El nombre d'elements de lent és un determinant crític del rendiment de la imatge en els sistemes òptics i juga un paper central en el marc de disseny general. A mesura que avancen les tecnologies d'imatge modernes, les demandes dels usuaris pel que fa a la claredat de la imatge, la fidelitat del color i la reproducció de detalls fins s'han intensificat, cosa que requereix un major control sobre la propagació de la llum dins d'encapsulants físics cada cop més compactes. En aquest context, el nombre d'elements de lent emergeix com un dels paràmetres més influents que governen la capacitat del sistema òptic.
Cada element de lent addicional introdueix un grau de llibertat incremental, cosa que permet una manipulació precisa de les trajectòries de la llum i el comportament d'enfocament al llarg de la trajectòria òptica. Aquesta flexibilitat de disseny millorada no només facilita l'optimització de la trajectòria d'imatge primària, sinó que també permet la correcció específica de múltiples aberracions òptiques. Les aberracions clau inclouen l'aberració esfèrica, que sorgeix quan els raigs marginals i paraxials no convergeixen en un punt focal comú; l'aberració de coma, que es manifesta com una difuminació asimètrica de fonts puntuals, particularment cap a la perifèria de la imatge; l'astigmatisme, que provoca discrepàncies d'enfocament dependents de l'orientació; la curvatura del camp, on el pla de la imatge es corba, donant lloc a regions centrals nítides amb un enfocament de vora degradat; i la distorsió geomètrica, que apareix com una deformació de la imatge en forma de barril o coixí d'agulles.
A més, les aberracions cromàtiques —tant axials com laterals— induïdes per la dispersió del material comprometen la precisió del color i el contrast. Mitjançant la incorporació d'elements de lent addicionals, especialment mitjançant combinacions estratègiques de lents positives i negatives, aquestes aberracions es poden mitigar sistemàticament, millorant així la uniformitat de la imatge en tot el camp de visió.
La ràpida evolució de les imatges d'alta resolució ha amplificat encara més la importància de la complexitat de les lents. En la fotografia de telèfons intel·ligents, per exemple, els models estrella ara integren sensors CMOS amb un nombre de píxels que supera els 50 milions, alguns arribant als 200 milions, juntament amb mides de píxel que disminueixen contínuament. Aquests avenços imposen requisits estrictes sobre la consistència angular i espacial de la llum incident. Per aprofitar al màxim el poder de resolució d'aquestes matrius de sensors d'alta densitat, les lents han d'aconseguir valors de funció de transferència de modulació (MTF) més alts en un ampli rang de freqüències espacials, garantint una representació precisa de textures fines. En conseqüència, els dissenys convencionals de tres o cinc elements ja no són adequats, cosa que impulsa l'adopció de configuracions avançades de diversos elements com ara les arquitectures 7P, 8P i 9P. Aquests dissenys permeten un control superior sobre els angles dels raigs oblics, promovent una incidència gairebé normal a la superfície del sensor i minimitzant la diafonia de les microlents. A més, la integració de superfícies asfèriques millora la precisió de la correcció de l'aberració i la distorsió esfèriques, millorant significativament la nitidesa de vora a vora i la qualitat general de la imatge.
En els sistemes d'imatge professionals, la demanda d'excel·lència òptica impulsa solucions encara més complexes. Les lents de focal fixa de gran obertura (per exemple, f/1.2 o f/0.95) que s'utilitzen en càmeres rèflex digitals i sense mirall d'alta gamma són inherentment propenses a aberracions esfèriques greus i coma a causa de la seva poca profunditat de camp i l'alt rendiment de la llum. Per contrarestar aquests efectes, els fabricants utilitzen habitualment piles de lents que comprenen de 10 a 14 elements, aprofitant materials avançats i enginyeria de precisió. El vidre de baixa dispersió (per exemple, ED, SD) es desplega estratègicament per suprimir la dispersió cromàtica i eliminar les franges de color. Els elements asfèrics substitueixen múltiples components esfèrics, aconseguint una correcció de l'aberració superior alhora que redueixen el pes i el nombre d'elements. Alguns dissenys d'alt rendiment incorporen elements òptics difractius (DOE) o lents de fluorita per suprimir encara més l'aberració cromàtica sense afegir massa significativa. En els objectius zoom ultrateleobjectius, com ara 400 mm f/4 o 600 mm f/4, el conjunt òptic pot superar els 20 elements individuals, combinats amb mecanismes d'enfocament flotant per mantenir una qualitat d'imatge consistent des del focus proper fins a l'infinit.
Malgrat aquests avantatges, augmentar el nombre d'elements de lent introdueix importants compromisos d'enginyeria. En primer lloc, cada interfície aire-vidre contribueix aproximadament amb un 4% de pèrdua de reflectància. Fins i tot amb els recobriments antireflectants més moderns, com ara els recobriments nanoestructurats (ASC), les estructures de sublongitud d'ona (SWC) i els recobriments de banda ampla multicapa, les pèrdues acumulades de transmitància continuen sent inevitables. Un recompte excessiu d'elements pot degradar la transmissió total de la llum, reduint la relació senyal-soroll i augmentant la susceptibilitat a la flare, la boira i la reducció del contrast, especialment en entorns amb poca llum. En segon lloc, les toleràncies de fabricació es tornen cada cop més exigents: la posició axial, la inclinació i l'espaiat de cada lent s'han de mantenir amb una precisió micromètrica. Les desviacions poden induir una degradació per aberració fora de l'eix o un desenfocament localitzat, augmentant la complexitat de la producció i reduint les taxes de rendiment.
A més, un nombre més elevat de lents generalment augmenta el volum i la massa del sistema, cosa que entra en conflicte amb l'imperatiu de miniaturització en l'electrònica de consum. En aplicacions amb espai limitat, com ara telèfons intel·ligents, càmeres d'acció i sistemes d'imatges muntats en drons, la integració d'òptiques d'alt rendiment en factors de forma compactes presenta un repte de disseny important. A més, els components mecànics, com ara els actuadors d'enfocament automàtic i els mòduls d'estabilització òptica d'imatge (OIS), requereixen un espai lliure suficient per al moviment del grup de lents. Les piles òptiques massa complexes o mal disposades poden restringir la carrera i la capacitat de resposta dels actuadors, cosa que compromet la velocitat d'enfocament i l'eficàcia de l'estabilització.
Per tant, en el disseny òptic pràctic, la selecció del nombre òptim d'elements de lent requereix una anàlisi exhaustiva de compromisos d'enginyeria. Els dissenyadors han de conciliar els límits de rendiment teòrics amb les restriccions del món real, com ara l'aplicació objectiu, les condicions ambientals, el cost de producció i la diferenciació del mercat. Per exemple, les lents de les càmeres mòbils en dispositius de mercat massiu solen adoptar configuracions 6P o 7P per equilibrar el rendiment i la rendibilitat, mentre que les lents de cinema professionals poden prioritzar la màxima qualitat d'imatge a costa de la mida i el pes. Alhora, els avenços en el programari de disseny òptic, com ara Zemax i Code V, permeten una optimització multivariable sofisticada, permetent als enginyers aconseguir nivells de rendiment comparables als sistemes més grans que utilitzen menys elements mitjançant perfils de curvatura refinats, selecció de l'índex de refracció i optimització del coeficient asfèric.
En conclusió, el nombre d'elements de lent no és només una mesura de la complexitat òptica, sinó una variable fonamental que defineix el límit superior del rendiment d'imatge. Tanmateix, un disseny òptic superior no s'aconsegueix només mitjançant l'escalada numèrica, sinó mitjançant la construcció deliberada d'una arquitectura equilibrada i basada en la física que harmonitzi la correcció d'aberracions, l'eficiència de transmissió, la compacitat estructural i la fabricabilitat. De cara al futur, s'espera que les innovacions en nous materials, com ara polímers i metamaterials d'alt índex de refracció i baixa dispersió, tècniques de fabricació avançades, com ara el modelat a nivell de làmina i el processament de superfícies de forma lliure, i imatges computacionals, mitjançant el codisseny d'òptiques i algoritmes, redefineixin el paradigma del recompte de lents "òptim", permetent sistemes d'imatge de nova generació caracteritzats per un rendiment més alt, una major intel·ligència i una escalabilitat millorada.
Data de publicació: 16 de desembre de 2025