Почему линзы всегда круглой формы?

Question

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

Answer 1

Датчики по традиции прямоугольные, основанные на исторически сложившейся форме 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). ( Подробнее см. Здесь. )

B) 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 языке, но видео очень увлекательное и показательное. и полируйте круглую линзу в этих машинах, потому что нет никаких краев, чтобы зацепиться за инструмент, поскольку линза вращается вокруг. Это также согласуется с оптической симметрией, которой они пытаются достичь в готовом объективе.

Линзы, которые не являются круглыми, как правило, должны быть вырезаны из круглых линз, что увеличивает стоимость изготовления линзы 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 снабжает их линзами для каждой формы оправы очков. Он режет или шлифует круглые линзы, чтобы соответствовать раме.

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.

Answer 2

Существует множество причин, по которым объектив изготавливается круглым:

1. Со стороны производителя проще и дешевле изготавливать сферические линзы и 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 круговую 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. Поворачивать некруглую линзу будет непросто, 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, что обеспечивает 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 точной 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; очень трудно, хотя и 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.

Answer 3

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 главной причиной. К счастью, круглая линза - это то, что вам нужно по другим причинам.

Answer 4

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, что глядя на пользовательские изображения боке (http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh).

Answer 5

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

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

2. Линзы Френеля , могут иметь различную форму и использоваться для фокусировки света с поворотом. см. например: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

существует еще несколько эзотерических типов линз ( линзовые матрицы , линзы киноформ и т. Д.) Но важно помнить, что линза используется для изгиба света и есть много способов сделать это, используя «дифракционную» оптику или традиционный материал, подобный стеклу. Причиной дизайна обычно является функциональность и стоимость производства.

Answer 6

Допустим, вы используете прямоугольную линзу, а не цилиндрическую. Во-первых, форма объектива не будет иметь значения вообще , если диафрагма полностью не открыта; 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 чье-то лицо на фоне звездного неба. 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 того, как апертура расширяется, а лучевые оптические аберрации увеличиваются, поэтому аберрация будет доминировать в дифракции в этих условиях.

Answer 7

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 для некоторых специальных целей производятся квадратные линзы)

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

Ответ на этот вопрос 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!

Answer 8

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

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

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

Объектив должен 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.

Answer 9

Конечно, точка

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 Объективы

2. , как правило, 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 у линзы

3. Это та же причина, по которой спутниковые тарелки 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.

Answer 10

Помимо создания действительно странного Бокке, прямоугольная линза также ухудшит виньетирование объектива и создаст асимметричное разрешение по всей 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 объективов низкого качества может быть несколько апертурных ножей с плоскими краями, образующими очень угловой пятиугольник или шестигранную радужную оболочку ... это может оказать ощутимое негативное влияние на график MTF объектива (мера способности разрешения объектива) даже в центре образ. 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 апертура ... 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, на изготовление прямоугольных линз отрицательно влияют и усложняются проблемы с производством, а также на конструктивные проблемы, но качество изображения, поэтому линзы круглые.