จำนวนชิ้นเลนส์เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพการถ่ายภาพในระบบออปติคอล และมีบทบาทสำคัญในกรอบการออกแบบโดยรวม เนื่องจากเทคโนโลยีการถ่ายภาพสมัยใหม่ก้าวหน้าขึ้น ความต้องการของผู้ใช้ในด้านความคมชัดของภาพ ความถูกต้องของสี และการสร้างรายละเอียดที่คมชัดจึงเพิ่มสูงขึ้น ทำให้จำเป็นต้องควบคุมการแพร่กระจายของแสงภายในโครงสร้างทางกายภาพที่กะทัดรัดมากขึ้น ในบริบทนี้ จำนวนชิ้นเลนส์จึงกลายเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่มีอิทธิพลมากที่สุดที่ควบคุมความสามารถของระบบออปติคอล
เลนส์แต่ละชิ้นที่เพิ่มเข้ามาจะเพิ่มระดับความเป็นอิสระขึ้น ทำให้สามารถควบคุมวิถีแสงและพฤติกรรมการโฟกัสได้อย่างแม่นยำตลอดเส้นทางแสง ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่เพิ่มขึ้นนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้การปรับเส้นทางการสร้างภาพหลักให้เหมาะสมที่สุดเท่านั้น แต่ยังช่วยให้สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนทางแสงหลายประการได้อย่างตรงจุด ความคลาดเคลื่อนที่สำคัญ ได้แก่ ความคลาดเคลื่อนทรงกลม ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อรังสีขอบและรังสีข้างแกนไม่บรรจบกันที่จุดโฟกัสร่วมกัน ความคลาดเคลื่อนโคมา ซึ่งปรากฏเป็นการเบลอแบบไม่สมมาตรของแหล่งกำเนิดแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณขอบภาพ ความคลาดเคลื่อนสายตาเอียง ซึ่งส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนของโฟกัสที่ขึ้นอยู่กับทิศทาง ความโค้งของระนาบภาพ ซึ่งระนาบภาพโค้งงอ ทำให้เกิดบริเวณตรงกลางที่คมชัดแต่ขอบภาพไม่คมชัด และการบิดเบี้ยวทางเรขาคณิต ซึ่งปรากฏเป็นการบิดเบี้ยวของภาพเป็นรูปทรงกระบอกหรือรูปหมอน
นอกจากนี้ ความคลาดเคลื่อนของสี ทั้งในแนวแกนและแนวขวาง ที่เกิดจากการกระจายตัวของวัสดุ ยังส่งผลเสียต่อความแม่นยำของสีและความคมชัด การเพิ่มองค์ประกอบเลนส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผสมผสานเลนส์บวกและเลนส์ลบอย่างมีกลยุทธ์ จะช่วยลดความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ได้อย่างเป็นระบบ ทำให้ภาพมีความสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งขอบเขตการมองเห็น
วิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของการถ่ายภาพความละเอียดสูงได้เพิ่มความสำคัญของความซับซ้อนของเลนส์มากยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น ในการถ่ายภาพด้วยสมาร์ทโฟน รุ่นเรือธงในปัจจุบันได้รวมเซ็นเซอร์ CMOS ที่มีจำนวนพิกเซลมากกว่า 50 ล้านพิกเซล บางรุ่นสูงถึง 200 ล้านพิกเซล พร้อมกับขนาดพิกเซลที่ลดลงอย่างต่อเนื่อง ความก้าวหน้าเหล่านี้ทำให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความสม่ำเสมอของมุมและตำแหน่งของแสงที่ตกกระทบ เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากความละเอียดของอาร์เรย์เซ็นเซอร์ความหนาแน่นสูงดังกล่าวได้อย่างเต็มที่ เลนส์จะต้องมีค่า Modulation Transfer Function (MTF) ที่สูงขึ้นในช่วงความถี่เชิงพื้นที่ที่กว้าง เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการแสดงผลของพื้นผิวละเอียดมีความแม่นยำ ดังนั้น การออกแบบแบบสามหรือห้าชิ้นแบบดั้งเดิมจึงไม่เพียงพออีกต่อไป กระตุ้นให้มีการนำการกำหนดค่าหลายชิ้นขั้นสูงมาใช้ เช่น สถาปัตยกรรม 7P, 8P และ 9P การออกแบบเหล่านี้ช่วยให้ควบคุมมุมของรังสีเฉียงได้ดีขึ้น ส่งเสริมการตกกระทบใกล้แนวตั้งฉากบนพื้นผิวเซ็นเซอร์ และลดการรบกวนของไมโครเลนส์ให้น้อยที่สุด นอกจากนี้ การผสานรวมพื้นผิวแอสเฟอริกยังช่วยเพิ่มความแม่นยำในการแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมและการบิดเบี้ยว ส่งผลให้ความคมชัดจากขอบถึงขอบและคุณภาพของภาพโดยรวมดีขึ้นอย่างมาก
ในระบบการถ่ายภาพระดับมืออาชีพ ความต้องการความเป็นเลิศทางด้านออปติกผลักดันให้เกิดโซลูชันที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น เลนส์ไพรม์ที่มีรูรับแสงกว้าง (เช่น f/1.2 หรือ f/0.95) ที่ใช้ในกล้อง DSLR และกล้องมิเรอร์เลสระดับไฮเอนด์ มีแนวโน้มที่จะเกิดความคลาดเคลื่อนทรงกลมและความคลาดเคลื่อนโคมาอย่างรุนแรง เนื่องจากระยะชัดลึกที่ตื้นและการส่งผ่านแสงสูง เพื่อแก้ไขผลกระทบเหล่านี้ ผู้ผลิตจึงมักใช้เลนส์แบบเรียงซ้อนที่ประกอบด้วยชิ้นเลนส์ 10 ถึง 14 ชิ้น โดยใช้ประโยชน์จากวัสดุขั้นสูงและวิศวกรรมที่แม่นยำ กระจกที่มีการกระจายแสงต่ำ (เช่น ED, SD) ถูกนำมาใช้ในเชิงกลยุทธ์เพื่อลดการกระจายสีและกำจัดขอบสี ชิ้นเลนส์แอสเฟอริกเข้ามาแทนที่ชิ้นเลนส์ทรงกลมหลายชิ้น ทำให้ได้การแก้ไขความคลาดเคลื่อนที่เหนือกว่า ในขณะที่ลดน้ำหนักและจำนวนชิ้นเลนส์ลง การออกแบบประสิทธิภาพสูงบางแบบรวมเอาชิ้นเลนส์แบบเลี้ยวเบน (DOE) หรือเลนส์ฟลูออไรต์เพื่อลดความคลาดเคลื่อนสีเพิ่มเติมโดยไม่เพิ่มน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญ ในเลนส์ซูมเทเลโฟโต้ระยะพิเศษ เช่น 400 มม. f/4 หรือ 600 มม. f/4 ชุดประกอบทางแสงอาจประกอบด้วยชิ้นเลนส์มากกว่า 20 ชิ้น ร่วมกับกลไกการโฟกัสแบบลอยตัว เพื่อรักษาคุณภาพของภาพที่สม่ำเสมอตั้งแต่ระยะใกล้สุดจนถึงระยะอนันต์
แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ การเพิ่มจำนวนชิ้นเลนส์ก็ทำให้เกิดข้อจำกัดทางวิศวกรรมที่สำคัญ ประการแรก อินเตอร์เฟซระหว่างอากาศกับกระจกแต่ละจุดทำให้เกิดการสูญเสียการสะท้อนแสงประมาณ 4% แม้จะใช้สารเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงที่ทันสมัยที่สุด—รวมถึงสารเคลือบโครงสร้างนาโน (ASC) โครงสร้างย่อยความยาวคลื่น (SWC) และสารเคลือบแบบบรอดแบนด์หลายชั้น—การสูญเสียการส่งผ่านแสงสะสมก็ยังคงหลีกเลี่ยงไม่ได้ จำนวนชิ้นเลนส์ที่มากเกินไปอาจทำให้การส่งผ่านแสงโดยรวมลดลง ลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน และเพิ่มความไวต่อแสงแฟลร์ หมอก และการลดลงของความคมชัด โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีแสงน้อย ประการที่สอง ความคลาดเคลื่อนในการผลิตจะเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ: ตำแหน่งตามแนวแกน การเอียง และระยะห่างของเลนส์แต่ละชิ้นต้องมีความแม่นยำในระดับไมโครเมตร ความเบี่ยงเบนอาจทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนนอกแกนหรือภาพเบลอเฉพาะจุด เพิ่มความซับซ้อนในการผลิตและลดอัตราผลผลิต
นอกจากนี้ จำนวนเลนส์ที่มากขึ้นโดยทั่วไปจะเพิ่มปริมาตรและน้ำหนักของระบบ ซึ่งขัดแย้งกับความจำเป็นในการลดขนาดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ในการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด เช่น สมาร์ทโฟน กล้องแอ็คชั่น และระบบถ่ายภาพที่ติดตั้งบนโดรน การรวมเลนส์ประสิทธิภาพสูงเข้ากับรูปแบบที่กะทัดรัดถือเป็นความท้าทายในการออกแบบอย่างมาก ยิ่งไปกว่านั้น ส่วนประกอบทางกล เช่น ตัวกระตุ้นการโฟกัสอัตโนมัติและโมดูลป้องกันภาพสั่นไหว (OIS) จำเป็นต้องมีพื้นที่ว่างเพียงพอสำหรับการเคลื่อนที่ของกลุ่มเลนส์ ชุดเลนส์ที่ซับซ้อนเกินไปหรือจัดเรียงไม่ดีอาจจำกัดระยะการเคลื่อนที่และการตอบสนองของตัวกระตุ้น ทำให้ความเร็วในการโฟกัสและประสิทธิภาพการป้องกันภาพสั่นไหวลดลง
ดังนั้น ในการออกแบบเลนส์เชิงปฏิบัติ การเลือกจำนวนชิ้นเลนส์ที่เหมาะสมที่สุดจึงต้องอาศัยการวิเคราะห์ความสมดุลทางวิศวกรรมอย่างรอบด้าน นักออกแบบต้องประสานข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพตามทฤษฎีกับข้อจำกัดในโลกแห่งความเป็นจริง ซึ่งรวมถึงการใช้งานเป้าหมาย สภาพแวดล้อม ต้นทุนการผลิต และความแตกต่างของตลาด ตัวอย่างเช่น เลนส์กล้องมือถือในอุปกรณ์ที่วางจำหน่ายทั่วไปมักใช้การจัดเรียงแบบ 6 ชิ้นหรือ 7 ชิ้น เพื่อสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและความคุ้มค่า ในขณะที่เลนส์ภาพยนตร์ระดับมืออาชีพอาจให้ความสำคัญกับคุณภาพของภาพสูงสุดโดยแลกกับขนาดและน้ำหนักที่มากขึ้น ในขณะเดียวกัน ความก้าวหน้าในซอฟต์แวร์ออกแบบเลนส์ เช่น Zemax และ Code V ช่วยให้สามารถปรับแต่งแบบหลายตัวแปรได้อย่างซับซ้อน ทำให้วิศวกรสามารถบรรลุระดับประสิทธิภาพที่เทียบเท่ากับระบบขนาดใหญ่กว่าโดยใช้ชิ้นเลนส์น้อยลง ผ่านการปรับแต่งโปรไฟล์ความโค้ง การเลือกดัชนีหักเห และการปรับค่าสัมประสิทธิ์แอสเฟอริกให้เหมาะสม
โดยสรุปแล้ว จำนวนชิ้นเลนส์ไม่ใช่เพียงแค่ตัววัดความซับซ้อนทางแสง แต่เป็นตัวแปรพื้นฐานที่กำหนดขีดจำกัดสูงสุดของประสิทธิภาพการถ่ายภาพ อย่างไรก็ตาม การออกแบบทางแสงที่เหนือกว่าไม่ได้เกิดขึ้นจากการเพิ่มจำนวนเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจากการสร้างโครงสร้างที่สมดุลและคำนึงถึงหลักฟิสิกส์อย่างรอบคอบ ซึ่งประสานการแก้ไขความคลาดเคลื่อน ประสิทธิภาพการส่งผ่าน ความกะทัดรัดของโครงสร้าง และความสามารถในการผลิต ในอนาคต นวัตกรรมในวัสดุใหม่ๆ เช่น โพลิเมอร์ที่มีดัชนีหักเหสูงและการกระจายแสงต่ำ และเมตาวัสดุ เทคนิคการผลิตขั้นสูง รวมถึงการขึ้นรูปในระดับเวเฟอร์และการประมวลผลพื้นผิวแบบอิสระ และการถ่ายภาพเชิงคำนวณ ผ่านการออกแบบร่วมกันของเลนส์และอัลกอริทึม คาดว่าจะกำหนดนิยามใหม่ของจำนวนเลนส์ที่ "เหมาะสมที่สุด" ทำให้ระบบการถ่ายภาพรุ่นต่อไปมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ฉลาดขึ้น และปรับขนาดได้ดีขึ้น
วันที่โพสต์: 16 ธันวาคม 2025