Perché le lenti sono sempre di forma rotonda?

Perché gli obiettivi sono di forma rotonda sebbene il sensore di immagine non lo sia? Perché non possono essere quadrati o qualcosa che corrisponde alla forma del sensore di immagine?

I sensori sono rettangolari per tradizione, basati sulla forma storicamente tradizionale dei supporti di immagini.

Ma c'è una decisione tecnologica / commerciale che li spinge anche a essere rettangolari. I sensori sono rettangolari perché realizzati con tecniche di fabbricazione a semiconduttore. Queste tecniche richiedono la "stampa" di più circuiti del sensore su un wafer di silicio. Oggi questi wafer possono avere un diametro di 300 mm e i produttori si stanno muovendo verso un diametro di 450 mm ( vedi qui ). Molti sensori possono essere stampati su wafer così grandi.

I sensori sono piastrellati sul wafer per utilizzare in modo efficiente lo spazio disponibile e in modo da renderli facilmente separabili in "matrici" (o i singoli sensori, in questo caso). Il processo si chiama a dadini. La forma più economica per stampi è rettangolare. Solitamente una sega o uno scriba viene utilizzato per tagliare i wafer in linea retta. Immagina se gli stampi (sensori in questo caso) dovevano essere rotondi (un uso dispendioso e costoso del materiale) o esagonali (uso efficiente del materiale ma i tagli non sono dritti sull'intero wafer). ( Vedi qui per maggiori informazioni. )

B) Le lenti in vetro di alta qualità sono generalmente macinate con torni. (Questo può essere visto in questo video . Guarda in particolare intorno alle 7:00 minuti. Mi dispiace, è in giapponese, ma il video è molto affascinante e rivelatore.) È più facile girare, levigare e lucidare una lente rotonda in queste macchine perché non ci sono bordi da afferrare sugli utensili mentre la lente gira intorno. È inoltre coerente con la simmetria ottica che stanno cercando di ottenere nell'obiettivo finito.

Le lenti che non sono rotonde verrebbero generalmente tagliate da lenti rotonde, un passaggio che aggiunge costi alla produzione del gruppo lenti. Le lenti non devono essere rotonde. Per l'amor del cielo, la maggior parte degli occhiali non è rotonda! Quando vengono realizzati gli occhiali, è necessario essere consapevoli del fatto che il produttore di lenti non sta fornendo una lente per ogni forma di montatura per occhiali. Sta tagliando o rettificando lenti rotonde per adattarsi al telaio.

Una volta che il produttore di lenti ha le sue lenti rotonde, cosa lo motiverebbe a tagliarlo in una forma diversa? Come molte persone hanno sottolineato in vari forum, la forma dell'obiettivo non determina la forma o la qualità dell'immagine (a parte la diffrazione causata dai bordi, che può essere mitigata, e alcuni effetti di aberrazione del secondo ordine, forse) e, per la maggior parte, ogni punto sull'obiettivo può raccogliere la luce da ogni punto sull'oggetto e focalizzare ogni punto sul piano dell'immagine. Ho già sottolineato che cambiare la forma dell'obiettivo aumenta i costi. Non c'è davvero alcun motivo pratico (generalmente) per cambiare la forma.

Ci sono molte ragioni per cui viene prodotta una lente rotonda:

1. Dal lato del produttore, è più facile ed economico produrre obiettivi sferici e più facile da calibrare quando si combinano obiettivi diversi per ottenere una funzionalità unica, ad esempio macro, teleobiettivo ecc ...

2. Per gli utenti generici, la maggior parte di noi sarà sicuramente d'accordo nel dire che è più conveniente ruotare le lenti circolari che rettangolari. All'interno degli obiettivi della fotocamera, in particolare degli obiettivi zoom, alcuni elementi devono essere regolati principalmente ruotando (obiettivi più economici) durante la messa a fuoco o lo zoom. Ruotare una lente non circolare sarà difficile se stai anche cercando di controllare l'orientamento delle aberrazioni e dei picchi di diffrazione allo stesso tempo.

3. Cercare di curvare qualcosa di piatto è più difficile che fare una curva di qualcosa di rotondo.

4. Per gli obiettivi grandangolari, ha una forma sferica per offrire una prospettiva migliore e più ampia.

5. Per mettere a fuoco la luce con una distanza variabile, richiede una lente circolare poiché tutti i punti di luce devono essere focalizzati sulla stessa area generale.

6. Per produrre immagini che raggiungono la massima risoluzione (nitidezza), la superficie dell'obiettivo deve essere accurata con una precisione molto elevata affinché l'obiettivo fornisca la massima risoluzione - piccole frazioni di una lunghezza d'onda della luce. I processi di levigatura e lucidatura sono garantiti solo per la produzione di lenti della precisione desiderata per lenti circolari; è estremamente difficile, sebbene non impossibile, ottenere questa precisione per altre forme.

7. Le proprietà più desiderabili di un obiettivo sono la sua capacità di formare immagini nitide senza artefatti e il potere di raccolta della luce soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione. Entrambe queste proprietà sono massimizzate da lenti circolari; solo qualcuno assolutamente ignorante della teoria dell'ottica avrebbe tentato di progettare qualsiasi altra forma.

Un motivo in più: la capacità di raccolta della luce è in gran parte governata dall'area, mentre parte della qualità ottica diminuisce (o è più costosa da correggere allo stesso livello) con la massima dimensione. Un cerchio riduce al minimo la dimensione massima per una determinata area.

Nonostante ciò, le preoccupazioni di produzione sono la ragione principale. Fortunatamente, una lente circolare è comunque ciò che desideri per altri motivi.

Un punto divertente è che la forma dell'apertura (quindi dell'obiettivo) influenza la forma apparente di una fonte di luce sfocata (spesso chiamata "bokeh"). Puoi vederlo guardando le immagini bokeh personalizzate ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Bene, le lenti non sono sempre "rotonde". Tuttavia ciò non ha nulla a che fare con la fotografia. Ecco alcuni esempi:

1. Le lenti cilindriche sono molto utili per alcune applicazioni di telecamere 1-D e correzione dell'astigmatismo del fascio, nonché per la modellatura del fascio.

2. Le lenti Fresnel , possono avere diverse forme e sono utilizzate per focalizzare la luce con torsione. vedi ad esempio: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

ci sono diversi tipi più esoterici di lenti, ( array di microlenti , lenti kinoform , ecc ..) Ma ciò che è importante da ricordare è che una lente è usato per piegare la luce, e ci sono molti modi per farlo utilizzando "diffrazione" o ottica materiale tranditional come il vetro. Il motivo del design è di solito funzionalità e costi di produzione.

Supponiamo che tu usi una lente rettangolare anziché una cilindrica. Prima di tutto, la forma della lente non importerà affattoa meno che tu non abbia l'apertura completamente aperta; su qualsiasi impostazione più lenta, la forma approssimativamente circolare del diaframma sarà il fattore determinante. Supponendo di avere l'apertura completamente aperta, l'effetto principale sarà il seguente. Avrai una certa profondità di campo. Se il punto A dell'oggetto si trova alla distanza corretta per produrre un'immagine simile a un punto, questo punto rimane comunque un punto indipendentemente dalla forma rettangolare dell'obiettivo. Tuttavia, se l'oggetto punto B si trova ad un'altra distanza, otteniamo una sfocatura come immagine di quel punto. La sfocatura si verifica perché c'è un fascio di raggi di luce e il fascio ha una dimensione finita in cui interseca il film o il chip. Poiché l'obiettivo è rettangolare, questo fascio è piramidale e la sfocatura sarà una sfocatura rettangolare anziché la solita circolare. Ad esempio, supponi di fotografare qualcuno " faccia s con un cielo stellato sullo sfondo. Ti concentri sul viso. Le stelle appariranno come piccoli rettangoli sfocati.

A ingrandimenti molto alti (forse con un obiettivo molto lungo che è effettivamente un piccolo telescopio), è possibile che tu veda anche i modelli di diffrazione. Nell'esempio del viso con lo sfondo stellato, supponiamo di cambiare la messa a fuoco all'infinito, mettendo la faccia fuori fuoco. L'ottica a onde ora prevederebbe che (in assenza di aberrazioni), il modello di diffrazione per una stella sarebbe una frangia centrale (ordine 0) circondata da un anello (frangia del primo ordine) se si utilizzava un'apertura circolare, ma un'apertura rettangolare darebbe un modello diverso (più simile a una griglia rettangolare di frange). In pratica, non penso che una fotocamera sarebbe mai limitata dalla diffrazione con l'apertura completamente aperta. La diffrazione diminuisce all'aumentare dell'apertura, mentre aumentano le aberrazioni ottiche,

Le lenti venivano sempre prodotte arrotondate perché si adattavano al meglio al processo di fabbricazione. Renderli quadrati comporterebbe almeno un taglio molto preciso in seguito, quindi li renderebbe molto più costosi. (Tuttavia le lenti quadrate vengono prodotte per alcuni scopi speciali)

Potresti chiedere perché il sensore è quadrato piuttosto che rotondo?

La risposta a ciò è che i nostri schermi, film e alla fine la nostra carta fotografica sono di forma quadrata. Non abbiamo bisogno del sensore rotondo se abbiamo bisogno di foto quadrate!

Sicuramente il punto è

1. per applicare la stessa 'operazione' alla luce che arriva in qualsiasi orientamento è necessaria una forma circolare simmetrica per non distorcere i rapporti spaziali tra punti diversi sull'immagine in arrivo

2. le lenti generalmente mirano a concentrare l'atterraggio della luce sulla loro superficie verso un singolo punto. Quel punto è "leggermente dietro" al sensore CMOS di una fotocamera, ma è lo stesso principio e la fisica impone che una forma di sezione trasversale ottenga questo. Quando lo ripeti in tutti gli orientamenti, ruoti e ottieni una forma a cupola piatta, come una lente

3. È un motivo simile per cui le antenne paraboliche sono a cupola e non a forma di scatola

ma non è sicuramente perché è più facile da fabbricare. Le gocce di pioggia e le palline di vetro hanno un effetto lente. Windows no. Cubi e scatole di materiale refrattivo non hanno questo effetto.

Le lenti non devono essere rotonde. Guarda la varietà di forme in cui appaiono le montature degli occhiali.

Tuttavia, tutte quelle lenti sono una sezione tagliata da una lente di serie che ha superfici sferiche (ignorando, per un momento, lenti che correggono l'astigmatismo).

E c'è sostanzialmente la risposta. Qualsiasi tipo di assimetria darebbe alla tua macchina fotografica l'astigmatismo: l'incapacità di mettere a fuoco un punto verticalmente e orizzontalmente allo stesso tempo.

Un obiettivo deve fornire una messa a fuoco coerente lungo qualsiasi asse di rotazione. Se due fasci di luce paralleli distanti un centimetro di distanza in orizzontale colpiscono l'obiettivo, devono mettere a fuoco alla stessa distanza di due fasci paralleli distanti di un cm in verticale.

Oltre a creare Bokkeh davvero strano, una lente rettangolare peggiorerebbe anche la vignettatura dell'obiettivo e creerebbe una risoluzione asimmetrica sull'area dell'immagine tra gli altri effetti di aberrazione ottica negativi. La luce che colpisce un punto particolare del sensore proviene da un'ampia striscia di vetro: la luce che colpisce un angolo del sensore non ha viaggiato esclusivamente attraverso la corrispondente area angolare degli elementi dell'obiettivo sulla sua strada verso il sensore ( a meno che non si scelga costantemente un'apertura così piccola che la diffrazione stessa sta sostanzialmente degradando la qualità dell'immagine). I produttori di obiettivi fanno di tutto per garantire che tutto sia simmetrico per la qualità dell'immagine, incluso il diaframma. Gli obiettivi di bassa qualità possono avere alcune lamelle del diaframma con bordi piatti che formano un pentagono molto angolare o un iris esagonale ... questo può avere un effetto misurabile in modo negativo sul grafico MTF di un obiettivo (una misura della capacità di risoluzione di un obiettivo) anche al centro dell'immagine. Passa a obiettivi di qualità migliore e troverai un'apertura del diaframma molto più simmetrica rotonda ... le aperture su quegli obiettivi da mille dollari di fascia alta che Canon e Nikon hanno messo hanno diaframmi molto rotondi - questa è solo l'apertura ... al vetro e degraderai l'immagine molto di più. Gli obiettivi di fascia alta ($ 5 cifre) nella cinematografia hanno una forma circolare. Elementi lente. Questo è tutto per la qualità dell'immagine nell'intera area dell'immagine dal centro all'angolo. Indipendentemente dal fatto che il sensore sia quadrato, rettangolare, rotondo o persino a forma di stella o mezzaluna, l'obiettivo - almeno davvero buono - continuerebbe ad essere simmetrico (alias circolare). Sì,

È difficile da spiegare senza lanciarsi in una spiegazione completa dell'elettrodinamica quantistica , ma tutta la luce che raggiunge il sensore "attraversa" tutta la lente, almeno in un certo senso, anche se stiamo solo parlando di un singolo fotone. Un fotone non prende solo un percorso (a meno che tu non commetta l'errore di cercare di capire quale percorso abbia preso), prende tutti i possibili percorsi . Strano, ma vero.

Ciò significa che rimuovere il vetro da una lente rotonda per creare un rettangolo più piccolo non rimuove il vetro "extra" che non viene utilizzato, in realtà rimuoverà il vetro utilizzato per l'imaging (e la raccolta della luce). Allo stesso modo, l'aggiunta di ulteriore vetro per rendere rettangolare l'obiettivo per ragioni puramente estetiche non implicherebbe solo una spesa extra, ma il vetro "extra" contribuirebbe anche alla distribuzione della probabilità di imaging, quindi dovrebbe essere altrettanto preciso realizzato e corretto come l'obiettivo circolare che si sta estendendo. Come ho spiegato qui , più grande (più veloce) realizzi un obiettivo, maggiore è la correzione necessaria, maggiore è la precisione richiesta e più il prezzo aumenterà.

A parte questo, però, il bokeh (la natura delle aree sfocate, in particolare i punti salienti) apparirebbe davvero, molto male.

Si tratta dell'idea controversa che tutte le parti della parte anteriore dell'immagine raccoglieranno raggi per ogni pixel.

Superfici diffuse inviano raggio in ogni direzione, praticamente infiniti raggi all'interno del piccolo arco che colpisce l'obiettivo. Questi raggi infiniti devono essere diretti da una sorgente puntuale a un singolo pixel. Questo è difficile da fare, motivo per cui è difficile trovare obiettivi nitidi. Questa è un'altra storia

Ho scattato 3 immagini spalancate e poi ho coperto le parti inutilizzate con un rettangolo di carta tagliato e ne ho prese altre 3 e ho visto che la parte centrale era più scura del 15% quando ho coperto la parte inutilizzata. l'immagine in alto è quella scoperta e quella in basso è quella coperta e, come vedi, il rivestimento non è visibile nella cornice, rende l'immagine più scura del 15%:

Può essere spiegato nel modello più semplice di ottica geometrica. Sull'oggetto si verifica una riflessione diffusa che può essere raffigurata come diversi raggi di luce di diversa luminosità in tutte le direzioni. Un diametro dell'obiettivo più grande (anziché una forma rettangolare più piccola) può dare un'immagine più luminosa.

D: "Perché gli obiettivi sono di forma rotonda anche se il sensore di immagine non lo è? Perché non possono essere quadrati o qualcosa che corrisponde alla forma del sensore di immagine?".

A: Le lenti e gli altri oggetti rotondi sono rotondi perché è più facile ruotarli (sì, sono a conoscenza del "Square Wheel Video" di Mythbusters). Una lente rotonda è più facile da macinare con precisione rispetto a una lente quadrata (come un anamorfico). Ha una dimensione in meno di cui preoccuparsi (creare o allineare) o nel caso di un obiettivo perfettamente quadrato ha un cerchio di immagini più grande.

Un obiettivo economico può essere prodotto in serie dallo stampaggio ad iniezione con sufficiente precisione per essere un obiettivo economico, quindi gli obiettivi potrebbero facilmente avere qualsiasi forma da lunga a rotonda.

Il vetro costoso è proprio questo, costoso. Alcune fotocamere utilizzate per catturare la luce al di fuori dello spettro visibile hanno obiettivi realizzati con materiali esotici, non in vetro, e sono difficili da lavorare. Meno lavoro senza perdita di qualità consente di risparmiare denaro.

La maggior parte dei sensori (oggi) sono rettangolari (16: 9) perché la visione umana "lavora" da un lato all'altro (scansionando l'orizzonte) e non su e giù (era solito che verso l'alto avesse poco da vedere e sotto di te non era mai così lontano i nostri cervelli si sono sviluppati in questo modo) - la dimensione 16: 9 è stata scelta come standard perché offre un 'formato widescreen' preferito (so che ci sono grandi film che sono più larghi di 16: 9 e di solito sono stati usati obiettivi anamorfici).

Insieme alle considerazioni sulla facilità e sui costi delle lenti rotonde, abbiamo il sensore quadrato. I sensori hanno bordi piatti e non sono rotondi perché è più facile tagliarli diritti (e i sensori non sono lucidati come gli obiettivi).

I sensori sono quadrati perché ottengono il massimo dal wafer rotondo da cui sono realizzati. I wafer sono rotondi perché sono tagliati da un lingotto. I lingotti sono tubolari perché è così che crescono.

Quindi, per far sì che tutto costino il minimo, le lenti sono rotonde e i sensori sono quadrati (come i singoli enormi sensori utilizzati nello spazio, un sensore per wafer con pixel morti mappati; proprio come i primi giorni degli schermi LCD).

MA non è difficile tagliare i sensori rettangolari (16: 9) supponendo che tu voglia tagliare la tua adorabile risoluzione super alta, pixel di grandi dimensioni, sensore in piccoli pezzi (perché le persone non vogliono pagare oltre $ 100.000 per un sensore a meno che non siano il governo).

Quindi tagliano la maggior parte dei sensori a una forma 16: 9 con un numero più piccolo tagliato a 4: 3 (perché quelle fotocamere hanno obiettivi costosi) e le persone in formato 16: 9 vivono con un po 'di vignettatura (a volte molto) e sprecano un porzione del vetro relativamente a basso costo per ottenere immagini di forma esteticamente gradevole (solo un quadrato o un nerd vuole un sensore che opera al di fuori dello spettro visibile o produce un'immagine quadrata o una matrice di punti dati).

Il formato 16: 9 è semplicemente un ampliamento delle proporzioni 3: 2 del film 35 mm da cui si è sviluppata la fotografia moderna, altri formati andavano e venivano o non guadagnavano popolarità, anche se erano "migliori" (ma forse in alcuni costi proibitivi dei più grandi formati).

Fondamentalmente: Lignaggio, Costo, Qualità. A volte anche il buon senso ha giocato un ruolo.

Vedi anche: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size