Почему линзы всегда круглой формы?

Датчики традиционно имеют прямоугольную форму, основанную на исторически традиционной форме носителей изображения.

Но есть технологическое/бизнес-решение, которое также заставляет их быть прямоугольными. Датчики имеют прямоугольную форму, потому что они изготавливаются с использованием технологий изготовления полупроводников. Эти методы требуют «печати» нескольких схем датчиков на кремниевой пластине. Сегодня эти пластины могут иметь диаметр 300 мм, а производители приближаются к диаметру 450 мм ( см. здесь ). На таких больших пластинах можно напечатать множество датчиков.

Датчики накладываются на пластину, чтобы эффективно использовать доступное пространство и таким образом, чтобы их можно было легко разрезать на «матрицы» (или, в данном случае, на отдельные датчики). Процесс называется нарезкой. Наиболее экономичная форма штампов – прямоугольная. Обычно для разрезания пластин по прямым линиям используется пила или чертилка. Представьте, если бы штампы (в данном случае датчики) должны были быть круглыми (расточительное и дорогостоящее использование материала) или шестиугольными (эффективное использование материала, но разрезы не прямые по всей пластине). ( Подробнее см. здесь. )

Б) Линзы из высококачественного стекла обычно шлифуют на токарных станках. (Это можно увидеть на этом видео . В частности, смотрите около 7:00 минуты. Извините, это на японском языке, но видео очень увлекательное и показательное.) Круглую линзу легче крутить, шлифовать и полировать в эти машины, потому что у инструмента нет краев, за которые можно зацепиться при вращении объектива. Это также согласуется с оптической симметрией, которую они пытаются достичь в готовом объективе.

Некруглые линзы обычно вырезаются из круглых линз, что увеличивает стоимость производства объектива в сборе. Линзы не обязательно должны быть круглыми. Ради всего святого, большинство очков не круглые! Когда ваши очки изготовлены, вы должны знать, что производитель линз не предлагает линзы для каждой формы оправы очков. Он вырезает или шлифует круглые линзы, чтобы подогнать их под оправу.

Как только у производителя линз появятся круглые линзы, что побудит его обрезать их, придав им другую форму? Как отмечалось многими людьми на различных форумах, форма линзы не определяет форму или качество изображения (за исключением дифракции, вызванной краями, которую можно уменьшить, и некоторых эффектов аберрации второго порядка, возможно), и по большей части, каждая точка линзы может собирать свет из любой точки объекта и фокусировать каждую точку на плоскости изображения. Я уже указывал, что изменение формы линз увеличивает стоимость. На самом деле нет никакой практической причины (как правило) для изменения формы.

Причин, по которым линза изготавливается круглой, очень много:

1. Со стороны производителя проще и дешевле изготовить сферическую линзу и легче откалибровать, когда вы комбинируете разные линзы для достижения уникальной функции, например, макросъемки, телефото и т. д.

2. Что касается обычных пользователей, то большинство из нас, безусловно, согласятся сказать, что круглую линзу удобнее вращать, чем прямоугольную. Внутри объективов камеры, особенно зум-объективов, некоторые элементы должны регулироваться в основном за счет вращения (более дешевые объективы) при фокусировке или масштабировании. Вращение некруглой линзы будет сложным, если вы одновременно пытаетесь контролировать ориентацию аберраций и дифракционных всплесков.

3. Пытаться изогнуть что-то плоское сложнее, чем сделать изгиб чего-то круглого.

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

5. Чтобы сфокусироваться на свете с разного расстояния, требуется круглая линза, поскольку все точки света должны быть сфокусированы на одной и той же общей области.

6. Для получения изображений с максимальным разрешением (резкостью) поверхность линзы должна быть очень точной, чтобы линза обеспечивала полное разрешение — малые доли длины волны света. Процессы шлифовки и полировки гарантируют получение линз с желаемой точностью только для круглых линз; добиться такой точности для других форм чрезвычайно сложно, хотя и возможно.

7. Наиболее желательными свойствами объектива являются его способность формировать четкие изображения без артефактов и светосила, особенно при тусклом освещении. Оба этих свойства максимизируются круглыми линзами; только тот, кто абсолютно не знаком с теорией оптики, может попытаться создать любую другую форму.

Еще одна причина: светосила в значительной степени зависит от площади, тогда как часть оптического качества снижается (или дороже корректируется до того же уровня) с максимальным размером. Круг минимизирует максимальный размер для конкретной области.

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

Забавный момент заключается в том, что форма апертуры (а значит, и линзы) влияет на видимую форму источника света, находящегося не в фокусе (часто называемого «боке»). Вы можете видеть это, глядя на пользовательские изображения боке ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Ну и линзы не всегда бывают "круглой" формы. Однако это не имеет ничего общего с фотографией. Вот некоторые примеры:

1. Цилиндрические линзы очень полезны для некоторых применений одномерных 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 ( матрицы линз , киноформные линзы и т. д.). Но важно помнить, что линза используется для искривления света, и есть много способов сделать это с помощью «дифракционной» оптики или традиционный стеклоподобный материал. Причиной дизайна обычно является функциональность и стоимость производства.

Допустим, вы используете прямоугольную линзу, а не цилиндрическую. Во-первых, форма линзы не имеет значения .если у вас полностью не открыта диафрагма; при любой более медленной настройке определяющим фактором будет приблизительно круглая форма диафрагмы. Если предположить, что диафрагма полностью открыта, то 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 равно будет точкой, независимо от прямоугольной формы линзы. Однако, если точка объекта B находится на другом расстоянии, мы получаем размытие изображения этой точки. Размытие возникает из-за того, что имеется пучок световых лучей, и пучок имеет некоторый конечный размер в месте пересечения с пленкой или чипом. Так как линза прямоугольная, то этот пучок пирамидальный, и размытие будет прямоугольным, а не обычным круговым. Например, скажем, вы кого-то фотографируете. лицо на фоне звездного неба. Вы фокусируетесь на лице. Звезды будут выглядеть как маленькие нечеткие прямоугольники.

При очень большом увеличении (возможно, с очень длинной линзой, которая фактически представляет собой небольшой телескоп) возможно, что вы также увидите дифракционные картины. В примере с лицом на фоне звезд предположим, что мы перемещаем фокус на бесконечность, выводя лицо из фокуса. Волновая оптика теперь предсказывает, что (при отсутствии аберраций) дифракционная картина звезды будет представлять собой центральную (0-го порядка) полосу, окруженную кольцом (полосой первого порядка), если вы используете круглую апертуру, но прямоугольную апертуру. дал бы другой рисунок (больше похожий на прямоугольную сетку бахромы). На практике я не думаю, что камера когда-либо будет ограничена дифракцией при полностью открытой диафрагме. Дифракция уменьшается по мере расширения апертуры, а лучеоптические аберрации увеличиваются,

Линзы всегда выпускались с закругленными углами, потому что это лучше всего подходит для производственного процесса. Чтобы сделать их квадратными, потребуется, по крайней мере, очень точная резка впоследствии, что сделает их намного дороже. (Однако квадратные линзы производятся для некоторых специальных целей)

Вы спросите, почему датчик квадратный, а не круглый?

Ответ на этот вопрос заключается в том, что наши экраны, пленка и, наконец, наша фотобумага имеют квадратную форму. Нам не нужен круглый сенсор, если нам нужны квадратные фото!

Наверняка дело в

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

2. линзы обычно стремятся сконцентрировать свет, попадающий на их поверхность, в одну точку. Эта точка находится «немного позади» датчика CMOS в камере, но принцип тот же, и физика диктует, что форма поперечного сечения линзы достигает этого. Когда вы повторяете это во всех направлениях, вы вращаетесь и получаете форму плоского купола, как линза.

3. Это та же причина, по которой спутниковые тарелки куполообразные, а не коробчатые.

но это определенно не потому, что его проще изготовить. Капли дождя и стеклянные шарики обладают эффектом линзы. Виндовс нет. Кубы и ящики из преломляющего материала просто не имеют такого эффекта.

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

Однако все эти линзы представляют собой секцию, вырезанную из стандартной линзы со сферическими поверхностями (на мгновение игнорируя линзы, которые корректируют астигматизм).

И в принципе есть ответ. Любая асимметрия придаст вашей камере астигматизм: невозможность сфокусировать точку по вертикали и по горизонтали одновременно.

Линза должна обеспечивать постоянный фокус вдоль любой оси вращения. Если два параллельных луча света, отстоящих друг от друга на один сантиметр по горизонтали, попадают на линзу, они должны сфокусироваться на том же расстоянии, что и два параллельных луча, отстоящих друг от друга на один сантиметр по вертикали.

Это трудно объяснить, не прибегая к полному объяснению квантовой электродинамики , но весь свет, достигающий датчика, «проходит» через всю линзу, по крайней мере, в некотором смысле, даже если мы говорим только об одном фотоне. Фотон движется не по одному пути (если только вы не совершите ошибку, пытаясь вычислить, по какому пути он пошел), он идет всеми возможными путями . Странно, но правда.

Это означает, что удаление стекла из круглой линзы для создания прямоугольника меньшего размера не означает удаление «лишнего» стекла, которое не используется, на самом деле это удаление стекла, которое используется для формирования изображения (и сбора света). Точно так же добавление дополнительного стекла для придания объективу прямоугольной формы по чисто косметическим причинам не только повлечет за собой большие дополнительные расходы, но и то, что «дополнительное» стекло теперь также внесет свой вклад в распределение вероятностей изображения, поэтому оно должно быть точно таким же. сделано и так же хорошо исправлено, как круглая линза, которую вы расширяете. Как я объяснил здесь , чем больше (быстрее) вы делаете объектив, тем больше требуется коррекции, тем больше требуется точности и тем выше будет цена.

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

Помимо создания действительно странного бокке, прямоугольная линза также ухудшит виньетирование объектива и создаст асимметричное разрешение по области изображения среди других негативных эффектов оптической аберрации. Свет, падающий на какую-либо конкретную точку на матрице, исходил от широкой полосы стекла — свет, падающий на угол матрицы, не проходил исключительно через соответствующую угловую область элементов линзы на пути к матрице ( если вы постоянно не выбираете такую ​​маленькую апертуру, что сама дифракция существенно ухудшает качество изображения). Производители объективов делают все возможное, чтобы все было симметрично для обеспечения качества изображения, включая диафрагму. Объективы низкого качества могут иметь несколько лепестков диафрагмы с плоскими краями, образующими очень угловатую пятиугольную или шестиугольную диафрагму... это может оказать заметное негативное влияние на диаграмму MTF объектива (показатель разрешающей способности объектива) даже в центре изображения. Перейдите на объективы более высокого качества, и вы обнаружите гораздо более симметричное круглое отверстие диафрагмы ... диафрагмы на объективах более высокого класса стоимостью в несколько тысяч долларов, которые выпускают Canon и Nikon, имеют очень круглые диафрагмы - это просто диафрагма ... сделайте это. к стеклу, и вы еще больше ухудшите изображение. По-настоящему высококачественные (5-разрядные) объективы в кинематографии имеют круглую форму. Элементы объектива. Это все для качества изображения по всей области изображения от центра до угла. Независимо от того, имеет ли сенсор квадратную, прямоугольную, круглую или даже форму звезды или полумесяца, линза — по крайней мере, действительно хорошая — будет оставаться симметричной (или круглой). Да,

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

Рассеянные поверхности посылают лучи во всех направлениях, практически бесконечные лучи в пределах небольшой дуги, попадающей в линзу. Эти бесконечные лучи должны быть направлены от точечного источника к одному пикселю. Это сложно сделать, поэтому трудно найти острые объективы. Это другая история.

Я сделал 3 широко открытых изображения, а затем закрыл неиспользуемые части вырезанным из бумаги прямоугольником и сделал еще 3, и увидел, что центральная часть стала на 15% темнее, когда я закрыл неиспользованную часть. верхнее изображение — открытое, а нижнее — 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 возникает диффузное отражение , которое можно изобразить в виде нескольких световых лучей разной яркости во всех направлениях. Больший диаметр объектива (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 чем-то, совпадающим по форме с датчиком изображения?».

A: Линзы и другие круглые предметы круглые, потому что их легче вращать (да, я знаю о «Квадратном колесе» от Mythbusters). Круглый объектив легче отшлифовать точно по сравнению с квадратным объективом (например, анаморфотным). У него на одно измерение меньше (создание или выравнивание), или, в случае идеально квадратной линзы, у него больше круг изображения.

Дешевая линза может быть изготовлена ​​методом литья под давлением с достаточной точностью, чтобы быть дешевой линзой, поэтому линзы могут легко иметь любую форму от длинной до круглой.

Дорогое Стекло просто так, дорого. Некоторые камеры, используемые для захвата света за пределами 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 сенсоров (сегодня) имеют прямоугольную форму (16:9), потому что человеческое зрение «работает» из стороны в сторону (сканируя горизонт), а не вверх и вниз (раньше считалось, что вверху почти нечего видеть, а под вами никогда не было далеко, поэтому наши мозги так развились) - 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 анаморфотные линзы).

Наряду с простотой и экономичностью круглых линз у нас есть квадратный датчик. Датчики имеют плоские края, а не круглые, потому что их легче обрезать прямо (и 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 космосе, один датчик на пластину с отображением битых пикселей; как в первые дни ЖК-экранов).

НО разрезать прямоугольные датчики (16:9) несложно, если предположить, что вы захотите разрезать свой прекрасный датчик со сверхвысоким разрешением и большим пикселем на маленькие кусочки (потому что люди не хотят платить более 100 000 долларов за датчик). если они не являются правительством).

Таким образом, они обрезают большинство сенсоров до формы 16:9, а меньшее количество обрезают до формата 4:3 (потому что у этих камер дорогие объективы), а люди с форматом 16:9 живут с небольшим виньетированием (иногда большим) и тратят впустую часть сравнительно недорогого стекла для получения изображений эстетически приятной формы (только квадратным или ботаникам нужен датчик, который работает за пределами видимого спектра или создает квадратное изображение или матрицу точек данных).

Формат 16:9 — это просто расширение соотношения сторон 35-мм пленки 3:2, на основе которой развивалась современная фотография. крупнейших форматов).

В основном: родословная, стоимость, качество. Иногда играл роль и здравый смысл.

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