सेंसर तक पहुंचने से पहले कैमरे के लेंस के साथ क्या होता है?
फ़ोटोग्राफ लीजिए।
यह तुरंत महसूस होता है.
प्रकाश कैमरे में प्रवेश करता है, सेंसर उसे पकड़ लेता है, और किसी तरह एक छवि आपकी स्क्रीन पर दिखाई देती है।
सरल, सही?
खैर, एक ऑप्टिकल इंजीनियर के दृष्टिकोण से, बिल्कुल नहीं।
वास्तविक दुनिया के दृश्य और छवि सेंसर पर छोटे पिक्सल के बीच, प्रकाश को आश्चर्यजनक रूप से जटिल यात्रा से गुजरना पड़ता है। यह अपवर्तित, केंद्रित, आंशिक रूप से प्रतिबिंबित, अवशोषित, विकृत होता है, और उम्मीद है कि इन सबके बाद उपयोगी होने के लिए पर्याप्त कंट्रास्ट के साथ सही जगह पर पहुंचाया जाता है।
वह अंतिम भाग वह जगह है जहाँ अच्छा हैकैमरा लेंसअपना पैसा कमाता है.
लोग कभी-कभी लेंस की कल्पना कांच के टुकड़े के रूप में करते हैं जिसका एकमात्र काम "छवि पर ध्यान केंद्रित करना" होता है।
यह विवरण तकनीकी रूप से लगभग उसी तरह सत्य है जैसे फॉर्मूला 1 कार को "चार पहियों वाला वाहन" कहना सत्य है।
और भी बहुत कुछ चल रहा है.
यह सब दृश्य से प्रकाश के साथ शुरू होता है
इससे पहले कि लेंस कुछ करे, दृश्य ही मौजूद होता है।
कैमरे के सामने प्रत्येक वस्तु प्रकाश को परावर्तित या उत्सर्जित करती है। वह प्रकाश अलग-अलग दिशाओं से और अलग-अलग तरंग दैर्ध्य के साथ कैमरे की ओर बढ़ता है।
उदाहरण के लिए, एक लाल कार, केवल एक साफ किरण में कैमरे की ओर "लाल बत्ती" नहीं भेजती है। प्रकाश वाहन के विभिन्न भागों से, विभिन्न कोणों पर, विभिन्न तीव्रता के साथ आता है।
लेंस को प्रकाश किरणों के इस अव्यवस्थित संग्रह को लेना है और इसे एक छवि में व्यवस्थित करना है।
यह मूलतः ऑप्टिकल सिस्टम का काम है:
विभिन्न दिशाओं से आने वाली रोशनी लें और इसे सेंसर पर एक नियंत्रित छवि बनाएं।
और तुरंत ही एक समस्या उत्पन्न हो जाती है.
प्रकाश स्वाभाविक रूप से वैसा व्यवहार नहीं करता जैसा इंजीनियर चाहते हैं।
जब प्रकाश हवा से कांच में गुजरता है, तो उसकी दिशा बदल जाती है। जब यह किसी अन्य ऑप्टिकल तत्व से गुजरता है, तो यह फिर से बदल जाता है।
इसे अपवर्तन कहते हैं।
प्रत्येक ऑप्टिकल तत्व के आकार और सामग्री का सावधानीपूर्वक चयन करके, लेंस डिजाइनर इस व्यवहार का उपयोग यह नियंत्रित करने के लिए करते हैं कि किरणें अंततः कहाँ मिलती हैं।
इसीलिए एक कैमरे के लेंस में कांच के एक साधारण टुकड़े के बजाय कई ऑप्टिकल तत्व हो सकते हैं।
लेंस एक लेंस नहीं है
एक आधुनिक कैमरे के लेंस को देखें और आपको एक छोटी बेलनाकार वस्तु दिखाई दे सकती है।
हालाँकि, अंदर कई ऑप्टिकल तत्व हो सकते हैं।
प्रत्येक तत्व का एक कार्य होता है।
कुछ छवि पर ध्यान केंद्रित करने में मदद करते हैं। अन्य लोग विपथन को सुधारते हैं। कुछ बढ़त प्रदर्शन में सुधार करते हैं। कुछ विकृति या रंगीन विपथन को नियंत्रित करने में मदद करते हैं।
दिलचस्प बात यह है कि ये तत्व स्वतंत्र रूप से काम नहीं करते हैं।
ये एक सिस्टम की तरह काम करते हैं.
एक डिज़ाइनर एक तत्व की वक्रता को बदल सकता है और फिर प्रभाव की भरपाई के लिए दूसरे तत्व को समायोजित करने की आवश्यकता होती है।
एपर्चर बदलें और ऑप्टिकल व्यवहार फिर से बदल सकता है।
लेंस को छोटा करें और डिज़ाइन अधिक कठिन हो जाएगा।
देखने का क्षेत्र बढ़ाएँ और विकृति को नियंत्रित करना कठिन हो जाएगा।
मांग F1.0 प्रदर्शन और ऑप्टिकल डिजाइनर को मुफ्त में एक और सिरदर्द मिलता है।
यही कारण है कि ऑप्टिकल डिज़ाइन मूलतः एक समझौतापूर्ण अभ्यास है।
आप शायद ही कभी एक साथ सब कुछ अधिकतम कर पाते हैं।
फिर एपर्चर आता है
ऑप्टिकल सिस्टम के अंदर कहीं एपर्चर है।
आप एपर्चर को "द्वारपाल" के रूप में सोच सकते हैं जो यह नियंत्रित करता है कि लेंस में कितनी रोशनी प्रवेश करती है।
F1.0 लेंस में बहुत बड़ा सापेक्ष एपर्चर होता है, जो छोटे एपर्चर लेंस की तुलना में ऑप्टिकल सिस्टम में काफी अधिक प्रकाश की अनुमति देता है।
कम रोशनी में इमेजिंग में यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाता है।
लेकिन वहां एक जाल है।
बड़े एपर्चर का मतलब केवल "बेहतर" नहीं है।
जब आप एपर्चर खोलते हैं, तो ऑप्टिकल सिस्टम के बाहरी हिस्सों से अधिक किरणें छवि बनाने में शामिल होती हैं। इन किरणों को नियंत्रित करना आम तौर पर कठिन होता है।
परिणामस्वरूप, विपथन अधिक ध्यान देने योग्य हो सकते हैं।
यह एक कारण है कि उच्च-प्रदर्शन F1.0 लेंस को डिज़ाइन करना केवल एपर्चर को भौतिक रूप से बड़ा बनाने की तुलना में कहीं अधिक चुनौतीपूर्ण है।
हालाँकि, रात्रि निगरानी जैसे अनुप्रयोगों के लिए, समझौता सार्थक हो सकता है।
जब उपलब्ध प्रकाश सीमित होता है, तो इसे अधिक एकत्रित करने से उपयोगी छवि और शोर वाली छवि के बीच अंतर हो सकता है।
हर किरण सेंसर तक एक ही तरह से नहीं पहुंचती
यहां एक विवरण दिया गया है जो आधुनिक छवि सेंसर के लिए लेंस का चयन करते समय विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाता है:
वह कोण जिस पर प्रकाश सेंसर तक पहुंचता है, मायने रखता है।
इंजीनियर अक्सर बात करते हैंचीफ रे एंगल, या सीआरए।
सरल शब्दों में, सीआरए सेंसर के विभिन्न क्षेत्रों तक पहुंचने वाली मुख्य किरण के कोण का वर्णन करता है।
हमें क्यों परवाह करनी चाहिए?
क्योंकि आधुनिक छवि सेंसर केवल प्रकाश-संवेदनशील सामग्री के सपाट टुकड़े नहीं हैं जो धैर्यपूर्वक किसी चीज के उन पर प्रहार का इंतजार कर रहे हैं।
फोटोडायोड के ऊपर सूक्ष्म संरचनाएं होती हैं, जिनमें माइक्रोलेंस और अन्य परतें शामिल हैं।
यदि आने वाली रोशनी अनुपयुक्त कोण पर आती है, विशेष रूप से सेंसर के किनारे की ओर, तो सेंसर उस प्रकाश का अपेक्षानुसार कुशलता से उपयोग नहीं कर सकता है।
यही एक कारण है कि लेंस और सेंसर का मिलान मायने रखता है।
एक लेंस में सही फोकल लंबाई और सेंसर प्रारूप हो सकता है और फिर भी यह एक आदर्श ऑप्टिकल मैच नहीं हो सकता है।
छवि वृत्त: क्या लेंस वास्तव में सेंसर को कवर करेगा?
यहाँ एक और आश्चर्यजनक रूप से सामान्य मुद्दा है।
एक लेंस एक छवि वृत्त बनाता है।
सेंसर उस छवि सर्कल के अंदर बैठता है और उस हिस्से का उपयोग करता है जो उसके सक्रिय क्षेत्र पर पड़ता है।
यदि छवि वृत्त बहुत छोटा है, तो सेंसर के कोनों को पर्याप्त छवि जानकारी प्राप्त नहीं हो सकती है।
परिणाम विग्नेटिंग या यहां तक कि दृश्यमान अंधेरे कोने भी हो सकते हैं।
यही कारण है कि सेंसर प्रारूप मायने रखता है।
छोटे सेंसर के लिए डिज़ाइन किया गया लेंस आसानी से बहुत बड़े सेंसर से नहीं जोड़ा जा सकता है और उससे पूरी तरह से काम करने की उम्मीद नहीं की जा सकती है।
आप दोनों को भौतिक रूप से जोड़ सकते हैं।
हालाँकि, वैकल्पिक रूप से, संबंध कम सहयोगात्मक हो सकता है।
यही कारण है कि इंजीनियर केवल "1/2.7-इंच" या "1/1.8-इंच" जैसे लेबल पर निर्भर रहने के बजाय वास्तविक सेंसर आयामों को देखते हैं।
वे प्रारूप नाम उपयोगी शॉर्टहैंड हैं, लेकिन वास्तविक सक्रिय क्षेत्र और ऑप्टिकल आवश्यकताएं ही अंततः मायने रखती हैं।
और फिर वहाँ विपथन हैं
यहीं पर ऑप्टिकल इंजीनियरिंग थोड़ी कम आकर्षक हो जाती है।
वास्तविक लेंस से गुजरने वाला प्रकाश हमेशा वहीं केंद्रित नहीं होता है जहाँ हम उसे चाहते हैं।
अलग-अलग तरंग दैर्ध्य अलग-अलग व्यवहार कर सकते हैं।
लेंस के विभिन्न हिस्सों से गुजरने वाली किरणें भी अलग-अलग तरीके से फोकस कर सकती हैं।
यह विभिन्न ऑप्टिकल विपथन उत्पन्न करता है।
रंगीन विपथन रंग फ्रिंजिंग उत्पन्न कर सकता है।
गोलाकार विपथन छवि की तीक्ष्णता को कम कर सकता है।
दृष्टिवैषम्य सूक्ष्म विवरणों को पुन: प्रस्तुत करने के तरीके को प्रभावित कर सकता है।
कोमा बिंदु-जैसी वस्तुओं को विकृत दिखा सकता है, विशेषकर किनारों की ओर।
और क्षेत्र वक्रता का मतलब है कि सर्वोत्तम फोकस का विमान वैसा व्यवहार नहीं कर सकता जैसा कि बिल्कुल सपाट सेंसर इंजीनियर पसंद करेंगे।
इनमें से कोई भी समस्या विशेष रूप से रोमांचक नहीं लगती।
लेकिन वे बिल्कुल ऐसी चीजें हैं जो यह निर्धारित करती हैं कि लेंस एक स्पष्ट छवि बनाता है या कुछ ऐसा जो संदिग्ध रूप से दिखता है जैसे उसे चश्मे की आवश्यकता है।
आधुनिक ऑप्टिकल डिज़ाइन काफी हद तक इन खामियों को नियंत्रित करने के बारे में है।
छवि हर जगह समान रूप से तीव्र नहीं है
यह हमें लेंस रिज़ॉल्यूशन के बारे में सबसे बड़ी ग़लतफहमियों में से एक में लाता है।
जरूरी नहीं कि एक लेंस केंद्र और किनारे पर समान रूप से अच्छा प्रदर्शन करे।
छवि के केंद्र को नियंत्रित करना आमतौर पर आसान होता है।
जैसे-जैसे आप किनारे की ओर बढ़ते हैं, ऑप्टिकल प्रदर्शन में गिरावट आ सकती है।
यह वाइड-एंगल लेंस के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।
एक पार्किंग स्थल की निगरानी करने वाले एक निगरानी कैमरे की कल्पना करें।
छवि का केंद्र अत्यंत तीक्ष्ण हो सकता है.
लेकिन जब कोई वाहन बगल से प्रवेश करता है तो क्या होता है?
यदि एज रिज़ॉल्यूशन खराब है, तो कैमरे में तकनीकी रूप से उच्च-रिज़ॉल्यूशन सेंसर हो सकता है, जबकि जहां यह मायने रखता है, वहां बहुत कम उपयोगी विवरण प्रदान करता है।
यही कारण है कि ऑप्टिकल इंजीनियर केवल यह पूछने के बजाय कि लेंस "4MP" है या "8MP" है, छवि क्षेत्र में MTF प्रदर्शन को देखते हैं।
पिक्सेल की संख्या आपको बताती है कि सेंसर क्या नमूना ले सकता है।
एमटीएफ आपको यह बताने में मदद करता है कि ऑप्टिकल सिस्टम कितने प्रभावी ढंग से उन पिक्सल तक विवरण पहुंचा सकता है।
इससे पहले कि प्रकाश अंततः सेंसर तक पहुंचे
लेंस तत्वों, एपर्चर और ऑप्टिकल सुधारों से गुजरने के बाद भी, प्रकाश को अतिरिक्त घटकों का सामना करना पड़ सकता है।
कैमरे के डिज़ाइन के आधार पर, ऑप्टिकल पथ में शामिल हो सकते हैं:
सुरक्षात्मक खिड़कियाँ
आईआर-कट फिल्टर
सेंसर कवर ग्लास
लो-पास फिल्टर
अन्य ऑप्टिकल कोटिंग्स या संरचनाएं
प्रत्येक अतिरिक्त सतह ऑप्टिकल प्रणाली को प्रभावित कर सकती है।
परावर्तन संचरण को कम कर सकता है।
ख़राब कोटिंग से भड़कन या भूत-प्रेत बढ़ सकता है।
सेंसर के सामने घटकों की मोटाई और अपवर्तक गुण फोकस और ऑप्टिकल प्रदर्शन को भी प्रभावित कर सकते हैं।
यह कॉम्पैक्ट कैमरा सिस्टम में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहां सब कुछ बहुत छोटी जगह में पैक किया जाता है।
ऑप्टिकल डिज़ाइनर आसानी से यह नहीं कह सकता:
"यह सेंसर निर्माता की समस्या है।"
संपूर्ण ऑप्टिकल स्टैक मायने रखता है।
अंत में, प्रकाश सेंसर तक पहुंचता है
इन सभी अंतःक्रियाओं के बाद, प्रकाश अंततः छवि सेंसर तक पहुंचता है।
सेंसर आने वाले फोटॉनों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करता है।
इस बिंदु पर, ऐसा लग सकता है कि लेंस ने अपना काम पूरा कर लिया है।
दरअसल, यह वह जगह है जहां आप अंततः देख सकते हैं कि लेंस ने अपना काम अच्छी तरह से किया है या नहीं।
यदि ऑप्टिकल सिस्टम वितरित किया गया:
पर्याप्त रोशनी
अच्छा कंट्रास्ट
उत्कृष्ट विवरण
नियंत्रित विपथन
उपयुक्त किरण कोण
पर्याप्त छवि कवरेज
सेंसर के पास काम करने के लिए उपयोगी जानकारी है।
यदि नहीं, तो छवि-प्रसंस्करण प्रणाली के सामने एक कठिन समस्या है।
शोर में कमी से शोर कम हो सकता है।
तेज़ करने से किनारों को बढ़ाया जा सकता है।
एआई एल्गोरिदम छवियों को बेहतर बना सकता है।
लेकिन सॉफ़्टवेयर उस ऑप्टिकल जानकारी को पूरी तरह से पुनर्प्राप्त नहीं कर सकता जिसे कभी कैप्चर नहीं किया गया था।
यही कारण है कि कम्प्यूटेशनल इमेजिंग अधिक परिष्कृत होने के बावजूद ऑप्टिकल गुणवत्ता महत्वपूर्ण बनी हुई है।
लेंस और सेंसर का चयन एक साथ क्यों होना चाहिए?
यह संभवतः व्यावहारिक सबक है जिस पर मैं सबसे अधिक जोर दूंगा।
पहले एक सेंसर न चुनें और फिर लापरवाही से न पूछें:
"हम इस पर कौन सा लेंस लगा सकते हैं?"
कई परियोजनाओं के लिए, लेंस और सेंसर चयन पर एक साथ विचार किया जाना चाहिए।
इंजीनियर को इनके बीच संबंध को समझने की आवश्यकता है:
सेंसर + लेंस + एपर्चर + देखने का क्षेत्र + छवि प्रसंस्करण + प्रकाश व्यवस्था
एक भाग में परिवर्तन दूसरे भाग को प्रभावित कर सकता है।
छोटा पिक्सेल आकार ऑप्टिकल रिज़ॉल्यूशन आवश्यकताओं को बढ़ा सकता है।
देखने का व्यापक क्षेत्र विकृति और धार-प्रदर्शन चुनौतियों को बढ़ा सकता है।
एक बड़ा एपर्चर कम रोशनी में प्रदर्शन में सुधार कर सकता है जबकि विपथन नियंत्रण को और अधिक कठिन बना सकता है।
एक अलग सेंसर सीआरए आवश्यकताओं को बदल सकता है।
यही कारण है कि अनुभवी ऑप्टिकल आपूर्तिकर्ता लेंस की सिफारिश करने से पहले अक्सर आश्चर्यजनक रूप से विस्तृत प्रश्न पूछते हैं।
ऐसा इसलिए नहीं है क्योंकि उन्हें कागजी कार्रवाई में मजा आता है।
आमतौर पर, वे ऐसी किसी चीज़ की अनुशंसा करने से बचने की कोशिश करते हैं जो कागज पर तो सही दिखती है और वास्तविक कैमरे से कनेक्ट होने पर आपको निराश करती है।
ऑप्टिकल पथ वास्तव में निर्णयों की एक श्रृंखला है
एक बार जब आप समझ जाते हैं कि दृश्य और सेंसर के बीच क्या होता है, तो एक बात स्पष्ट हो जाती है:
एक कैमरा लेंस केवल "प्रकाश पर ध्यान केंद्रित करने वाला" नहीं है।
यह प्रकाश का प्रबंधन कर रहा है.
प्रत्येक ऑप्टिकल सतह, प्रत्येक वक्रता, प्रत्येक रिक्ति, प्रत्येक कोटिंग और प्रत्येक यांत्रिक सहनशीलता अंतिम छवि को प्रभावित करती है।
लेंस को पर्याप्त प्रकाश एकत्रित करना होता है।
इसे उस प्रकाश को सही ढंग से निर्देशित करना होगा।
इसे विपथन पर नियंत्रण रखना होगा।
इसे पर्याप्त समाधान प्रदान करना होगा।
इसे सेंसर से मेल खाना होगा।
और आदर्श रूप से, इसे यह सब लगातार प्रदर्शन के साथ हजारों या लाखों बार करने की आवश्यकता है।
यही कारण है कि एक छोटे कैमरे के लेंस में प्रभावशाली मात्रा में इंजीनियरिंग समाहित हो सकती है।
बोशी ऑप्टिक्स में, सुरक्षा निगरानी और एआई विज़न से लेकर ड्रोन, ऑटोमोटिव इमेजिंग, चिकित्सा उपकरणों और अन्य इमेजिंग सिस्टम तक के अनुप्रयोगों के लिए ऑप्टिकल समाधान विकसित किए जाते हैं। कंपनी की विनिर्माण क्षमताओं में ऑप्टिकल घटक प्रसंस्करण, सटीक मोल्डिंग, इंजेक्शन मोल्डिंग, लेंस असेंबली और ऑप्टिकल परीक्षण शामिल हैं।
अंतिम छवि सरल दिख सकती है.
जिस यात्रा ने इसे बनाया वह कुछ भी नहीं है।
इसके बारे में सोचने का एक आखिरी तरीका
अगली बार जब आप कैमरे के विनिर्देशन को देखें और देखें:
8MP सेंसर
विवरण के आठ मिलियन छोटे टुकड़ों की तुरंत कल्पना न करें।
जानकारी रिकॉर्ड करने के आठ मिलियन अवसरों की कल्पना करें।
फिर पूछें:
लेंस ने वास्तव में उन्हें क्या प्रदान किया?
यह प्रश्न ऑप्टिकल इंजीनियरिंग के मूल के बहुत करीब है।
क्योंकि सेंसर इमेज को रिकॉर्ड करता है.
लेकिन इससे पहले कि सेंसर कुछ भी रिकॉर्ड कर सके, लेंस को इसे रिकॉर्डिंग के लायक कुछ देना होगा।
