Liczba elementów soczewkowych jest kluczowym czynnikiem decydującym o jakości obrazu w systemach optycznych i odgrywa kluczową rolę w ogólnym procesie projektowania. Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii obrazowania, rosną wymagania użytkowników dotyczące klarowności obrazu, wierności kolorów i precyzyjnego odwzorowania szczegółów, co wymusza większą kontrolę nad propagacją światła w coraz bardziej kompaktowych obudowach. W tym kontekście liczba elementów soczewkowych staje się jednym z najważniejszych parametrów wpływających na wydajność systemu optycznego.
Każdy dodatkowy element soczewki wprowadza dodatkowy stopień swobody, umożliwiając precyzyjne manipulowanie trajektoriami światła i zachowaniem ogniskowania na całej ścieżce optycznej. Ta zwiększona elastyczność konstrukcji nie tylko ułatwia optymalizację głównego toru obrazowania, ale także pozwala na ukierunkowaną korekcję wielu aberracji optycznych. Do najważniejszych aberracji należą: aberracja sferyczna – pojawiająca się, gdy promienie brzeżne i przyosiowe nie zbiegają się w jednym ognisku; aberracja komatyczna – objawiająca się asymetrycznym rozmyciem źródeł punktowych, szczególnie na obrzeżach obrazu; astygmatyzm – powodujący zależne od orientacji rozbieżności ostrości; krzywizna pola – gdzie płaszczyzna obrazu zakrzywia się, co prowadzi do ostrych obszarów centralnych z pogorszoną ostrością krawędzi; oraz zniekształcenie geometryczne – objawiające się beczkowatą lub poduszkowatą deformacją obrazu.
Co więcej, aberracje chromatyczne – zarówno osiowe, jak i boczne – wywołane dyspersją materiału pogarszają dokładność odwzorowania kolorów i kontrast. Dzięki zastosowaniu dodatkowych elementów soczewkowych, zwłaszcza poprzez strategiczne połączenie soczewek dodatnich i ujemnych, aberracje te można systematycznie minimalizować, poprawiając w ten sposób jednorodność obrazu w całym polu widzenia.
Szybki rozwój obrazowania o wysokiej rozdzielczości dodatkowo zwiększył znaczenie złożoności obiektywów. Na przykład w fotografii smartfonowej, flagowe modele integrują obecnie matryce CMOS o liczbie pikseli przekraczającej 50 milionów, a niektóre sięgającej 200 milionów, przy stale malejących rozmiarach pikseli. Te postępy nakładają rygorystyczne wymagania na kątową i przestrzenną spójność padającego światła. Aby w pełni wykorzystać zdolność rozdzielczą takich matryc o wysokiej gęstości, obiektywy muszą osiągać wyższe wartości funkcji przenoszenia modulacji (MTF) w szerokim zakresie częstotliwości przestrzennych, zapewniając precyzyjne odwzorowanie drobnych tekstur. W konsekwencji, konwencjonalne konstrukcje trzy- lub pięcioelementowe nie są już wystarczające, co doprowadziło do wprowadzenia zaawansowanych konfiguracji wieloelementowych, takich jak architektury 7P, 8P i 9P. Konstrukcje te umożliwiają doskonałą kontrolę nad kątami padania promieni skośnych, sprzyjając padaniu promieni na powierzchnię matrycy w pobliżu normalnego kąta padania i minimalizując przesłuchy mikrosoczewek. Co więcej, integracja powierzchni asferycznych zwiększa precyzję korekcji aberracji i zniekształceń sferycznych, znacząco poprawiając ostrość od krawędzi do krawędzi i ogólną jakość obrazu.
W profesjonalnych systemach obrazowania zapotrzebowanie na doskonałość optyczną napędza jeszcze bardziej złożone rozwiązania. Obiektywy stałoogniskowe o dużej przysłonie (np. f/1,2 lub f/0,95) stosowane w wysokiej klasy lustrzankach cyfrowych i bezlusterkowcach są z natury podatne na poważną aberrację sferyczną i komę ze względu na małą głębię ostrości i wysoką przepuszczalność światła. Aby przeciwdziałać tym efektom, producenci rutynowo stosują zestawy soczewek składające się z 10–14 elementów, wykorzystując zaawansowane materiały i precyzyjną inżynierię. Szkło o niskiej dyspersji (np. ED, SD) jest strategicznie rozmieszczone w celu tłumienia dyspersji chromatycznej i eliminacji efektu kolorowych obwódek. Elementy asferyczne zastępują wiele elementów sferycznych, zapewniając doskonałą korekcję aberracji przy jednoczesnej redukcji masy i liczby elementów. Niektóre wysokowydajne konstrukcje zawierają dyfrakcyjne elementy optyczne (DOE) lub soczewki fluorytowe, aby dodatkowo tłumić aberrację chromatyczną bez znaczącego zwiększania masy. W przypadku ultrateleobiektywów zmiennoogniskowych — takich jak 400 mm f/4 lub 600 mm f/4 — układ optyczny może składać się z ponad 20 oddzielnych elementów, które w połączeniu z ruchomymi mechanizmami ustawiania ostrości zapewniają spójną jakość obrazu w całym zakresie ogniskowych — od bliskiej do nieskończoności.
Pomimo tych zalet, zwiększenie liczby elementów soczewkowych wiąże się ze znacznymi kompromisami inżynieryjnymi. Po pierwsze, każdy interfejs powietrze-szkło generuje około 4% strat współczynnika odbicia. Nawet w przypadku najnowocześniejszych powłok antyrefleksyjnych – w tym powłok nanostrukturalnych (ASC), struktur podfalowych (SWC) i wielowarstwowych powłok szerokopasmowych – skumulowane straty transmitancji pozostają nieuniknione. Nadmierna liczba elementów może obniżyć całkowitą transmisję światła, obniżając stosunek sygnału do szumu i zwiększając podatność na flary, zamglenia i spadek kontrastu, szczególnie w warunkach słabego oświetlenia. Po drugie, tolerancje produkcyjne stają się coraz bardziej rygorystyczne: położenie osiowe, pochylenie i odstępy między poszczególnymi soczewkami muszą być utrzymywane z dokładnością rzędu mikrometrów. Odchylenia mogą powodować degradację aberracji pozaosiowej lub lokalne rozmycie, zwiększając złożoność produkcji i obniżając wydajność.
Ponadto, większa liczba soczewek zazwyczaj zwiększa objętość i masę systemu, co jest sprzeczne z koniecznością miniaturyzacji w elektronice użytkowej. W zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni, takich jak smartfony, kamery sportowe i systemy obrazowania montowane na dronach, integracja wysokowydajnej optyki w kompaktowej obudowie stanowi poważne wyzwanie projektowe. Ponadto, elementy mechaniczne, takie jak siłowniki autofokusa i moduły optycznej stabilizacji obrazu (OIS), wymagają odpowiedniego odstępu dla ruchu grup soczewek. Nadmiernie złożone lub źle ułożone układy optyczne mogą ograniczać skok siłowników i ich czułość, co negatywnie wpływa na szybkość ustawiania ostrości i skuteczność stabilizacji.
Dlatego w praktycznym projektowaniu optycznym, dobór optymalnej liczby elementów soczewkowych wymaga kompleksowej analizy kompromisów inżynieryjnych. Projektanci muszą pogodzić teoretyczne ograniczenia wydajności z ograniczeniami praktycznymi, takimi jak docelowe zastosowanie, warunki środowiskowe, koszty produkcji i zróżnicowanie rynkowe. Na przykład, obiektywy do aparatów mobilnych w urządzeniach masowych zazwyczaj wykorzystują konfiguracje 6P lub 7P, aby zrównoważyć wydajność i opłacalność, podczas gdy profesjonalne obiektywy kinowe mogą stawiać na najwyższą jakość obrazu kosztem rozmiaru i wagi. Jednocześnie postęp w oprogramowaniu do projektowania optycznego – takim jak Zemax i Code V – umożliwia zaawansowaną optymalizację wielowymiarową, pozwalając inżynierom osiągnąć poziom wydajności porównywalny z większymi systemami wykorzystującymi mniejszą liczbę elementów dzięki udoskonalonym profilom krzywizny, doborowi współczynnika refrakcji i optymalizacji współczynnika asferycznego.
Podsumowując, liczba elementów soczewek nie jest jedynie miarą złożoności optycznej, ale fundamentalną zmienną definiującą górną granicę wydajności obrazowania. Jednakże, doskonała konstrukcja optyczna nie jest osiągana wyłącznie poprzez eskalację numeryczną, ale poprzez przemyślane stworzenie zrównoważonej, uwzględniającej prawa fizyki architektury, która harmonizuje korekcję aberracji, wydajność transmisji, zwartość konstrukcji i możliwości produkcyjne. W przyszłości innowacje w zakresie nowych materiałów – takich jak polimery o wysokim współczynniku załamania światła i niskiej dyspersji oraz metamateriały – zaawansowane techniki wytwarzania – w tym formowanie na poziomie płytki półprzewodnikowej i obróbka powierzchni o dowolnym kształcie – oraz obrazowanie komputerowe – poprzez wspólne projektowanie optyki i algorytmów – powinny na nowo zdefiniować paradygmat „optymalnej” liczby soczewek, umożliwiając powstanie systemów obrazowania nowej generacji charakteryzujących się wyższą wydajnością, większą inteligencją i lepszą skalowalnością.
Czas publikacji: 16-12-2025