Số lượng thấu kính là yếu tố quyết định quan trọng đến hiệu suất hình ảnh trong các hệ thống quang học và đóng vai trò trung tâm trong khuôn khổ thiết kế tổng thể. Khi công nghệ hình ảnh hiện đại phát triển, nhu cầu của người dùng về độ rõ nét của hình ảnh, độ trung thực màu sắc và khả năng tái tạo chi tiết tinh tế ngày càng cao, đòi hỏi khả năng kiểm soát tốt hơn sự truyền ánh sáng trong các thiết bị vật lý ngày càng nhỏ gọn. Trong bối cảnh này, số lượng thấu kính nổi lên như một trong những thông số có ảnh hưởng nhất đến khả năng của hệ thống quang học.
Mỗi thấu kính bổ sung mang lại một mức độ tự do tăng dần, cho phép điều khiển chính xác quỹ đạo ánh sáng và hành vi hội tụ dọc theo toàn bộ đường dẫn quang học. Tính linh hoạt trong thiết kế được nâng cao này không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tối ưu hóa đường dẫn hình ảnh chính mà còn cho phép hiệu chỉnh có mục tiêu nhiều quang sai khác nhau. Các quang sai chính bao gồm quang sai cầu - phát sinh khi các tia rìa và tia cận trục không hội tụ tại một tiêu điểm chung; quang sai coma - biểu hiện dưới dạng làm mờ không đối xứng của các nguồn điểm, đặc biệt là về phía ngoại vi của ảnh; loạn thị - dẫn đến sự sai lệch tiêu điểm phụ thuộc vào hướng; độ cong trường ảnh - nơi mặt phẳng ảnh bị cong, dẫn đến các vùng trung tâm sắc nét với tiêu điểm rìa bị suy giảm; và méo hình học - xuất hiện dưới dạng biến dạng hình ảnh hình thùng hoặc hình gối.
Hơn nữa, hiện tượng quang sai màu—cả dọc trục và ngang—do sự tán sắc vật liệu gây ra làm giảm độ chính xác màu sắc và độ tương phản. Bằng cách tích hợp thêm các thấu kính, đặc biệt là thông qua sự kết hợp chiến lược giữa các thấu kính dương và âm, những quang sai này có thể được giảm thiểu một cách có hệ thống, từ đó cải thiện độ đồng nhất hình ảnh trên toàn trường nhìn.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hình ảnh độ phân giải cao đã làm nổi bật hơn nữa tầm quan trọng của độ phức tạp của thấu kính. Ví dụ, trong nhiếp ảnh điện thoại thông minh, các mẫu điện thoại cao cấp hiện nay tích hợp cảm biến CMOS với số điểm ảnh vượt quá 50 triệu, một số thậm chí đạt đến 200 triệu, cùng với kích thước điểm ảnh ngày càng nhỏ. Những tiến bộ này đặt ra những yêu cầu khắt khe về tính nhất quán góc và không gian của ánh sáng chiếu tới. Để khai thác tối đa khả năng phân giải của các mảng cảm biến mật độ cao như vậy, thấu kính phải đạt được giá trị Hàm Truyền Điều Biến (MTF) cao hơn trên một dải tần số không gian rộng, đảm bảo khả năng tái tạo chính xác các chi tiết nhỏ. Do đó, các thiết kế ba hoặc năm thấu kính thông thường không còn đáp ứng đủ nhu cầu, dẫn đến việc áp dụng các cấu hình đa thấu kính tiên tiến như kiến trúc 7P, 8P và 9P. Những thiết kế này cho phép kiểm soát tốt hơn các góc tia xiên, thúc đẩy sự chiếu gần vuông góc lên bề mặt cảm biến và giảm thiểu hiện tượng nhiễu xuyên thấu vi mô. Hơn nữa, việc tích hợp các bề mặt phi cầu giúp tăng cường độ chính xác hiệu chỉnh quang sai cầu và biến dạng, cải thiện đáng kể độ sắc nét từ cạnh này sang cạnh khác và chất lượng hình ảnh tổng thể.
Trong các hệ thống chụp ảnh chuyên nghiệp, nhu cầu về chất lượng quang học vượt trội thúc đẩy sự ra đời của các giải pháp phức tạp hơn. Các ống kính tiêu cự cố định khẩu độ lớn (ví dụ: f/1.2 hoặc f/0.95) được sử dụng trong các máy ảnh DSLR và máy ảnh không gương lật cao cấp vốn dễ bị quang sai cầu và quang sai coma nghiêm trọng do độ sâu trường ảnh nông và lượng ánh sáng truyền qua cao. Để khắc phục những hiện tượng này, các nhà sản xuất thường sử dụng các cụm thấu kính gồm 10 đến 14 thành phần, tận dụng các vật liệu tiên tiến và kỹ thuật chính xác. Thủy tinh tán xạ thấp (ví dụ: ED, SD) được sử dụng một cách chiến lược để triệt tiêu tán sắc và loại bỏ viền màu. Các thành phần phi cầu thay thế nhiều thành phần cầu, đạt được khả năng hiệu chỉnh quang sai vượt trội đồng thời giảm trọng lượng và số lượng thành phần. Một số thiết kế hiệu suất cao kết hợp các thành phần quang học nhiễu xạ (DOE) hoặc thấu kính fluorit để triệt tiêu quang sai màu hơn nữa mà không làm tăng đáng kể khối lượng. Trong các ống kính zoom siêu tele—chẳng hạn như 400mm f/4 hoặc 600mm f/4—cấu trúc quang học có thể bao gồm hơn 20 thấu kính riêng lẻ, kết hợp với cơ chế lấy nét nổi để duy trì chất lượng hình ảnh nhất quán từ tiêu cự gần đến vô cực.
Mặc dù có những ưu điểm này, việc tăng số lượng thấu kính lại dẫn đến những đánh đổi đáng kể về mặt kỹ thuật. Thứ nhất, mỗi giao diện không khí-thủy tinh đóng góp khoảng 4% tổn thất phản xạ. Ngay cả với các lớp phủ chống phản xạ tiên tiến nhất—bao gồm các lớp phủ cấu trúc nano (ASC), cấu trúc dưới bước sóng (SWC) và các lớp phủ băng thông rộng nhiều lớp—tổn thất truyền dẫn tích lũy vẫn không thể tránh khỏi. Số lượng thấu kính quá nhiều có thể làm giảm tổng độ truyền ánh sáng, làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tăng khả năng bị lóa, mờ và giảm độ tương phản, đặc biệt là trong môi trường thiếu sáng. Thứ hai, dung sai sản xuất ngày càng khắt khe: vị trí trục, độ nghiêng và khoảng cách của mỗi thấu kính phải được duy trì trong phạm vi độ chính xác micromet. Sai lệch có thể gây ra suy giảm quang sai ngoài trục hoặc làm mờ cục bộ, làm tăng độ phức tạp sản xuất và giảm tỷ lệ sản lượng.
Ngoài ra, số lượng thấu kính càng nhiều thường làm tăng thể tích và khối lượng của hệ thống, trái ngược với yêu cầu thu nhỏ trong ngành điện tử tiêu dùng. Trong các ứng dụng bị hạn chế về không gian như điện thoại thông minh, camera hành trình và hệ thống chụp ảnh gắn trên máy bay không người lái, việc tích hợp quang học hiệu suất cao vào các thiết kế nhỏ gọn là một thách thức lớn. Hơn nữa, các thành phần cơ khí như bộ truyền động lấy nét tự động và mô-đun ổn định hình ảnh quang học (OIS) cần có đủ khoảng trống để nhóm thấu kính di chuyển. Các cụm thấu kính quá phức tạp hoặc được sắp xếp kém có thể hạn chế hành trình và độ nhạy của bộ truyền động, làm giảm tốc độ lấy nét và hiệu quả ổn định hình ảnh.
Do đó, trong thiết kế quang học thực tế, việc lựa chọn số lượng thấu kính tối ưu đòi hỏi một phân tích cân bằng kỹ thuật toàn diện. Các nhà thiết kế phải dung hòa các giới hạn hiệu suất lý thuyết với các ràng buộc thực tế, bao gồm ứng dụng mục tiêu, điều kiện môi trường, chi phí sản xuất và sự khác biệt trên thị trường. Ví dụ, ống kính camera di động trong các thiết bị thị trường đại chúng thường sử dụng cấu hình 6P hoặc 7P để cân bằng hiệu suất và hiệu quả chi phí, trong khi ống kính điện ảnh chuyên nghiệp có thể ưu tiên chất lượng hình ảnh tối ưu hơn là kích thước và trọng lượng. Đồng thời, những tiến bộ trong phần mềm thiết kế quang học—như Zemax và Code V—cho phép tối ưu hóa đa biến phức tạp, cho phép các kỹ sư đạt được mức hiệu suất tương đương với các hệ thống lớn hơn bằng cách sử dụng ít thấu kính hơn thông qua việc tinh chỉnh cấu hình độ cong, lựa chọn chỉ số khúc xạ và tối ưu hóa hệ số phi cầu.
Tóm lại, số lượng thấu kính không chỉ đơn thuần là thước đo độ phức tạp quang học mà còn là một biến số cơ bản xác định giới hạn trên của hiệu suất hình ảnh. Tuy nhiên, thiết kế quang học vượt trội không chỉ đạt được thông qua việc tăng số lượng mà còn thông qua việc xây dựng có chủ đích một kiến trúc cân bằng, dựa trên vật lý, hài hòa giữa khả năng hiệu chỉnh quang sai, hiệu suất truyền dẫn, độ nhỏ gọn cấu trúc và khả năng sản xuất. Trong tương lai, những đổi mới trong vật liệu mới – chẳng hạn như polyme có chiết suất cao, độ tán xạ thấp và siêu vật liệu – các kỹ thuật chế tạo tiên tiến – bao gồm đúc khuôn cấp độ wafer và xử lý bề mặt tự do – và hình ảnh tính toán – thông qua thiết kế đồng thời quang học và thuật toán – được kỳ vọng sẽ định nghĩa lại mô hình về số lượng thấu kính "tối ưu", cho phép tạo ra các hệ thống hình ảnh thế hệ tiếp theo với hiệu suất cao hơn, thông minh hơn và khả năng mở rộng được cải thiện.
Thời gian đăng bài: 16/12/2025