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说说弧形成像元件和柔性成像元件

(2014-04-17 18:33:00)
标签:

弧形成像元件

曲面成像元件

曲面成像

镜头

相机

分类: 论摄影
2014大规模集成电路技术研讨会将于6月在夏威夷召开,有媒体翻出了研讨会提纲,发现sony公司将就弧形成像元件做简短的介绍,并将之称为终极先进影像系统(ultimate advanced imaging system)。
说说弧形成像元件和柔性成像元件

其实2012年9月,Sony就有一个关于弧形成像元件的专利公开(2011年2月提出专利申请)。2013年4月,Sony全画幅35mm f/1.8等一批镜头光学设计专利公布(2011年9月提出专利申请),大家就发现这些镜头的像面是弯曲的。这些都暗示Sony未来的数码相机会使用曲面成像元件。

然而此次的消息有所不同。申请专利也许是技术储备,大量专利并未投入产品应用。而在公开研讨会上介绍弧形成像元件,意味着此技术很有可能基本成熟,即将投入未来的产品应用。
说说弧形成像元件和柔性成像元件



弧形成像元件(实际上应该称之为曲面成像元件)并不是近一两年出现的新鲜事物,Nikon、Konica Minolta都有过类似专利(KM和Sony是不是等于重复^_^)。早在胶卷时代,业界就考虑过曲面成像的问题。在关于Leica的各种神话传奇中,就有关于曲面成像的。Leica的镜头常常会有场曲矫正不足的现象,正常理解是各项光学设计平衡的结果,传奇一点的说法是刻意为之,达到特定的视觉效果(著名的Leica味道),神话的说法就是Leica通过精密测算,利用了胶卷自然弯曲的特性,设计像场弯曲的镜头,优化成像。每种胶卷的硬度韧性不同,要在横竖平面上都达到标准的曲率,并不容易。不管这个说法有多少依据和可信度,曲面成像的设想本身并没有什么不妥,某些电影荧幕就是略带弧形的。

曲面成像元件到底有什么优势内。先看看Sony公司是怎么说的:

我们认为最先进的影像系统是由曲面背照式CMOS成像元件和与之相适配的镜头组成的,这样的相机可以将成像圈边缘部分的感光性能提升一倍,中央部分的感光度提升40%而暗场电流比平面背照式CMOS低1/5。

这是因为镜头的场曲像差基本被成像元件自己的弧度消除了,所以在曲面背照式成像元件系统上,同样光圈值的镜头通光量可以更大,从而提升系统的感光性能。于此同时,通过控制成像元件弯曲的张力,可以增加电流带隙,从而减小暗场电流。这样的曲面背照式成像元件原理上与动物眼睛的构造是一样的,已经经过了大自然进化的验证,是“终极先进影像系统”。



电子方面的问题撞针比较陌生,不多说了,省的露怯。边缘成像亮度的问题则比较好解释。镜头成像存在两种暗角:渐晕暗角和余弦暗角。由于成像亮度与入射光线的角度和距离有关,所以边缘成像会比中央成像暗,亮度与入射角余弦的4方成正比,这就是余弦暗角。由于余弦暗角的存在,等效20mm焦距的理论边缘亮度比中央部分要低1.5EV,14mm要低3.5EV。(参见撞针另外一篇文字《渐晕暗角和余弦暗角》)
说说弧形成像元件和柔性成像元件

说说弧形成像元件和柔性成像元件


曲面成像元件同时减小了边缘成像光线的入射角度和距离,因而可以有效降低余弦暗角。对于某些焦距和结构的镜头来说,足以增加一倍照度。
说说弧形成像元件和柔性成像元件


摄影镜头通常仅涉及F制光圈值,只考虑光圈孔径与焦距的关系,同样F值的光圈由于透光度和暗角问题,其实到达成像元件的光线并不一样多。减小边缘暗角就可以提升同一个镜头的总体照度,在镜头大小不变、光圈f值不变的情况下,提升感光度1/3-2/3EV,相当于提升了机身的感光度性能。与背照式成像元件结合,将会大幅提升弱光性能。

曲面成像元件矫正场曲像差很容易理解。实际上,由于曲面缩短了边缘像点与镜头主点的距离,也可以在一定情况下简化像散、彗差甚至横向色差的矫正。我们都知道,镜头之所以需要很多镜片组,就是为了矫正各种色差。曲面成像元件可以在一定情况下简化光学设计,意味可以减少镜片数量,特别是减少非球面、高折射度特殊镜片的数量,或者减少镜片表面曲率,从而减小镜头的体积,实现镜头小型化,降低镜头成本。
说说弧形成像元件和柔性成像元件
说说弧形成像元件和柔性成像元件


其实还有Sony没提到的,成像元件是曲面,允许镜头尾部的镜片更接近成像元件(后焦更小),允许尾镜片组设计更大的曲率。这就扩展了镜头设计的空间,方便设计突破卡口限制的超大光圈镜头和超广角镜头


但曲面成像元件有一个问题:不同焦距、不同结构的镜头,原本场曲和其他像差就存在不同的表现,如果成像元件曲率固定,就需要让所有的镜头都针对同样的曲率重新设计。目前的镜头大部分都已经针对平面像场进行了像差矫正,在曲面成像元件上显然没法用。

所以,固定曲面成像元件,更适于不可更换镜头数码相机,特别是定焦镜头的机型,或者手机摄像头上。要让曲面成像元件发挥更大的作用,就需要另一个创意:柔性成像元件。

撞针十来年前曾经提出过柔性成像元件这设想。当然俺也相信肯定有比俺专业、聪明的人更早就想到过。让成像元件曲面可变,其实比液态镜片要容易的多,无论借助机械方式,抑或液压气压原理都可以办到。Sony弧形成像元件的专利图示也挺有意思,其实说不清这是一个生产磨具,还是可变曲率的平台哦。没准Sony跟俺想的一样。

柔性成像元件的优点在于可以根据镜头型号、焦距、光圈不断改变成像元件表面曲率,从而实现成像最优化,达到简化镜头设计的目的。对于传统镜头,成像元件可以恢复平面;对于变焦镜头,成像元件也可以更具广角长焦端的不同成像特色进行调整。这个才是真正的“终极先进影像系统”。

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