Dlaczego soczewki mają zawsze okrągły kształt?

Dlaczego soczewki są okrągłe, chociaż nie ma matrycy? Dlaczego nie mogą być kwadratowe lub pasować do kształtu matrycy?

Czujniki są tradycyjnie prostokątne, oparte na historycznie tradycyjnym kształcie nośników obrazu.

Ale istnieje decyzja technologiczna / biznesowa, która powoduje, że są one prostokątne. Czujniki są prostokątne, ponieważ są wykonane przy użyciu technik wytwarzania półprzewodników. Techniki te wymagają „drukowania” obwodów wielu czujników na krzemowej płytce. Obecnie płytki te mogą mieć średnicę 300 mm, a producenci zbliżają się do średnicy 450 mm ( patrz tutaj ). Wiele czujników można wydrukować na tak dużych płytkach.

Czujniki są kafelkowane na płytce, aby efektywnie wykorzystać dostępną przestrzeń oraz w taki sposób, że można je łatwo rozdzielić na „matryce” (w tym przypadku poszczególne czujniki). Proces ten nazywa się krojeniem w kostkę. Najbardziej opłacalnym kształtem matryc jest prostokąt. Zwykle do cięcia płytek w linii prostej używa się piły lub rysika. Wyobraź sobie, że matryce (czujniki w tym przypadku) miały być okrągłe (marnotrawstwo i kosztowne użycie materiału) lub sześciokątne (efektywne wykorzystanie materiału, ale nacięcia nie są proste na całej płytce). ( Zobacz tutaj, aby uzyskać więcej informacji. )

B) Soczewki wykonane z wysokiej jakości szkła są zazwyczaj szlifowane za pomocą tokarek. (Można to zobaczyć w tym filmie . Obejrzyj około 7:00 minuty. Przepraszam, to po japońsku, ale wideo jest bardzo fascynujące i odkrywcze.) Łatwiej jest obracać, szlifować i polerować okrągły obiektyw w te maszyny, ponieważ nie ma żadnych krawędzi, które mogłyby uchwycić oprzyrządowanie, gdy soczewka obraca się wokół. Jest to również zgodne z optyczną symetrią, którą próbują osiągnąć w gotowym obiektywie.

Soczewki, które nie są okrągłe, byłyby na ogół wycinane z okrągłych soczewek, co zwiększa koszty produkcji zespołu soczewek. Soczewki nie muszą być okrągłe. Na miłość boską, większość okularów nie jest okrągła! Kiedy robisz okulary, musisz mieć świadomość, że producent soczewek nie magazynuje soczewek dla każdego kształtu oprawki. Tnie lub szlifuje okrągłe soczewki, aby dopasować je do ramy.

Gdy producent soczewek ma swoje okrągłe soczewki, co zmotywuje go do przycięcia go do innego kształtu? Jak wiele osób zauważyło na różnych forach, kształt soczewki nie determinuje kształtu ani jakości obrazu (poza dyfrakcją powodowaną przez krawędzie, które można złagodzić, a także niektóre efekty aberracji drugiego rzędu), a w większości przypadków każdy punkt na obiektywie może zbierać światło z każdego punktu na obiekcie i skupiać każdy punkt na płaszczyźnie obrazu. Już zauważyłem, że zmiana kształtu soczewki zwiększa koszty. Naprawdę nie ma praktycznego powodu (ogólnie) do zmiany kształtu.

Istnieje wiele powodów, dla których soczewka jest produkowana okrągłe:

1. Ze strony producenta wytwarzanie soczewek sferycznych jest łatwiejsze i tańsze oraz łatwiejsza kalibracja po połączeniu różnych soczewek w celu uzyskania unikalnej funkcji, np. Makro, teleobiektyw itp.

2. Jeśli chodzi o zwykłych użytkowników, większość z nas zdecydowanie zgodzi się powiedzieć, że wygodniej jest obracać okrągłe soczewki niż prostokątne. Wewnątrz obiektywów aparatu, a zwłaszcza obiektywów zmiennoogniskowych, niektóre elementy muszą być regulowane głównie poprzez obracanie (tańsze obiektywy) podczas ustawiania ostrości lub powiększania. Obracanie soczewki niekołowej będzie trudne, jeśli jednocześnie próbujesz kontrolować orientację aberracji i pików dyfrakcyjnych.

3. Próba zakrzywienia czegoś płaskiego jest trudniejsza niż zrobienie krzywej czegoś okrągłego.

4. W przypadku obiektywów szerokokątnych ma on kulisty kształt, który zapewnia lepszą i szerszą perspektywę.

5. Aby skupić się na świetle z różną odległością, wymaga okrągłej soczewki, ponieważ wszystkie punkty światła muszą być skupione na tym samym obszarze ogólnym.

6. Aby uzyskać obrazy osiągające maksymalną rozdzielczość (ostrość), powierzchnia soczewki musi być bardzo dokładna z bardzo wysoką precyzją, aby obiektyw mógł uzyskać pełną rozdzielczość - małe ułamki długości fali światła. Procesy szlifowania i polerowania są zapewnione tylko w celu uzyskania soczewek o pożądanej dokładności dla soczewek okrągłych; osiągnięcie tej dokładności dla innych kształtów jest niezwykle trudne, ale nie niemożliwe.

7. Najbardziej pożądanymi właściwościami soczewki są jej zdolność do tworzenia ostrych obrazów bez artefaktów oraz zdolność gromadzenia światła, szczególnie przy słabym oświetleniu. Obie te właściwości są maksymalizowane przez okrągłe soczewki; tylko ktoś absolutnie nieświadomy teorii optyki próbowałby zaprojektować dowolny inny kształt.

Jeszcze jeden powód: zdolność gromadzenia światła jest w dużej mierze zależna od obszaru, podczas gdy część jakości optycznej spada (lub droższa jest korekta do tego samego poziomu) z maksymalnym wymiarem. Okrąg minimalizuje maksymalny wymiar dla określonego obszaru.

Mimo to obawy związane z produkcją są nadrzędnym powodem. Na szczęście i tak z innych powodów potrzebujesz okrągłej soczewki.

Zabawne jest to, że kształt apertury (a więc soczewki) wpływa na pozorny kształt nieostrego źródła światła (często nazywanego „bokeh”). Możesz to zobaczyć, patrząc na niestandardowe obrazy bokeh ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Cóż, soczewki nie zawsze mają okrągły kształt. Nie ma to jednak nic wspólnego z fotografią. Oto kilka przykładów:

1. Soczewki cylindryczne są bardzo przydatne w niektórych zastosowaniach kamer 1-D i korekcji astygmatyzmu wiązki, a także w kształtowaniu wiązki.

2. Soczewki Fresnela mogą mieć wiele kształtów i służą do ustawiania ostrości za pomocą skrętu. patrz na przykład: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

istnieje kilka bardziej ezoterycznych rodzaje soczewek, ( lenslet matryce , obiektywy kinoform , etc ..) Ale to, co jest ważne, aby pamiętać, że obiektyw jest używany do zginania światła, i istnieje wiele sposobów na to, że za pomocą „dyfrakcyjne” optyka lub tradycyjny materiał podobny do szkła. Przyczyną projektu jest zwykle funkcjonalność i koszt produkcji.

Załóżmy, że używasz soczewki prostokątnej zamiast cylindrycznej. Po pierwsze, kształt soczewki nie będzie sprawa w ogólechyba że masz aperturę całkowicie otwartą; przy każdym wolniejszym ustawieniu decydujący będzie w przybliżeniu okrągły kształt membrany. Zakładając, że masz aperturę całkowicie otwartą, główny efekt będzie następujący. Będziesz miał określoną głębię ostrości. Jeśli punkt obiektu A znajduje się we właściwej odległości, aby uzyskać obraz podobny do punktu, to punkt ten nadal jest punktem niezależnie od prostokątnego kształtu soczewki. Jeśli jednak punkt obiektu B znajduje się w innej odległości, na obrazie tego punktu pojawia się rozmycie. Nieostrość pojawia się, ponieważ istnieje wiązka promieni świetlnych, a wiązka ma pewien skończony rozmiar w miejscu przecięcia filmu lub mikroukładu. Ponieważ soczewka jest prostokątna, ten pakiet jest piramidalny, a rozmycie będzie rozmyciem prostokątnym, a nie zwykłym okrągłym. Załóżmy na przykład, że kogoś fotografujesz ” twarz z gwiaździstym niebem w tle. Skupiasz się na twarzy. Gwiazdy pojawią się jako małe rozmyte prostokąty.

Przy bardzo dużych powiększeniach (być może z bardzo długim obiektywem, który faktycznie jest małym teleskopem), możliwe jest, że zobaczysz również wzory dyfrakcyjne. W przykładzie twarzy z gwiaździstym tłem załóżmy, że zmieniamy ostrość na nieskończoność, odsuwając twarz od ostrości. Optyka falowa przewidywałaby teraz, że (przy braku aberracji) wzór dyfrakcyjny gwiazdy byłby centralnym (rzędu 0) obrzeżem otoczonym pierścieniem (obrzeże pierwszego rzędu), gdybyś użył okrągłego otworu, ale prostokątnego otworu dałby inny wzór (bardziej jak prostokątna siatka z frędzlami). W praktyce nie sądzę, aby aparat był kiedykolwiek ograniczony dyfrakcją z całkowicie otwartą przysłoną. Dyfrakcja maleje wraz ze wzrostem apertury, a aberracje promieni optycznych wzrastają,

Soczewki zawsze były produkowane jako okrągłe, ponieważ najlepiej pasują do procesu produkcyjnego. Wyrównywanie ich wymagałoby później przynajmniej bardzo precyzyjnego cięcia, dzięki czemu byłyby znacznie droższe. (Jednak produkowane są soczewki kwadratowe do specjalnych celów)

Można zapytać, dlaczego czujnik jest kwadratowy, a nie okrągły?

Odpowiedź jest taka, że ​​nasze ekrany, filmy, a na koniec papier fotograficzny ma kwadratowy kształt. Nie potrzebujemy okrągłego czujnika, jeśli potrzebujemy kwadratowych zdjęć!

Z pewnością chodzi o to

1. aby zastosować tę samą „operację” do światła przychodzącego w dowolnym kierunku, potrzebujesz kołowo symetrycznego kształtu, aby nie zniekształcać odstępów między różnymi punktami na przychodzącym obrazie

2. soczewki na ogół mają na celu skupienie światła lądującego na ich powierzchni w jednym punkcie. Ten punkt jest „nieco za” matrycą CMOS w kamerze, ale jest to ta sama zasada, a fizyka dyktuje, że osiąga to kształt przekroju soczewki. Powtarzając to we wszystkich orientacjach, obracasz się wokół i uzyskujesz płaski kształt kopuły, jak soczewka

3. Jest to podobny powód, dla którego anteny satelitarne są kopułowane, a nie w kształcie pudełka

ale zdecydowanie nie jest tak, ponieważ jest łatwiejszy do wyprodukowania. Krople deszczu i szklane kule mają efekt soczewki. Windows nie. Kostki i pudełka z materiału refrakcyjnego po prostu nie mają takiego efektu.

Soczewki nie muszą być okrągłe. Spójrz na różnorodne kształty, w których pojawiają się oprawki okularów.

Jednak wszystkie te soczewki są przekrojem wyciętym z soczewki podstawowej, która ma kuliste powierzchnie (ignorując przez chwilę soczewki korygujące astygmatyzm).

I jest w zasadzie odpowiedź. Każda asymetria dałaby aparatowi astygmatyzm: niemożność ustawienia punktu w pionie i poziomie jednocześnie.

Obiektyw musi zapewniać stałe ogniskowanie wzdłuż dowolnej osi obrotu. Jeśli dwie równoległe wiązki światła, które są w odległości jednego cm od siebie, uderzą w obiektyw poziomo, muszą skupić się na tej samej odległości, co dwie równoległe wiązki, które są w odległości jednego cm od siebie pionowo.

Oprócz stworzenia naprawdę dziwnego Bokkeha, prostokątny obiektyw pogorszyłby również winietowanie obiektywu i stworzyłby asymetryczną rozdzielczość na obszarze obrazu wśród innych negatywnych aberracji optycznych. Światło, które uderza w dowolny punkt czujnika, pochodzi z szerokiego pokosu szkła - światło, które uderza w róg czujnika, nie przechodziło wyłącznie przez odpowiedni obszar narożny elementów soczewki w drodze do czujnika ( chyba że konsekwentnie wybierzesz tak małą aperturę, że sama dyfrakcja znacznie obniża jakość obrazu). Producenci soczewek dokładają wszelkich starań, aby wszystko było symetryczne pod kątem docelowej jakości obrazu, w tym nawet przysłony. Obiektywy niskiej jakości mogą mieć kilka ostrzy przysłony z płaskimi krawędziami, co tworzy bardzo kątową tęczówkę pięciokątną lub sześciokątną ... może to mieć wymiernie negatywny wpływ na wykres MTF obiektywu (miara zdolności rozdzielczej obiektywu) nawet w środku obrazu. Przejdź do soczewek lepszej jakości, a znajdziesz znacznie więcej symetrycznie okrągłych otworów przysłony ... otwory w tych wyższej klasy obiektywach za wiele tysięcy dolarów, które Canon i Nikon wypuszczają, mają bardzo okrągłe przysłony - to tylko otwór ... zrób to na szybę, a obraz jeszcze bardziej degradujesz. Naprawdę wysokiej klasy (5-cyfrowe) obiektywy w kinie mają okrągły kształt. Elementy obiektywu. Wszystko to dotyczy jakości obrazu w całym obszarze obrazu, od środka do rogu. Niezależnie od tego, czy czujnik jest kwadratowy, prostokątny, okrągły, a nawet w kształcie gwiazdy lub półksiężyca, soczewka - przynajmniej naprawdę dobra - nadal będzie symetryczna (inaczej okrągła). Tak,

Trudno to wyjaśnić bez wprowadzenia pełnego wyjaśnienia elektrodynamiki kwantowej , ale całe światło docierające do czujnika „przechodzi” przez całą soczewkę, przynajmniej w pewnym sensie, nawet jeśli mówimy tylko o pojedynczym fotonie. Foton nie bierze tylko jednej ścieżki (chyba że popełnisz błąd, próbując dowiedzieć się, którą ścieżkę obrał), bierze wszystkie możliwe ścieżki . Dziwne, ale prawdziwe.

Oznacza to, że usunięcie szkła z okrągłej soczewki w celu utworzenia mniejszego prostokąta nie usuwa „dodatkowego” szkła, które nie jest używane, w rzeczywistości byłoby usunięcie szkła, które jest używane do obrazowania (i zbierania światła). Z tego samego powodu dodanie dodatkowego szkła, aby obiektyw stał się prostokątny ze względów czysto kosmetycznych, nie tylko wiązałoby się z dodatkowymi wydatkami, że „dodatkowe” szkło przyczyniłoby się teraz również do rozkładu prawdopodobieństwa obrazowania, więc musiałoby być tak dokładnie wykonane i tak samo poprawione jak wysuwana soczewka okrągła. Jak wyjaśniłem tutaj , im większy (szybszy) obiektyw, tym bardziej potrzebna jest korekta, tym wymagana jest większa dokładność i tym bardziej cena wzrośnie.

Poza tym jednak efekt bokeh (charakter obszarów nieostrych, szczególnie świateł) wyglądałby naprawdę, bardzo źle.

Chodzi o kontrowersyjny pomysł, że wszystkie części frontu obrazu będą zbierać promienie dla każdego piksela.

Rozproszone powierzchnie wysyłają promień we wszystkich kierunkach, prawie nieskończone promienie wewnątrz małego łuku, który uderza w soczewkę. Te promienie nieskończoności muszą być kierowane ze źródła punktowego na pojedynczy piksel. Jest to trudne, dlatego trudno jest znaleźć ostre soczewki. To kolejna historia.

Zrobiłem 3 zdjęcia szeroko otwarte, a następnie przykryłem nieużywane części prostokątnym cięciem papieru i wziąłem jeszcze 3, i zobaczyłem, że środkowa część była o 15% ciemniejsza, kiedy zakryłem nieużywaną część. górne zdjęcie to zdjęcie odkryte, a poniżej zdjęcie zakryte, a ponieważ widzisz, że pokrycie nie jest widoczne w ramce, powoduje to, że obraz jest o 15% ciemniejszy:

Można to wyjaśnić w najprostszym modelu optyki geometrycznej. Na obiekcie pojawia się rozproszone odbicie, które można przedstawić jako kilka promieni świetlnych o różnej jasności we wszystkich kierunkach. Większa średnica obiektywu (zamiast mniejszego prostokąta) może spowodować jaśniejszy obraz.

P: „Dlaczego soczewki są okrągłe, chociaż matryca nie jest? Dlaczego nie mogą być kwadratowe lub pasują do kształtu matrycy?”.

Odp .: Soczewki i inne okrągłe obiekty są okrągłe, ponieważ łatwiej je obracać (tak, jestem świadomy „filmu z kwadratowym kołem” autorstwa Mythbusters). Okrągła soczewka jest łatwiejsza do precyzyjnego mielenia w porównaniu do kwadratowej soczewki (jak anamorficzna). Ma o jeden wymiar mniejszy do zmartwienia (tworzenie lub wyrównywanie), aw przypadku idealnie kwadratowego Obiektywu ma większe Koło Obrazu.

Tani obiektyw może być produkowany masowo metodą formowania wtryskowego z wystarczającą dokładnością, aby być tanim obiektywem, dlatego soczewki mogą mieć dowolny kształt od długiego do okrągłego.

Drogie szkło jest po prostu drogie. Niektóre aparaty używane do przechwytywania światła poza widmem widzialnym mają soczewki wykonane z egzotycznych materiałów, a nie ze szkła, i są trudne w obsłudze. Mniej pracy bez utraty jakości oszczędza pieniądze.

Większość czujników (dziś) jest prostokątnych (16: 9), ponieważ ludzkie widzenie „działa” na boki (skanując horyzont), a nie w górę i w dół (kiedyś było tak, że w górę mało było widać, a pod tobą nigdy nie było tak daleko nasze mózgi rozwinęły się w ten sposób) - rozmiar 16: 9 został wybrany jako Standard, ponieważ daje preferowany „format szerokoekranowy” (wiem, że istnieją świetne Filmy, które są szersze niż 16: 9 i zwykle używane były Soczewki Anamorficzne).

Wraz z łatwością i kosztem okrągłych soczewek mamy kwadratowy czujnik. Czujniki mają płaskie krawędzie i nie są okrągłe, ponieważ łatwiej jest je przycinać prosto (a czujniki nie są polerowane jak soczewki).

Czujniki są kwadratowe, ponieważ maksymalnie wykorzystują okrągły wafel, z którego są wykonane. Wafle są okrągłe, ponieważ są pocięte na wlewki. Wlewki są rurowe, ponieważ tak rosną.

Aby wszystko kosztowało jak najmniej, soczewki są okrągłe, a czujniki są kwadratowe (podobnie jak pojedyncze ogromne czujniki używane w kosmosie, jeden czujnik na opłatek z mapowanymi martwymi pikselami; tak jak na początku ekranów LCD).

Ale przecież nie jest trudno przeciąć prostokątne czujniki (16: 9), zakładając, że chcesz pokroić swój piękny super wysokiej rozdzielczości, duży piksel, czujnik na małe kawałki (ponieważ ludzie nie chcą płacić ponad 100 000 $ za czujnik chyba że są rządem).

Więc tną większość czujników do kształtu 16: 9 z mniejszą liczbą przyciętą do 4: 3 (ponieważ te aparaty mają drogie soczewki), a ludzie w formacie 16: 9 żyją z odrobiną winietowania (czasami dużo) i marnują część stosunkowo niedrogiego szkła, aby uzyskać estetycznie ukształtowane obrazy (tylko kwadrat lub nerd chce czujnika, który działa poza widmem widzialnym lub wytwarza kwadratowy obraz lub matrycę punktów danych).

Format 16: 9 jest po prostu rozszerzeniem proporcji 3: 2 filmu 35 mm, z którego opracowano współczesną fotografię, inne formaty pojawiły się i zniknęły lub nigdy nie zyskały popularności, nawet jeśli były „lepsze” (ale w niektórych przypadkach być może kosztowne z największych formatów).

Zasadniczo: rodowód, koszt, jakość. Czasami zdrowy rozsądek również odgrywał rolę.

Zobacz także: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size