Стандарты качества

Блог Lensrentals посвятил несколько материалов разнице в качестве изображения, формируемого разными экземплярами объективов одной модели. На vlador размещены переводы 4 статей:

• Заметки о девиации
• О пределах допустимого
• Проверяйте на себе
• Проверяйте на себе II

Я решил, что новая статья от Лензренталз (https://www.lensrentals.com/blog/2016/02/optical-quality-assurance/) дополнит уже переведенные и пользующиеся популярностью материалы.

Начал переводить и понял, что автору отказала обычная конкретность и фактурность, а статья при немалом размере многословна и водяниста.

Размещаю переведенное, отпишитесь, пожалуйста, в комментариях – заканчивать?

Дополнение от 11 сентября: Разместил полный перевод :)

По следам наших выступлений о разнице между объективами одной модели, читатели поспешили  обвинить производителей, которым нужно всего лишь «просто улучшить контроль качества». Трудно спорить, но предполагаю, что мало кто представляет, как на самом деле выглядит пресловутое "улучшение контроля". Думаю, видится фотолюбителю сборочная линия, в конце которой сидит недавно и специально для того нанятый старательный парень, проверяющий каждый собранный объектив и отбраковывающий негодные. На деле, контроль соответствия оптических характеристик объективов много-много сложнее.

Для начала давайте проясним два нюанса:

1. Если вы считаете, что график MTF купленного вами объектива один в один повторяет график, опубликованный производителем, то дальше лучше не читать.
2. Если вы хоть раз сказали, что "за такие деньжищи все должно быть идеально», пожалуйста, закройте эту статью. Идеал недостижим. Потратив на объектив 20000 долларов и больше, вы будете где-то рядом, за 2000 долларов – всего лишь приемлемо близко.

Тем не менее, разумно дорогой объектив должен подвергаться разумной проверке качества и обладать минимальными от экземпляра к экземпляру отличиями в формируемом изображении. Это достижимо и есть производители, добившиеся этого. Остальным еще работать и работать. К сожалению, парень, поставленный в конец конвейера, не поможет. Мои объяснения на тему «кто виноват?» и «что делать?» получились многословными.

Начнем с азов

Постоянство стоит денег

Простой пример. Мне понадобилась плоская стеклянная пластина для калибровки испытательного стенда MTF. Пластина, плоская до 1/4 длины волны видимого света, стоит 450 долларов. До 1/20 длины волны намного точнее, но за нее просят целых 825 долларов. Имеет ли смысл платить больше? Зависит от ваших целей и задач. Для меня точность в 1/4 длины волны более чем достаточна.

Не стоит кивать на то, что для производителя разница в цене не так велика из-за масштабов производства. Понятно, что оптовый скидки работают, но принцип «чем точнее, тем дороже» неизменен. На партию в миллион 1 мм шурупов с допуском по размерам от 0,96 до 1.04 мм дадут отменную скидку. Хотите, чтобы разброс был от 0.99 до 1.01 мм? Обойдется дороже и каждый шурупчик из второй партии  будет дороже шурупа из первой – за точность приходится платить.

Тестирование оптики может влететь в копеечку

Часто слышу, что тестирование «не так уж и сильно» увеличит цену на объективы. Что кроется за «не так уж сильно»? Только за современный комплекс оценки MTF придется отдать 250 000 или даже 500 000 долларов. Добавьте затраты на само тестирование. Один тестовый прогон занимает пару минут. Каждый экземпляр требует минимум двух (но 4 будет лучше). Добавим время на установку и снятие объектива: получаем 5 минут на один объектив или 12 экземпляров в час. За 12-часовой рабочий день можно протестировать 144 объектива. Это для «фиксов». А модель с переменным фокусным нужно проверять на нескольких фокусных расстояниях (3 или 4) - в результате скорость снижается до трех-четырех экземпляров в час.

Получается, что для теста 5000 объективов в неделю вам потребуется далеко не один испытательный комплекс. Соглашусь, что затраты будут делиться на немалое число объективов, но цена определенно вырастет. Я оцениваю дополнительные затраты в 20 долларов для моделей с постоянным фокусным и 60 - на каждый объектив с переменным фокусным. (У Лензренталз затраты выше, но сделаем скидку на эффект масштаба).

Хотите максимально точной проверки? Тестирование на интерферометре приведет к кратному увеличению затрат: для каждой модели объектива понадобятся отдельные эталоны, а они стоят по 25 – 50 тысяч долларов каждый.

Хороших результатов позволяет достичь компьютерный анализ программами типа Imatest вкупе с высококачественными оптическими мишенями и выверенными рельсовыми подвесами, обеспечивающими должную соосность. Затраты будут ниже, точность приемлема.

Так или иначе, способов качественной проверки существует немало, но все они требуют дополнительных затрат.

А можно распечатать на струйном принтере грубые тестовые мишени, подключаем фотоаппарат к компьютеру и делаем поверхностную проверку кучи объективов на «годен/не годен» - быстро, неточно, невнятно, но почти бесплатно. Именно так поступают многие производители. Упражнение полезно, так как потенциально снижает количество будущих ремонтов и возвратов, а дополнительных затрат почти нет: все равно приходится производить схожие манипуляции при настройке автофокуса.

Производителей, проверяющих каждый объектив на высококачественном оборудовании, единицы. Некоторые делают качественную и тщательную проверку лишь ограниченного числа экземпляров (кстати, под «высококачественным оборудованием» понимается совсем не набор, знакомый по сервисным центрам). Некоторые делают тесты, отличающиеся от «компьютер фотографирует грубую мишень». Остальные в принципе не заморачиваются.

Брак нынче дорог

Допустим, что затраты на контроль невысоки, но должная проверка – только начало! Худшее, что может случиться с объективом с точки зрения производителя – уйти в брак после сборки.

Что делать? Просто выкинуть и списать в убытки? С объективом начального уровня скорее всего так и поступят: затраты на разборку и тестирование для спасения годных деталей и компонентов могут превысить их стоимость. Можно разобрать объектив и снова запустить компоненты на конвейер без проверки, надеясь, что виной отказа была ошибка сборки, а не брак комплектующих. (Такая практика дает неплохие результаты и широко распространена у мелких производителей). Но даже в этом случае затраты на сборку конкретного экземпляра объектива более чем удваиваются: собрали, разобрали, снова собрали, а в продажу пойдет всего один объектив.

Придется компенсировать стоимость брака. Если на 1000 проданных объективов сотню пришлось выкинуть, то их стоимость распределят на 1000 проданных. Если пришлось разобрать 100 экземпляров и заново пустить в производство комплектующие, то и в этом случае придется увеличивать цену из-за затрат на разборку и повторную сборку. Как ни крути, брак стоит дорого, а настоящий контроль качества необходим не только на выходе, но и до, и во время сборки объектива.

Думаете, в примере с 1000 объективов в тот или иной момент владельцам, менеджерам и инженерам не придет в голову мысль: «Так ли уж плохи были те 100 отбракованных экземпляров, или мы слишком придирчиво проверяем?»

Соблюдение стандартов и достижение постоянства – циклический процесс с обратной связью

Цикличность разработки

Будущее качество закладывается в первую очередь на этапе разработки и создания опытных образцов объектива.

Разработка оптической схемы

Инженеру-оптику ставятся цели и очерчиваются границы: цена, размер, необходимые функции, дата запуска в производство, и т.д. Инженер обычно старается не использовать дорогие типы стекла и избегает оптических элементов сложной формы – их цена в десятки раз выше цены простого элемента из обычного стекла.

Начальная оптическая схема проходит через ряд итераций. Немало из них вызваны «допусками». Каждый элемент оценивается с учетом точности производства – проверяется, как возможные отклонения повлияют на поведение объектива. В оптическую схему вносятся изменения, чтобы неизбежные при производстве оптических элементов отклонения не привели к серьезному падению качества формируемого изображения.

Приходится искать компромиссные решения, ведь все взаимосвязано и одно тянет за собой другое. В процессе участвуют не только инженеры: скажем, маркетологи могут потребовать сделать кривые MTF посимпатичнее, пусть даже за счет большего разброса от экземпляра к экземпляру, а финансисты способны наложить вето на использование дорогого стекла. Разные производители могут обращать преимущественное внимание на разные показатели. Один и тот же может по-разному расставлять приоритеты для разных моделей объективов.

Разработка механики объектива

Механическая конструкция объектива обычно намного сложнее, чем оптическая. Процесс разработки схож. Насколько точно каждый элемент будет размещен в корпусе объектива, не сместятся ли они при фокусировке и зуммировании? Определил ли инженер-оптик критические элементы, которые могут потребовать дополнительной корректировки, чтобы инженер-механик мог запроектировать прокладки, эксцентрики, центровочные кольца?

Вроде несложно, но только до того, пока не столкнешься сам. Я работаю с одной компанией, проектирующей простые неавтофокусные объективы-фиксы. Документация на механические части занимает не одну сотню страниц. Это только механика, никаких оптических элементов, автофокуса,  трансфокатора, системы стабилизации изображения. Параметры каждой детали прописываются до мелочей.

Оцениваются допуски. Одна деталь требует точности до нескольких микрон, другая допускает разницу в 0,1 мм. Учитывается даже тепловое расширение деталей. И снова приходится идти на компромиссы. Процесс бесконечен.

Не стоит забывать, что разработка механики увязывается с оптической схемой. Предположим, что невозможно добиться требуемой точности размещения оптического элемента. Что делает инженер-оптик? Изменяет оптическую схему.

Сборочный процесс

Проектировщикам необходима обратная связь от сборщиков. Удастся ли организовать сборку с достаточной точностью? Подойдет ли существующее оборудование? Вряд ли его станут менять ради одной модели объектива.

Неудивительно, что разбирая объективы разных производителей, сталкиваешься с тем, что они похожи внутри. Разработчику легче использовать существующие компоненты и схемы; логичнее подогнать существующий блок, чем разрабатывать новый. Да и сборочная линия работает много эффективнее по стандартным процедурам.

Производство и сборка также потребуют контроля. Распространенной процедурой, по крайней мере для оптических элементов топовых объективов, является проверка на интерферометре перед нанесением просветления. Чаще всего после склейки или сборки проверяют центровку групп элементов: брак возможен, а процесс проверки несложен и недорог. Некоторые объективы потребуют разработки процессов механической регулировки положения оптических элементов и последующего контроля результата.

Слабые звенья

Теоретически описанный выше циклический процесс должен обеспечить высокое качество объективов и минимальную разницу от экземпляра к экземпляру. Однако, есть некоторые довольно очевидные проблемы, которые не просто могут возникнуть, их отголоски, вероятно, присутствуют в той или иной мере в каждом объективе.

Обратная связь может быть ограничена или просто отсутствовать

К крупным производителям объективов это относится в меньшей степени, но часто происходит, когда привлекают субподрядчиков. Бывает, что за разработку оптической схемы отвечает одна фирма, за механику - другая, собирает - третья, а четвертая только ставит свою торговую марку и выпускает объектив в продажу. Даже если все делается самостоятельно, давят сроки и себестоимость разработки: инженеры еще бы с полгода доводили модель, да сроки уже вышли. В любом случае, уверен, что ситуации, когда инженер-оптик «решил» что элемент или группа элементов будут расположены точно по спецификациям, а инженер-механик или сборщики «решили», что оптик в курсе невозможности выполнения таких условий, и похожие нередки.

Недостаточна обратная связь между производством и разработкой

Вы просто не представляете, насколько часто это происходит. Я на своей шкуре ощутил, что производители далеко не всегда выполняют свои обещания. Не забудьте о том, что субподряд, как правило, отдают предложившему самую низкую цену. В большей или меньшей степени, почти каждый производитель использует некоторые аутсорсинговые детали. Очень немногие делают почти все самостоятельно; другие почти все заказывают на стороне.

На собственное производство также давят сроки и себестоимость. Не износилось ли оборудование, что ведет к снижению точности производства? Давно ли обновлял оборудование субподрядчик, испытывающий финансовые сложности? Довольно часто нарушаются оговоренные спецификации. Я сам через это проходил, мне рассказывали о схожем опыте крупных заказчиков.

Человеческий фактор

Сборщик на конвейере часто больше заботится о выполнении плана, чем о качестве. А если он с похмелья, или приболел, или просто на начальника разозлился? Независимо от качества разработки и организации сборочного процесса, некоторые объективы будут собраны плохо. В производственном процессе задействованы десятки человек. Небрежность лишь одного из них загубит все усилия.

Тестирование не отвечает требованиям

Только два производителя объективов (Sigma и Zeiss) заявляют об инструментальном контроле каждого собранного экземпляра объектива некоторых моделей на испытательном стенде. У Sigma используют специально разработанный комплекс, на Цейсе – испытательные стенды MTF. Остается неясным, тестируют ли они каждый собранный объектив или ограничиваются только некоторыми моделями.

Можно предположить, что остальные производители в определенной степени тестируют собранные объективы, просто потому что автофокус и стабилизатор изображения требуют калибровки и прописывания результатов в микросхему объектива.

Настораживает, однако, то, что особо не распространяются о методиках тестирования и стандартах, на соответствие которым поверяются объективы. Многие производители тестируют незамысловато: проецируемая на экран или распечатанная на лазерном принтере мишень с наклонными линиями снимается на фотоаппарат, подключенный к компьютеру. Для многих моделей объективов этим оптические тесты и ограничиваются.

Тому есть причины (подчеркну, я не говорю, что это уважительные причины). Тесты проводят не инженеры-оптики, а низкооплачиваемые сотрудники. Логично ограничить процесс съемкой простой мишени и вердиктом компьютера: «тест пройден или не пройден».

Такой метод позволяет запрограммировать автофокус, но он совершенно не подходит для оценки соответствия оптических характеристик объектива. Может быть, в старые пленочные времена такого теста хватало, но он даже не близко не соответствует требованиям, предъявляемым к оценке объектива, используемого на цифровом фотоаппарате с матрицей высокого разрешения.

Знаю, что очень многие не поверят в это, но, к сожалению, все именно так. Представители многих производителей неоднократно заверяли меня, что их тесты не показывают никакой разницы от экземпляра к экземпляру. Выяснилось, что их заводские испытания не дотягивают даже до того, что многие из вас делают в домашних условиях. Я одному так и сказал: «Знаете, почему тестовая таблица называется AF1951? Она была разработана в 1951 году».

Поймите меня правильно. Нет необходимости строить для каждого собранного объектива 4-секторный график MTF по 21 точке. Не стоит оценивать то, что не будет различимо в реальном мире. Но компьютерного вердикта «годен/не годен» на основе снимка грубой мишени, распечатанной на струйном принтере, также совершенно недостаточно. Я руками и ногами за автоматизацию тестирования – получается точнее и дешевле. Но тестирование должно быть адекватным.

Без компромиссов никак

Я говорил о важности обратной связи, но у причастных нередко совершенно разные задачи. Оптики и механики могут незначительно пожертвовать резкостью ради снижения разброса от экземпляра к экземпляру. Маркетологи могут заходиться в истерике, потому что им для рекламы нужны наилучшие графики MTF. Финансисты могут жестко ограничить бюджет и конечную себестоимость объектива. Каждая модель объектива, пошедшая в производство, будет результатом компромисса. Даже если это объектив за 5000 долларов. Даже если его цена 20000 долларов. Как бы не хотелось обратного, но без компромиссов никак.

Иногда крайне незначительное снижение стандартов качества делает объектив отвечающим требованиям всех заинтересованных сторон, пусть только на бумаге. Простой пример. Что делать, если партия объективов слегка не дотягивают до заданных стандартов? Нет, откровенный брак и несоответствие спишут сразу. А вот с этими, которые от спецификаций отличаются совсем чуть-чуть? Ведь если продать эту 1000 «слегка не в себе» объективов, то пусть 50 штук и вернут, но 950 останутся у покупателей! Для причастных это может быть «наилучшим» выходом: себестоимость осталась в заданных рамках, графики MTF в брошюрах выглядят великолепно, разработчики получили премии.

Понятно, что у потребителя такой пример вызовет негодование, но это реальность. Нет одинаковых партий объективов и ситуация совсем неоднозначна. Это не выбор «черное – белое», это оттенки серого. Кто-то в компании должен решить, какой оттенок серого еще приемлем, а какой – уже нет. А если речь идет теоретической возможности: проектировщики и сборщики обсчитали возможный будущий разброс и результат оказался хуже ожидаемого? Не всегда производитель будет тестировать всю партию для поиска экземпляров с превышением допусков.

Производители прекрасно понимают, что дотошных потребителей не так много, а большинство не заметят, что их объектив не такой резкий, как у знакомого, и не обратят внимание на то, что один край изображения резче другого. Есть, конечно, интернет, но и в нем такой шум и гам! Там хают самые выдающиеся объективы и признаются в любви к откровенно неудачным. Обсуждение, претензии и жалобы просто затеряются: как обычно 600 владельцев заявят об исключительности объектива, а 400 припечатают его «отстоем», что принципиально незначительно отличается от 600 фотографов, заявляющий об отстойности и 400 обвиняющих эти шесть сотен в том, что они просто не умеют фотографировать.

После запуска в производство 

Производители улучшают качество уже выпускаемых моделей. Если объектив постоянно попадает в сервис с одинаковой поломкой, то производитель выясняет причину и при производстве следующих партий заменяет проблемную деталь улучшенной или вносит изменения в сборочный процесс. Чаще такие изменения затрагивают электронику и механику, вносить изменения в оптику намного сложнее.

Вот два экземпляра одного и того же объектива, выпущенные в разное время. В более поздних версиях (слева) производитель разместил электронные компоненты, которые видны справа, на других платах. Увидеть это можно только разобрав объектив. В данном случае, проблем с работой нет, объективы не отличаются, а изменения, вероятно, были сделаны для снижения себестоимости.

(Для тех, кто не в курсе: объективы выпускают партиями. Сборочный конвейер настраивается под конкретную модель объектива, выпускают заданное количество экземпляров, затем конвейер перестраивается под другую модель. Расписание варьируется от модели к модели: я слышал, что Canon EF 35/1.4 L USM выпускается каждые полгода, есть модели с периодичностью выпуска раз в два года.

Погрузившись в мир объективов, я был поражен, насколько часто постпроизводственная обратная связь просто отсутствует. Я шокировал инженеров оптиков и механиков рассказами о проблемах в разработанных ими объективами. Довелось пообщаться с инженером-механиком, который использовал ненадежную деталь при разработке нескольких моделей объективов и за долгие годы никто так и не сообщил ему о том, что она часто выходит из строя.

Обычно эффективная обратная связь присуща крупным производителям, самостоятельно выполняющим сервис и ремонт своих объективов. Например, Canon, Nikon, Zeiss и Sigma собирают информацию и вносят необходимые изменения. Небольшие компании, в частности отдающие ремонт сторонним фирмам, вряд ли способны организовать эффективный сбор информации.

Многое зависит от политики фирмы. Все мы знаем случаи, когда новинки с явными недостатками быстро отзывались и приводились в порядок, знакомы и с противоположной политикой, когда производитель, сталкиваясь с очевидной проблемой, как заведенный повторял «все в порядке».

Производители обычно стараются не привлекать внимание: обнаружив проблему в объективе, они вносят изменения в конструкцию будущих партий и молча меняют ненадежный узел во всех экземплярах, которые попадают в сервисный центр. Помнится, был несколько лет назад объектив, поначалу известный склонностью к поломкам оптического стабилизатора. Через пару лет после начала его выпуска, мы обратили внимание, что на всех экземплярах, попавших в сервисных центр даже по иным причинам, обязательно менялся блок стабилизатора. В новых партиях отказов тоже почти не было и сейчас эта модель входит в список самых надежных прокатных объективов.

Исправить вариации от экземпляра к экземпляру не так просто. Внесение изменений в оптическую схему потребует полного редизайна объектива. Вероятность внесения изменений в механическую конструкцию также невелика, но существует. Думаю, что можно снизить допуски при производстве некоторых оптических элементов или повысить точность склейки групп элементов.

Все тщетно и просвета нет?

Нет, конечно. Ситуация в целом внушает позитив, и я вижу, что борьба с вариациями и работа над повышением контроля качества продолжается.

Я точно знаю, что по крайней мере один из производителей не так давно осознал несоответствие своих стандартов тестирования требованиям времени и на предприятии уже вкладывают деньги в улучшение. Тестирование и контроль – статья чисто расходная, прибыли не только не приносит, но и требует вложений, о ней стараются не думать. Но, почувствовав, что существующих методик недостаточно, производитель начал принимать соответствующие меры.

Многие производители пытаются бороться с вариациями, усиливая контроль на производстве и организуя оптические тесты каждого элемента во время сборки объектива. Новые типы стекла, улучшенные методы шлифовки, автоматизация и роботизация сборочного процесса не только оптимизируют затраты, но и снижают разницу между экземплярами.

Пару производителей уже начали работу над снижением разброса качества. Один из них уже использует эту тему в маркетинге своей продукции. Надеюсь, что все больше производителей придут к выводу о необходимости публикации данных о разнице между экземплярами объективов или, по крайней мере, озвучат точные значения разрешения, которые они гарантируют для всех экземпляров своих объективов. Придет время и производители поймут преимущество ситуации, когда людям не стоит волноваться о разбросе качества от экземпляру к экземпляру объектива. Однажды оптическое качество каждого экземпляра и отсутствие разницы между ними станут не менее важными маркетинговыми инструментами, чем сегодняшние невнятные графики MTF, имеющие столь мало общего с работой именно вашего экземпляра объектива.

Думаю, что уже в ближайшем будущем новые модели объективов будут отличаться много меньшей вариативностью. Чего я не жду, так это того, что вдруг изменится поведение существующих моделей, известных большим разбросом от экземпляра к экземпляру. Вероятность, конечно, остается, но это очень трудно и потребует слишком серьезных изменений.

Roger Cicala, Brandon Dube и Aaron Closz

Lensrentals.com

February, 2016

сентябрь 2016 года