Почему линзы всегда круглой формы?

Почему линзы имеют круглую форму, а датчик изображения - нет? Почему они не могут быть квадратными или чем-то подходящего по форме сенсору изображения?

Датчики являются прямоугольными по традиции, основанными на исторически традиционной форме медиа изображения.

Но есть технологическое / бизнес-решение, которое также делает их прямоугольными. Датчики имеют прямоугольную форму, поскольку они изготовлены с использованием технологий изготовления полупроводников. Эти методы требуют «печати» нескольких цепей датчиков на кремниевой пластине. Сегодня эти пластины могут иметь диаметр 300 мм, а производители переходят к диаметру 450 мм ( см. Здесь ). На таких пластинах можно печатать множество датчиков.

Датчики выложены плиткой на пластине, чтобы эффективно использовать доступное пространство и таким образом, чтобы их было легко разрезать на «матрицы» (или отдельные датчики, в данном случае). Процесс называется нарезанием кубиками. Наиболее экономически выгодная форма для штампов - прямоугольная. Обычно пила или писец используются для разрезания пластин по прямым линиям. Представьте себе, должны ли матрицы (в данном случае датчики) быть круглыми (расточительное и дорогостоящее использование материала) или шестиугольными (эффективное использование материала, но разрезы не являются прямыми по всей пластине). ( Смотрите здесь для получения дополнительной информации. )

Б) Линзы из высококачественного стекла обычно шлифуются с помощью токарных станков. (Это можно увидеть в этом видео . Посмотрите, в частности, на 7-минутную отметку. Извините, это на японском, но видео очень увлекательное и показательное.) Легче вращать, шлифовать и полировать круглую линзу в эти машины, потому что нет никаких краев, чтобы зацепиться за инструмент, поскольку объектив вращается вокруг. Это также согласуется с оптической симметрией, которую они пытаются достичь в готовом объективе.

Линзы, которые не являются круглыми, как правило, были бы вырезаны из круглых линз, что увеличивает стоимость производства линз в сборе. Линзы не должны быть круглыми. Ради всего святого, большинство очков не круглые! Когда ваши очки сделаны, вы должны знать, что производитель линз не поставляет линзы для каждой формы оправы очков. Он режет или шлифует круглые линзы, чтобы соответствовать оправе.

Как только производитель объективов получит свои круглые линзы, что побудит его обрезать его в другую форму? Как отмечали многие люди на разных форумах, форма линзы не определяет форму или качество изображения (кроме дифракции, вызванной краями, которая может быть смягчена, и некоторых эффектов аберрации второго порядка, возможно), и по большей части, каждая точка на объективе может собирать свет из каждой точки на объекте и фокусировать каждую точку на плоскости изображения. Я уже отмечал, что изменение формы объектива увеличивает стоимость. На самом деле нет никакой практической причины (вообще) для изменения формы.

Есть много причин, по которым линзы изготавливаются круглыми:

1. Со стороны производителя проще и дешевле изготавливать сферические линзы, и их легче калибровать, когда вы комбинируете разные линзы для достижения уникальной функции, например, макро, телеобъектив и т. Д.

2. Для обычных пользователей большинство из нас определенно согласятся сказать, что вращать круглую линзу удобнее, чем прямоугольную. Внутри объективов фотоаппаратов, особенно зум-объективов, некоторые элементы должны регулироваться в основном путем поворота (более дешевые объективы) при фокусировке или увеличении масштаба. Вращать некруглую линзу будет сложно, если вы одновременно пытаетесь контролировать ориентацию аберраций и дифракционных пиков.

3. Попытка изогнуть что-то плоское сложнее, чем изогнуть что-то круглое.

4. Для широкоугольных объективов, он имеет сферическую форму, чтобы дать лучшую и более широкую перспективу.

5. Для фокусировки на свет с разным расстоянием требуется круглая линза, поскольку все точки света должны быть сфокусированы на одной общей области.

6. Для получения изображений, достигающих максимального разрешения (резкости), поверхность объектива должна быть с очень высокой точностью, чтобы объектив мог обеспечить полное разрешение - малые доли длины волны света. Процессы шлифования и полировки гарантированы только при производстве линз с требуемой точностью для круглых линз; это чрезвычайно трудно, хотя и не невозможно достичь этой точности для других форм.

7. Наиболее желательными свойствами объектива являются его способность формировать четкие изображения без артефактов и способность собирать свет, особенно при слабом освещении. Оба эти свойства максимизируются с помощью круглых линз; Только кто-то, кто абсолютно не знает теории оптики, попытается создать любую другую форму.

Еще одна причина: способность сбора света в значительной степени определяется областью, в то время как часть оптического качества снижается (или более дорого корректировать до того же уровня) с максимальным размером. Круг минимизирует максимальный размер для конкретной области.

Несмотря на это, производственные проблемы являются основной причиной. К счастью, круглая линза - это то, что вам нужно по другим причинам.

Забавным моментом является то, что форма апертуры (таким образом, объектива) влияет на видимую форму не в фокусе источника света (часто называемого «боке»). Вы можете видеть это, глядя на пользовательские изображения боке ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Ну, линзы не всегда "круглые" по форме. Однако это не имеет ничего общего с фотографией. Вот некоторые примеры:

1. Цилиндрические линзы очень полезны для некоторых применений 1-D камер и коррекции астигматизма луча, а также для формирования луча.

2. Линзы Френеля могут быть разных форм и используются для фокусировки света с поворотом. см. например: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

Есть еще несколько эзотерических типов линз ( линзовые матрицы , линзы киноформ и т. д.). Но важно помнить, что линза используется для изгибания света, и есть много способов сделать это с помощью «дифракционной» оптики или Традиционное стекло, как материал. Причиной дизайна обычно является функциональность и стоимость производства.

Допустим, вы используете прямоугольную линзу, а не цилиндрическую. Во- первых, форма линзы не будет иметь значения вообщеесли у вас нет полностью открытой апертуры; при любой более медленной настройке приблизительно круглая форма диафрагмы будет определяющим фактором. Предполагая, что диафрагма полностью открыта, основной эффект будет следующим. У вас будет определенная глубина резкости. Если точка объекта A находится на правильном расстоянии для создания точечного изображения, то эта точка все еще остается точкой независимо от прямоугольной формы линзы. Однако, если точка B объекта находится на каком-то другом расстоянии, мы получаем размытие как изображение этой точки. Размытие происходит из-за того, что есть пучок световых лучей, и пакет имеет некоторый конечный размер, где он пересекает пленку или чип. Поскольку линза является прямоугольной, этот пучок является пирамидальным, и размытие будет прямоугольным размытием, а не обычным круглым. Например, скажем, вы фотографируете кого-то Лицо с звездным небом на заднем плане. Вы сосредотачиваетесь на лице. Звезды появятся в виде маленьких нечетких прямоугольников.

При очень большом увеличении (возможно, с очень длинной линзой, которая фактически является небольшим телескопом), возможно, что вы также увидите дифракционные картины. В примере лица со звездным фоном предположим, что мы меняем фокус на бесконечность, делая лицо не в фокусе. Волновая оптика теперь предсказывает, что (при отсутствии аберраций) дифракционная картина для звезды будет центральной полосой (порядка 0), окруженной кольцом (полосой первого порядка), если вы используете круглую апертуру, но прямоугольную апертуру даст другой узор (больше похоже на прямоугольную сетку полос). На практике я не думаю, что камера когда-либо будет ограничена дифракцией при полностью открытой диафрагме. Дифракция уменьшается по мере расширения апертуры, в то время как оптические аберрации увеличиваются,

Линзы всегда изготавливались закругленными, потому что они наилучшим образом соответствуют производственному процессу. Для того чтобы сделать их квадратными, потребуется как минимум очень точная резка, что сделает их намного дороже. (Однако квадратные линзы производятся для некоторых специальных целей)

Вы можете спросить, почему датчик квадратный, а не круглый?

Ответ заключается в том, что наши экраны, пленка и, в конце концов, наша фотобумага имеют квадратную форму. Нам не нужен круглый датчик, если нам нужны квадратные фотографии!

Конечно, дело в том,

1. чтобы применить ту же «операцию» к свету, который входит в любую ориентацию, вам нужна круговая симметричная форма, чтобы не искажать пространственные отношения между различными точками на входящем изображении

2. линзы обычно стремятся сконцентрировать легкую посадку на их поверхности в одну точку. Эта точка «немного отстает» от датчика CMOS в камере, но его принцип тот же, и физика требует, чтобы форма сечения линзы достигала этого. Когда вы повторяете это во всех направлениях, вы вращаетесь вокруг и получаете форму плоского купола, как линзы

3. Это та же причина, почему спутниковые антенны имеют куполообразную форму, а не коробчатую форму.

но это определенно не потому, что его легче изготовить. Капли дождя и стеклянные шарики имеют линзовый эффект. Windows не делает. Кубики и коробки из преломляющего материала просто не имеют такого эффекта.

Линзы не должны быть круглыми. Посмотрите на разнообразие форм, в которых появляются оправы для очков.

Однако все эти линзы представляют собой разрез, вырезанный из стандартной линзы, которая имеет сферические поверхности (на мгновение игнорируя линзы, которые исправляют астигматизм).

И есть в основном ответ. Любой вид ассиметрии придаст вашей камере астигматизм: невозможность сфокусировать точку по вертикали и по горизонтали одновременно.

Линза должна обеспечивать постоянную фокусировку вдоль любой оси вращения. Если два параллельных луча света, расположенных на расстоянии одного см по горизонтали, попадают на объектив, они должны фокусироваться на том же расстоянии, что и два параллельных луча, которые на расстоянии одного сантиметра друг от друга по вертикали.

Помимо создания действительно странного Бокке, прямоугольная линза также ухудшила бы виньетирование линзы и создала бы асимметричное разрешение по области изображения среди других отрицательных эффектов оптической аберрации. Свет, попадающий в какую-либо конкретную точку на датчике, исходил от широкой стеклянной полосы - свет, попадающий в угол датчика, не проходил исключительно через соответствующую угловую область линзовых элементов на пути к датчику ( если вы постоянно не выбираете такую ​​маленькую апертуру, что сама дифракция существенно ухудшает качество изображения). Производители объективов делают все возможное, чтобы обеспечить симметричное качество изображения, даже с диафрагмой. У линз низкого качества может быть несколько апертурных лезвий с плоскими краями, делающими очень угловой пятиугольник или шестигранную радужку ... это может оказать ощутимое негативное влияние на график MTF объектива (мера разрешающей способности объектива) даже в центре изображения. Перейдите к объективам лучшего качества, и вы обнаружите гораздо более симметрично круглую диафрагму, открывающуюся ... апертуры у тех более дорогих объективов стоимостью в несколько тысяч долларов, которые выпускаются Canon & Nikon, имеют очень круглые диафрагмы - это просто диафрагма ... сделайте это к стеклу, и вы будете ухудшать изображение гораздо больше. По-настоящему высококачественные (5-значные) объективы в кинематографе имеют круглые. Элементы объектива. Это все для качества изображения во всей области изображения от центра до угла. Независимо от того, является ли датчик квадратным, прямоугольным, круглым или даже звездообразным или серповидным, линза - по крайней мере, действительно хорошая - будет оставаться симметричной (она же круглая). Да,

Это трудно объяснить, не вдаваясь в полное объяснение квантовой электродинамики , но весь свет, который достигает датчика, «проходит» через всю линзу, по крайней мере, в некотором смысле, даже если мы говорим только об одном фотоне. Фотон не идет только по одному пути (если вы не сделаете ошибку, пытаясь выяснить, по какому пути он пошел), он пойдет по всем возможным путям . Странно, но правда.

Это означает, что удаление стекла из круглой линзы для создания меньшего прямоугольника не приводит к удалению «лишнего» стекла, которое не используется, на самом деле это будет удаление стекла, которое используется для формирования изображений (и сбора света). Точно так же добавление дополнительного стекла для придания линзе прямоугольной формы по чисто косметическим причинам не только потребует значительных дополнительных затрат, но и то, что «дополнительное» стекло теперь также будет способствовать распределению вероятности изображения, поэтому оно должно быть таким же точным сделано и исправлено как круговая линза, которую вы расширяете. Как я объяснил здесь , чем больше (быстрее) объектив вы делаете, тем больше требуется коррекции, тем больше требуется точность и чем больше будет расти цена.

Однако, помимо этого, боке (характер не в фокусе областей, особенно бликов) будет выглядеть очень, очень плохо.

Речь идет о спорной идее, что все части фронта изображений будут собирать лучи для каждого пикселя.

Диффузные поверхности посылают лучи во всех направлениях, почти бесконечные лучи в пределах маленькой дуги, которая попадает в объектив. Эти бесконечные лучи должны быть направлены от точечного источника к одному пикселю. Это трудно сделать, поэтому трудно найти острые линзы. Это другая история.

Я снял 3 широко открытых изображения, а затем накрыл неиспользованные части прямоугольником с обрезанной бумагой, взял еще 3 и увидел, что центральная часть была на 15% темнее, когда я накрыл неиспользованную часть. верхнее изображение - непокрытое, ниже - покрытое, и, как вы видите, покрытие не видно в кадре, оно просто делает изображение на 15% темнее:

Это можно объяснить в простейшей модели геометрической оптики. На объекте происходит диффузное отражение, которое может быть изображено в виде нескольких световых лучей разной яркости во всех направлениях. Больший диаметр линзы (вместо меньшей прямоугольной формы) может привести к более яркому изображению.

В: «Почему линзы имеют круглую форму, а датчик изображения - нет? Почему они не могут быть квадратными или иметь форму, соответствующую сенсору изображения?».

A: Линзы и другие круглые объекты круглые, потому что их легче вращать (да, мне известно о «Квадратном колесе» от Mythbusters). Круглую линзу легче точить по сравнению с квадратной линзой (как в анаморфозе). У него на одно измерение меньше беспокойства (создание или выравнивание), или в случае идеально квадратного объектива он имеет больший круг изображения.

Дешевая линза может быть массово произведена литьем под давлением с достаточной точностью, чтобы стать дешевой линзой, поэтому линзы могут легко иметь любую форму от длинной до круглой.

Дорогое стекло - это просто дорого. Некоторые камеры, используемые для захвата света вне видимого спектра, имеют линзы, сделанные из экзотических материалов, а не из стекла, и с ними трудно работать. Меньше работы без потери качества экономит деньги.

Большинство датчиков (сегодня) имеют прямоугольную форму (16: 9), потому что человеческое зрение «работает» из стороны в сторону (просматривая горизонт), а не вверх и вниз (раньше было так, что вверху было мало что видно, а под вами никогда не было так далеко наш мозг развивался именно так) - размер 16: 9 был выбран в качестве стандарта, потому что он дает предпочтительный «широкоэкранный формат» (я знаю, что есть отличные фильмы, которые шире, чем 16: 9, и обычно использовались анаморфные линзы).

Наряду с соображениями простоты и стоимости круглых линз у нас есть датчик площади. Датчики имеют плоские края и не круглые, потому что их легче резать прямо (а датчики не полируются, как линзы).

Датчики квадратные, потому что они получают максимальную отдачу от круглой пластины, из которой они сделаны. Вафли круглые, потому что они нарезаны из слитка. Слитки трубчатые, потому что так они растут.

Таким образом, чтобы все стоило как можно меньше, линзы круглые, а датчики квадратные (как одиночные огромные датчики, используемые в пространстве, один датчик на пластину с отображением битых пикселей; как в первые дни ЖК-экранов).

НО это не сложно разрезать прямоугольные датчики (16: 9), если вы захотите разрезать ваш прекрасный сверхвысокого разрешения, большой пиксель, датчик на мелкие кусочки (потому что люди не хотят платить за датчик более 100 тысяч долларов) если они не правительство).

Таким образом, они сокращают большинство датчиков до 16: 9 с меньшим числом, сокращенным до 4: 3 (потому что эти камеры имеют дорогие объективы), а люди в формате 16: 9 живут с небольшим количеством виньетирования (иногда много) и тратят впустую часть сравнительно дешевого стекла для получения эстетически привлекательных фигурных изображений (только квадрат или ботаник хотят датчик, работающий за пределами видимого спектра или создающий квадратное изображение или матрицу точек данных).

Формат 16: 9 - это просто расширение соотношения сторон 3: 2 для 35-мм пленки, из которой развивалась современная фотография, другие форматы приходили и уходили или никогда не завоевывали популярность, даже если они были «лучше» (но, возможно, в некоторых случаях это было непомерно дорого). из крупнейших форматов).

В основном: происхождение, стоимость, качество. Иногда здравый смысл играл свою роль.

Смотрите также: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size