Un meilleur objectif peut-il améliorer les performances d'un capteur moins cher

Voici une question que nous entendons étonnamment souvent dans le développement d'appareils photo :

« Si nous utilisons un meilleur objectif, pouvons-nous obtenir de meilleures performances avec un capteur moins cher ? »

La réponse honnête est :

Oui, mais pas comme on pourrait le penser.

Un meilleur objectif ne peut pas transformer comme par magie un capteur 5MP en capteur 8MP. Il ne peut pas augmenter le nombre de pixels physiques du capteur, améliorer sa plage dynamique native ou éliminer le bruit provenant du capteur lui-même.

Mais il y a une autre facette de l’histoire.

Un capteur ne peut enregistrer que les informations optiques qui lui parviennent.

Si l'objectif fournit des détails médiocres, un faible contraste, une lumière insuffisante ou des aberrations mal contrôlées, même un capteur coûteux est amené à travailler avec des informations compromises.

D’un autre côté, un objectif bien conçu peut aider un capteur plus abordable à extraire beaucoup plus de ce dont il est réellement capable.

Et cette distinction est extrêmement importante lors de la conception d’une caméra sensible aux coûts.

Le capteur ne fonctionne pas seul

Il est tentant de considérer le capteur comme le « moteur » de l’appareil photo.

En réalité, le système d’imagerie est plus proche d’une équipe.

La lentille collecte et organise la lumière.

Le capteur convertit cette lumière en signaux électriques.

Le FAI traite ces signaux.

Le logiciel et l’IA interprètent ensuite l’image résultante.

Si une partie de la chaîne est faible, les autres composants doivent compenser.

Et la compensation a des limites.

Imaginez un capteur abordable, parfaitement capable de résoudre un niveau de détail particulier.

Maintenant, placez un objectif de mauvaise qualité devant.

L'objectif peut brouiller ces détails avant qu'ils n'atteignent le capteur.

Le capteur ne peut pas enregistrer des informations qui ne lui ont jamais été transmises.

C’est pourquoi acheter le capteur le plus cher tout en traitant l’objectif comme un composant de base peut s’avérer une stratégie étonnamment inefficace.

Un meilleur objectif n'ajoute pas de pixels. Cela rend les pixels plus utiles.

C'est l'idée clé.

Supposons que deux caméras utilisent exactement le même capteur.

La caméra A utilise un objectif médiocre.

La caméra B utilise un meilleur système optique.

Les spécifications du capteur n'ont pas changé.

Les deux ont toujours le même nombre de pixels.

Mais les images peuvent être sensiblement différentes.

Pourquoi?

Parce que le nombre de pixels n’est qu’une partie de l’histoire.

Le système optique influence :

Résolution

Contraste

Transmission de la lumière

Distorsion

Aberration chromatique

Netteté des bords

Uniformité de l'image

Un meilleur objectif peut donc aider le capteur à mieux utiliser les pixels dont il dispose déjà.

Pensez-y de cette façon :

Un entrepôt rempli de cartons vides ne signifie pas que vous avez plus de produits.

Le capteur vous donne les cases.

L’objectif aide à déterminer la quantité d’informations utiles qui y sont contenues.

MTF : là où l'objectif rencontre le capteur

C'est iciMTF (fonction de transfert de modulation)devient utile.

MTF décrit l'efficacité avec laquelle un système optique préserve le contraste à différents niveaux de détail.

Vous n’avez pas besoin de devenir ingénieur en optique pour en comprendre la signification pratique.

Un objectif doté de bonnes performances MTF peut préserver les détails fins avec un contraste utile.

Un objectif avec de mauvaises performances MTF peut transformer ces détails en motifs de plus en plus faibles et flous.

Cela devient particulièrement important avec les capteurs modernes, où la taille des pixels peut être très petite.

Techniquement, un capteur peut avoir beaucoup de pixels, mais si l'objectif ne peut pas résoudre suffisamment de détails spatiaux, ces pixels ne sont pas utilisés efficacement.

C’est l’une des raisons pour lesquelles un système optique bien conçu peut parfois rendre un appareil photo plus « net », même si le capteur lui-même n’a pas changé.

L'objectif n'améliore pas le capteur.

Cela devient tout simplement moins gênant.

Plus de lumière peut également changer la donne

La résolution n'est pas le seul problème.

Les performances en basse lumière sont un autre domaine dans lequel la qualité des objectifs est importante.

Une ouverture plus grande permet à plus de lumière d’atteindre le capteur.

Pour des applications telles que la surveillance de sécurité, la surveillance extérieure, la robotique ou les caméras de véhicules, cela peut s'avérer particulièrement utile.

Considérons deux caméras utilisant le même capteur.

On utilise un objectif à relativement petite ouverture.

L’autre utilise un objectif à plus grande ouverture avec une meilleure capacité de collecte de lumière.

Dans un environnement lumineux, la différence n’est peut-être pas dramatique.

La nuit, cela peut devenir beaucoup plus évident.

La deuxième caméra peut être capable de maintenir un niveau de gain inférieur, une meilleure exposition et des informations d'image plus claires.

Cela ne signifie pas que l'objectif a amélioré les caractéristiques de bruit du capteur.

Cela signifie que l’objectif a donné au capteur un meilleur signal optique pour commencer.

Et parfois, cela représente la moitié de la bataille.

Là où un meilleur objectif ne peut pas aider

Il est important de ne pas exagérer cela.

Un meilleur objectif a des limites.

Si le capteur possède :

Mauvaise plage dynamique

Bruit de lecture élevé

Faible efficacité quantique

Performance des couleurs limitée

Nombre de pixels insuffisant

l'objectif ne peut pas résoudre complètement ces problèmes.

De même, un objectif ne peut pas transformer un capteur basse résolution en capteur haute résolution.

Il n’existe pas d’équivalent optique à la mise à niveau secrète du micrologiciel du capteur.

Si quelqu’un promet cela, méfiez-vous.

Une bonne ingénierie optique consiste à maximiser les performances du système et non à faire des miracles.

La véritable opportunité est la correspondance du système

La question la plus intéressante n'est pas :

« Quel est le meilleur, le capteur coûteux ou l'objectif coûteux ? »

C'est:

« Comment l'objectif et le capteur doivent-ils être adaptés ? »

C’est là que la conception optique expérimentée devient précieuse.

Un objectif doit être évalué en fonction du capteur réel :

Format du capteur

Taille des pixels

Zone d'image active

Exigences de l'ARC

Résolution requise

Champ de vision

Ouverture

Cercle d'image

Par exemple, l’utilisation d’un objectif à très haute résolution avec un capteur à relativement basse résolution peut apporter peu d’avantages pratiques.

Mais l’utilisation d’un objectif mal adapté à un capteur performant peut laisser des performances significatives sur la table.

Le sweet spot se situe quelque part entre les deux.

C'est là que l'optimisation des coûts devient intéressante

Pour les fabricants d’appareils photo, cela peut avoir un impact commercial majeur.

Imaginez qu'un produit doive atteindre un objectif spécifique de qualité d'image tout en respectant un coût de nomenclature strict.

L’approche évidente est souvent :

"Achetons un meilleur capteur."

Parfois, c'est la bonne réponse.

Mais parfois, la meilleure approche consiste à examiner l’ensemble du système d’imagerie.

Une meilleure conception optique pourrait-elle permettre à un capteur plus abordable d’obtenir le résultat requis ?

Une ouverture plus grande pourrait-elle améliorer suffisamment les performances en basse lumière pour réduire le besoin d’un traitement d’image agressif ?

De meilleures performances de pointe pourraient-elles améliorer la détection de l’IA sans augmenter la résolution du capteur ?

Une meilleure adaptation capteur-objectif pourrait-elle fournir la qualité d’image requise sans simplement ajouter plus de mégapixels ?

Ce sont des questions d’ingénierie beaucoup plus intéressantes.

Et ils peuvent avoir un impact direct sur le coût du produit.

Un bon objectif peut constituer une mise à niveau plus intelligente

C'est pourquoi nous, àOptique Boshiconsidèrent souvent l’appareil photo comme un système optique complet plutôt que d’évaluer l’objectif isolément.

Une caméra de sécurité, un drone, une caméra automobile, un robot, une caméra industrielle ou un appareil d'imagerie médicale peuvent avoir des priorités complètement différentes.

La meilleure solution optique n’est pas nécessairement la plus coûteuse.

C'est celui qui donne au capteur le bon type d'informations pour son travail.

Chez Boshi Optics, le développement et la fabrication optique couvrent des applications telles que la surveillance de sécurité, la vision IA, les drones, l'imagerie automobile, les dispositifs médicaux et d'autres systèmes d'imagerie. Cette approche axée sur les applications aide les ingénieurs à équilibrer la résolution, l'ouverture, le champ de vision, la taille, la distorsion et d'autres exigences plutôt que de simplement rechercher les spécifications les plus élevées.

Alors, un meilleur objectif peut-il améliorer les performances d’un capteur moins cher ?

Oui, mais avec une réserve importante.

Un meilleur objectif n’améliore pas physiquement le capteur.

Cela fait quelque chose de plus réaliste :

Cela peut aider le capteur à fonctionner plus près de son potentiel réel.

Une bonne optique peut fournir de meilleurs détails, une lumière plus utile, un contraste plus fort et une qualité d’image plus cohérente au capteur.

Pour le développement de caméras sensibles aux coûts, cela peut être une stratégie très intelligente.

Parce que parfois la réponse n'est pas :

"Achetez un capteur plus cher."

Parfois c'est :

"Arrêtez de faire fonctionner le capteur avec un objectif médiocre."

Et c’est une conversation qui vaut la peine d’avoir avant que le prochain projet de caméra ne soit verrouillé dans une nomenclature.