Чому лінзи завжди круглої форми?

Чому лінзи круглої форми, хоча датчик зображення немає? Чому вони не можуть бути квадратними чи щось відповідати формі датчика зображення?

Датчики прямокутні за традицією, засновані на історично традиційній формі носія зображення.

Але є технологічне / ділове рішення, яке призводить їх до прямокутності. Датчики мають прямокутну форму, оскільки вони виготовлені з використанням напівпровідникової техніки виготовлення. Ці методи вимагають «друку» декількох сенсорних схем на кремнієву пластину. Сьогодні ці вафлі можуть бути діаметром 300 мм, а виробники рухаються до діаметра 450 мм ( див. Тут ). На великих розмірах вафель можна друкувати багато датчиків.

Датчики викладені плиткою на пластину, щоб ефективно використовувати доступний простір і таким чином, що їх легко розрізати на «штампи» (або окремі датчики, в даному випадку). Процес називається дикінг. Найбільш економічно вигідною формою для плашок є прямокутна. Зазвичай для різання вафель прямими лініями використовується пилка або писець. Уявіть, якби плашки (датчики в даному випадку) повинні були бути круглими (марнотратне і дороге використання матеріалу) або шестикутними (ефективне використання матеріалу, але надрізи не є прямими по всій пластині). ( Докладнішу інформацію див. Тут. )

Б) Лінзи, виготовлені з високоякісного скла, зазвичай шліфуються за допомогою токарних верстатів. (Це можна побачити на цьому відео . Подивіться, зокрема, на позначку 7:00 хвилини. Вибачте, це на японській мові, але це відео дуже захоплююче і показове.) Простіше крутити, шліфувати та шліфувати круглий об'єктив у ці машини, тому що на інструментах немає ребер, які можна зачепити, коли об'єктив крутиться навколо. Це також відповідає оптичній симетрії, яку вони намагаються досягти в готовій лінзі.

Лінзи, які не є круглими, як правило, вирізатимуть із круглих лінз - це крок, який збільшує вартість виготовлення об'єктива. Лінзи не повинні бути круглими. Боже ради, більшість окулярів не круглі! Коли ваші окуляри зроблені, ви повинні знати, що виробник лінз не зберігає лінзи для кожної форми рамки окулярів. Він ріже або шліфує круглі лінзи, щоб відповідати рамі.

Як тільки виробник лінз має свої круглі лінзи, що мотивує його вирізати його в іншій формі? Як зазначають багато людей на різних форумах, форма об'єктива не визначає форму або якість зображення (крім дифракції, спричиненої ребрами, які можуть бути пом’якшені, і, можливо, деякими ефектами відхилення другого порядку), і здебільшого, кожна точка лінзи може збирати світло з кожної точки об’єкта і фокусувати кожну точку на площині зображення. Я вже вказував, що зміна форми лінзи збільшує вартість. Насправді немає жодної практичної причини (як правило) для зміни форми.

Є багато причин, чому лінзи випускаються круглими:

1. З боку виробника легше і дешевше виготовити сферичні лінзи і простіше калібрувати, коли ви комбінували різні об'єктиви для досягнення унікальної особливості, наприклад, макро, телефото тощо.

2. Для загальних користувачів більшість із нас, безумовно, погодиться сказати, що крутіше лінзи зручніше обертати, ніж прямокутне. Всередині об'єктивів камери, особливо зум-об'єктивів, деякі елементи повинні регулюватися, переважно, обертаючись (дешевші лінзи) під час фокусування чи збільшення їх. Обертання некруглої лінзи буде складним, якщо ви також намагаєтесь одночасно контролювати орієнтацію аберацій та дифракційних шипів.

3. Намагатися викривити щось плоске важче, ніж зробити криву чогось круглим.

4. Для ширококутних лінз вона має сферичну форму для кращої та широкої перспективи.

5. Щоб сфокусувати світло на різній відстані, потрібна кругла лінза, оскільки всі точки світла потрібно зосередити на одній загальній площі.

6. Для отримання зображень із досягненням максимальної роздільної здатності (різкості) поверхня об'єктива повинна бути точною до дуже високої точності, щоб об'єктив мав повну роздільну здатність - невеликі частки довжини хвилі світла. Процеси шліфування та полірування гарантують лише отримання лінз потрібної точності для кругових лінз; надзвичайно важко, хоча і не неможливо досягти цієї точності для інших форм.

7. Найбільш бажаними властивостями об'єктива є його здатність утворювати гострі зображення без артефактів, а також сила збору світла, особливо при слабкому освітленні. Обидві ці властивості максимально використані круговими лінзами; тільки хтось абсолютно необізнаний з теорією оптики намагався б створити будь-яку іншу форму.

Ще одна причина: можливість збору світла значною мірою регулюється областю, тоді як частина оптичної якості знижується (або дорожче коригувати на той же рівень) з максимальним розміром. Коло мінімізує максимальний розмір для певної області.

Незважаючи на це, головна причина виробничих проблем. На щастя, кругла лінза - це те, що ви хочете з інших причин все одно.

Кумедним моментом є те, що форма діафрагми (таким чином, лінза) впливає на видиму форму джерела світла поза фокусом (часто його називають "боке"). Ви можете побачити, що дивляться на власні зображення боке ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Ну, лінзи не завжди є «круглими» за формою. Однак це не має нічого спільного з фотографією. Ось кілька прикладів:

1. Циліндричні лінзи дуже корисні для деяких застосувань 1-D камер та корекції астигматизму променя, а також для формування променів.

2. Лінзи Френеля , можуть бути різних форм і використовуються для фокусування світла з поворотом. див. наприклад: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

Є ще кілька езотеричних типів лінз ( лінзові масиви , кіноформні лінзи тощо). Але що важливо пам’ятати, це те, що лінза використовується для вигину світла, і існує багато способів зробити це за допомогою «дифракційної» оптики або традиційне скло, як матеріал. Причиною розробки зазвичай є функціональність та вартість виробництва.

Скажімо, ви використовуєте прямокутну лінзу, а не циліндричну. По- перше, форма лінзи не матиме значення взагаліякщо у вас немає діафрагми повністю відкритою; При будь-якому повільному налаштуванні визначальною фактором буде приблизно кругла форма діафрами. Якщо припустити, що у вас діафрагма повністю відкрита, головний ефект буде наступним. У вас буде певна глибина різкості. Якщо об’єктна точка А знаходиться на правильній відстані для отримання точкоподібного зображення, то ця точка все одно є точкою незалежно від прямокутної форми лінзи. Однак, якщо точка об’єкта В знаходиться на деякій іншій відстані, ми отримуємо розмиття як зображення цієї точки. Розмиття виникає через те, що є пучок променів світла, а пучок має деякий кінцевий розмір, де він перетинає плівку чи чіп. Оскільки лінза прямокутна, цей пучок є пірамідальним, а розмивання буде прямокутним розмиттям, а не звичайним круговим. Наприклад, скажіть, що ви фотографуєте когось " s обличчя з зоряним небом на задньому плані. Ви орієнтуєтесь на обличчя. Зірки будуть виглядати як маленькі нечіткі прямокутники.

При дуже великих збільшеннях (можливо, при дуже довгій лінзі, що фактично є невеликим телескопом), можливо, ви також побачите дифрактограми. На прикладі обличчя із зоряним фоном, припустимо, що ми змінюємо фокус на нескінченність, виводячи обличчя поза фокусом. Зараз хвильова оптика передбачає, що (за відсутності аберацій) дифракційна картина для зірки буде центральною (порядком 0) бахромою, оточеною кільцем (бахромою першого порядку), якщо ви використовуєте кругову діафрагму, а прямокутну діафрагму дав би інший візерунок (більше схожий на прямокутну сітку бахроми). На практиці я не думаю, що камера ніколи не буде дифракційно обмежена, а діафрагма повністю відкрита. Дифракція зменшується, коли діафрагма стає ширшою, тоді як променево-оптичні відхилення збільшуються,

Лінзи завжди випускалися як закруглені, оскільки вони найкраще відповідають виробничому процесу. Якщо їх зробити квадратними, це передбачає принаймні дуже точне різання згодом, щоб це зробило їх значно дорожчими. (Однак квадратні лінзи випускаються для спеціальних цілей)

Ви можете запитати, чому датчик є квадратним, а не круглим?

Відповідь на це полягає в тому, що наші екрани, фільми і, зрештою, наш фотопапір мають форму квадрата. Нам не потрібен круглий датчик, якщо нам потрібні квадратні фотографії!

Звичайно, справа в цьому

1. щоб застосувати ту саму «операцію» для світла, що надходить у будь-яку орієнтацію, вам потрібна кругова симетрична форма, щоб ви не перекручували просторові співвідношення між різними точками на вхідному зображенні

2. лінзи, як правило, мають на меті сконцентрувати легку посадку на їх поверхні до однієї точки. Ця точка «трохи відстає» від CMOS-датчика в камері, але це той самий принцип, і фізика наказує, що форма перерізу лінзи цього досягає. Коли ви повторюєте це в усіх орієнтаціях, ви обертаєтесь навколо і набуваєте плоскокупольну форму, як лінза

3. Це схожа причина, чому супутникові антени мають куполоподібні форми, а не коробчасті форми

але це точно не тому, що це простіше у виробництві. Краплі дощу та скляні кульки мають лінзовий ефект. Windows ні. Кубики і коробки з заломлюючого матеріалу просто не мають такого ефекту.

Лінзи не повинні бути круглими. Подивіться на різноманітність фігур, в яких фігурують рамки окулярів.

Однак усі ці лінзи - це секція, вирізана з лінзи, яка має сферичні поверхні (на хвилину ігноруючи лінзи, які коректують астигматизм).

І в основному є відповідь. Будь-яка асиметрія надасть вашій камері астигматизм: неможливість привести точку у фокус вертикально та горизонтально одночасно.

Лінза повинна забезпечувати послідовний фокус уздовж будь-якої осі обертання. Якщо два об'єму паралельних пучків світла, розташованих на один сантиметр горизонтально, потрапляють на лінзу, вони повинні фокусуватися на тій же відстані, що і два паралельних промені, розташовані один на один від одного вертикально.

Крім створення дійсно дивного Бокке, прямокутний об'єктив також погіршить віньєтування об'єктива та створить асиметричне роздільну здатність над областю зображення серед інших негативних ефектів оптичної аберації. Світло, яке потрапляє на будь-яку конкретну точку датчика, надходило від широкого шару скла - світло, що потрапляє в кут датчика, не рухався виключно через відповідну кутову зону елементів лінзи на шляху до датчика ( якщо ви послідовно не вибираєте таку маленьку діафрагму, що сама дифракція істотно погіршує якість зображення). Виробники об'єктивів намагаються забезпечити, щоб усе було симетричним за якістю якості зображення, навіть діафрагма. Лінзи низької якості можуть мати кілька лопатей діафрагми з плоскими краями, що робить ірис дуже кутового п’ятикутника або шестикутника ... це може мати помірно негативний вплив на діаграму MTF об'єктива (міру здатності лінз), навіть у центрі зображення. Перейдіть до лінз кращої якості, і ви знайдете набагато симетричніше круглий діафрагменний отвір ... отвори на тих лінзах, які виходять на багато тисячі доларів, які Canon & Nikon виставили, мають дуже круглі діафрагми - це лише діафрагма ... це зробити до склянки, і ви будете набагато принижувати зображення. По-справжньому високі кінці ($ 5-значні) лінзи в кінематографії мають круглі. Елементи об'єктива Це все для якості зображення у всій області зображення від центру до кута. Незалежно від того, сенсор має квадратну, прямокутну, круглу або навіть форму зірки чи півмісяця, лінза - принаймні, справді хороша - продовжувала б залишатися симетричною (так само круглою). так,

Це важко пояснити, не запускаючи повне пояснення квантової електродинаміки , але все світло, що потрапляє на датчик, "проходить" через всю лінзу, принаймні, в певному сенсі, навіть якщо ми говоримо лише про один фотон. Фотон не бере лише один шлях (якщо ви не помилитесь, намагаючись зрозуміти, який шлях він пройшов), він бере всі можливі шляхи . Дивно, але правда.

Це означає, що виймання скла з круглої лінзи, щоб зробити менший прямокутник, не видаляє «зайве» скло, яке не використовується, це фактично буде видалення скла, яке використовується для візуалізації (та збору світла). З іншого боку, додавання додаткового скла для того, щоб зробити об'єктив прямокутним з чисто косметичних міркувань, не лише спричинить багато зайвих витрат, але "зайве" скло тепер також сприятиме розподілу ймовірності візуалізації, тому це потрібно буде настільки ж точно зроблений і добре виправлений, як кругла лінза, яку ви розширюєте. Як я вже пояснював тут , чим більше (швидше) ви зробите лінзу, тим більше корекції потрібно, тим більше точності потрібно, і тим більше ціна зросте.

Однак, окрім цього, боке (природа зосереджених районів, особливо висвітлення) виглядав би справді, дуже погано.

Йдеться про суперечливу ідею, що всі частини фронту зображення будуть збирати промені для кожного пікселя.

Дифузні поверхні направляють промінь у будь-який бік, майже нескінченні промені всередині маленької дуги, що потрапляє в лінзу. Ці промені нескінченності повинні бути спрямовані від точкового джерела до одного пікселя. Це важко зробити, саме тому гострі лінзи важко знайти. Це вже інша історія.

Я зняв 3 зображення широко відкритими, а потім покрив невикористані деталі вирізаним прямокутником паперу і взяв ще 3, і побачив, що центральна частина була на 15% темніше, коли я покривав невикористану частину. верхнє зображення - непокрите, а внизу - накрите, і як ви бачите, що покриття не видно у кадрі, воно просто робить зображення на 15% темніше:

Це можна пояснити найпростішою моделлю геометричної оптики. На об'єкті відбувається дифузне відбиття, яке може бути зображене у вигляді декількох світлових променів різної яскравості у всіх напрямках. Більший діаметр об'єктива (замість меншої прямої форми) може призвести до отримання яскравішої картини.

Питання: "Чому лінзи круглої форми, хоча датчик зображення немає? Чому вони не можуть бути квадратними або щось відповідати формі датчика зображення?".

Відповідь: Лінзи та інші круглі предмети круглі, тому що їх легше обертати (так, мені відомо "Відео з квадратними колесами" Mythbusters). Круглий об'єктив легше подрібнити в порівнянні з квадратним об'єктивом (як анаморфний). Він має один менший вимір, про який слід турбуватися (створювати або вирівнювати), або у випадку ідеально квадратного об'єктива він має більший круг зображення.

Дешеві лінзи можна масово виготовляти за допомогою лиття під тиском з достатньою точністю, щоб бути дешевим об'єктивом, таким чином лінзи могли легко мати будь-яку форму від довгого до круглого.

Дороге скло - саме це, дороге. Деякі камери, що використовуються для зйомки світла поза видимим спектром, мають лінзи, виготовлені з екзотичних матеріалів, а не скла, і з ними важко працювати. Менша робота без втрати якості економить гроші.

Більшість датчиків (сьогодні) прямокутні (16: 9), тому що людський зір "працює" в бік (сканування горизонту), а не вгору і вниз (раніше було так, що вгору мало що бачити, а під тобою ніколи не було далеко так наші мізки розвивались таким чином) - розмір 16: 9 був обраний як стандартний, оскільки він надає перевагу «широкоформатному формату» (я знаю, що є чудові фільми ширше 16: 9 і зазвичай використовуються анаморфні лінзи).

Поряд з простотою та вартістю круглих лінз, у нас є квадратний датчик. Датчики мають плоскі краї і не круглі, тому що їх легше різати прямо (а датчики не відшліфовані як лінзи).

Датчики є квадратними, оскільки вони отримують максимум результатів із круглої вафельниці, з якої вони виготовлені. Вафлі круглі, тому що їх нарізають із злитка. Злитки трубчасті, тому що так вони ростуть.

Отже, щоб все обійшлося найменше круглими лінзами, а датчики - квадратними (як одиночні величезні датчики, які використовуються в космосі, один датчик на вафель із відбитими пікселями; як і перші дні екранів LCD).

Але НЕ важко вирізати прямокутні датчики (16: 9), якщо припустити, що ви хочете розрізати ваші прекрасні надвисокої роздільної здатності, великого пікселя, датчика на невеликі шматочки (адже люди не хочуть платити понад 100 000 доларів за сенсор якщо вони не є урядом).

Тож вони рубають більшість датчиків до форми 16: 9 з меншим числом, скороченим до 4: 3 (оскільки у цих камер є дорогі лінзи), а люди формату 16: 9 живуть з крихітним шматочком віньєтування (зрідка багато) і витрачають частину порівняно низької вартості скла, щоб отримати естетично приємні форми зображення (лише квадрат або ботанік хоче, щоб датчик, який працює поза видимим спектром, або створював квадратне зображення або матрицю точок даних).

Формат 16: 9 - це просто розширення співвідношення сторін 3: 2 35-мм фільму, з якого розвивалася сучасна фотографія, з'явилися інші формати і не набирали популярності, навіть якщо вони були "кращими" (але, можливо, в деяких витратах непосильних) найбільших форматів).

В основному: лінійність, вартість, якість. Іноді здоровий глузд також відігравав певну роль.

Дивіться також: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size