но и позволяет целенаправленно корректировать множественные оптические аберрации. Ключевые аберрации включают сферическую аберрацию — возникающую, когда краевые и параксиальные лучи не сходятся в общей фокусной точке; кому — проявляющуюся в виде асимметричного размытия точечных источников, особенно по периферии изображения; астигматизм — приводящий к расхождениям в фокусировке, зависящим от ориентации; кривизну поля — когда плоскость изображения искривляется, приводя к резким центральным областям с ухудшенной фокусировкой по краям; и геометрическое искажение — проявляющееся в виде бочкообразной или подушкообразной деформации изображения.
Кроме того, хроматические аберрации — как осевые, так и поперечные — вызванные дисперсией материала, ухудшают точность цветопередачи и контрастность. Включение дополнительных линзовых элементов, особенно за счет стратегического сочетания положительных и отрицательных линз, позволяет систематически уменьшать эти аберрации, тем самым улучшая равномерность изображения по всему полю зрения.
Быстрое развитие технологий получения изображений высокого разрешения еще больше усилило важность сложности линз. Например, в смартфонной фотографии флагманские модели теперь интегрируют CMOS-сенсоры с количеством пикселей, превышающим 50 миллионов, а некоторые достигают 200 миллионов, при этом размеры пикселей постоянно уменьшаются. Эти достижения предъявляют жесткие требования к угловой и пространственной согласованности падающего света. Для полного использования разрешающей способности таких массивов сенсоров высокой плотности линзы должны обеспечивать более высокие значения функции передачи модуляции (MTF) в широком диапазоне пространственных частот, гарантируя точную передачу мелких текстур. Следовательно, традиционные трех- или пятиэлементные конструкции больше не подходят, что привело к внедрению передовых многоэлементных конфигураций, таких как 7P, 8P и 9P архитектуры. Эти конструкции обеспечивают превосходный контроль над углами наклонных лучей, способствуя почти нормальному падению на поверхность сенсора и минимизируя перекрестные помехи микролинз. Кроме того, интеграция асферических поверхностей повышает точность коррекции сферической аберрации и искажений, значительно улучшая резкость по всей площади кадра и общее качество изображения.
В профессиональных системах обработки изображений требования к оптическому совершенству приводят к созданию еще более сложных решений. Объективы с большой диафрагмой (например, f/1.2 или f/0.95), используемые в высококачественных цифровых зеркальных и беззеркальных камерах, по своей природе подвержены сильной сферической аберрации и коме из-за малой глубины резкости и высокой светопропускаемости. Для противодействия этим эффектам производители обычно используют линзовые блоки, состоящие из 10–14 элементов, с применением передовых материалов и высокоточной инженерии. Низкодисперсионное стекло (например, ED, SD) стратегически используется для подавления хроматической дисперсии и устранения цветовых искажений. Асферические элементы заменяют несколько сферических компонентов, обеспечивая превосходную коррекцию аберраций при одновременном снижении веса и количества элементов. В некоторых высокоэффективных конструкциях используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) или флюоритовые линзы для дальнейшего подавления хроматической аберрации без значительного увеличения массы. В сверхтелеобъективах с переменным фокусным расстоянием, таких как 400 мм f/4 или 600 мм f/4, оптическая система может состоять более чем из 20 отдельных элементов, которые в сочетании с механизмами плавающей фокусировки обеспечивают стабильное качество изображения от близкого расстояния до бесконечности.
Несмотря на эти преимущества, увеличение количества линзовых элементов влечет за собой значительные инженерные компромиссы. Во-первых, каждый интерфейс воздух-стекло вносит примерно 4% потерь на отражение. Даже с использованием современных антибликовых покрытий, включая наноструктурированные покрытия (ASC), субволновые структуры (SWC) и многослойные широкополосные покрытия, суммарные потери пропускания остаются неизбежными. Чрезмерное количество элементов может ухудшить общее светопропускание, снизить отношение сигнал/шум и повысить восприимчивость к бликам, дымке и снижению контрастности, особенно в условиях низкой освещенности. Во-вторых, требования к допускам при производстве становятся все более жесткими: осевое положение, наклон и расстояние между каждой линзой должны поддерживаться с точностью до микрометра. Отклонения могут вызывать ухудшение внеосевых аберраций или локальное размытие, что повышает сложность производства и снижает выход годной продукции.
Кроме того, увеличение количества линз, как правило, повышает объем и массу системы, что противоречит стремлению к миниатюризации в потребительской электронике. В условиях ограниченного пространства, таких как смартфоны, экшн-камеры и системы визуализации, устанавливаемые на дроны, интеграция высокоэффективной оптики в компактные форм-факторы представляет собой серьезную проблему проектирования. Более того, механические компоненты, такие как приводы автофокусировки и модули оптической стабилизации изображения (OIS), требуют достаточного зазора для перемещения группы линз. Чрезмерно сложные или плохо расположенные оптические блоки могут ограничивать ход и скорость реакции приводов, снижая скорость фокусировки и эффективность стабилизации.
Таким образом, в практическом оптическом проектировании выбор оптимального количества линзовых элементов требует всестороннего инженерного анализа компромиссов. Разработчики должны согласовать теоретические пределы производительности с реальными ограничениями, включая целевое применение, условия окружающей среды, себестоимость производства и дифференциацию рынка. Например, в объективах мобильных камер массового производства обычно используются конфигурации с 6 или 7 линзами для баланса между производительностью и экономичностью, в то время как профессиональные кинообъективы могут отдавать приоритет высочайшему качеству изображения за счет размера и веса. Одновременно с этим, достижения в области программного обеспечения для оптического проектирования, такого как Zemax и Code V, позволяют проводить сложную многопараметрическую оптимизацию, позволяя инженерам достигать уровней производительности, сопоставимых с более крупными системами, используя меньшее количество элементов за счет уточненных профилей кривизны, выбора показателя преломления и оптимизации асферического коэффициента.
В заключение следует отметить, что количество линзовых элементов — это не просто мера оптической сложности, а фундаментальная переменная, определяющая верхний предел производительности системы визуализации. Однако превосходная оптическая конструкция достигается не только за счет численного увеличения количества элементов, но и за счет целенаправленного создания сбалансированной, основанной на физических принципах архитектуры, которая гармонизирует коррекцию аберраций, эффективность пропускания, структурную компактность и технологичность. В перспективе ожидается, что инновации в новых материалах — таких как полимеры с высоким показателем преломления и низкой дисперсией, а также метаматериалы — передовые технологии изготовления — включая формование на уровне пластин и обработку поверхностей произвольной формы — и вычислительная визуализация — посредством совместного проектирования оптики и алгоритмов — переопределят парадигму «оптимального» количества линз, что позволит создавать системы визуализации следующего поколения, характеризующиеся более высокой производительностью, большей интеллектуальностью и улучшенной масштабируемостью.
Дата публикации: 16 декабря 2025 г.