Por que as lentes sempre têm formato redondo?

Por que as lentes têm formato redondo, embora o sensor de imagem não seja? Por que eles não podem ser quadrados ou algo que combine com a forma do sensor de imagem?

Os sensores são retangulares por tradição, com base no formato historicamente tradicional da mídia de imagem.

Mas há uma decisão de tecnologia / negócios que os leva a serem retangulares também. Os sensores são retangulares porque são fabricados usando técnicas de fabricação de semicondutores. Essas técnicas exigem a "impressão" de vários circuitos de sensores em uma pastilha de silicone. Hoje essas bolachas podem ter 300 mm de diâmetro e os fabricantes estão se aproximando de 450 mm de diâmetro ( veja aqui ). Muitos sensores podem ser impressos em bolachas tão grandes.

Os sensores são colocados lado a lado na pastilha para usar com eficiência o espaço disponível e de uma maneira que os torne fáceis de separar em "matrizes" (ou sensores individuais, neste caso). O processo é chamado de cubos. A forma mais econômica para matrizes é retangular. Normalmente, uma serra ou um cortador é usado para cortar as bolachas em linhas retas. Imagine se os dados (sensores neste caso) deveriam ser redondos (um uso dispendioso e dispendioso do material) ou hexagonais (uso eficiente do material, mas os cortes não são retos em toda a bolacha). ( Veja aqui para mais informações. )

B) Lentes de vidro de alta qualidade geralmente são retificadas usando tornos. (Isso pode ser visto neste vídeo . Assista em torno da marca das 7:00 minutos em particular. Desculpe, está em japonês, mas o vídeo é muito fascinante e revelador.) É mais fácil girar, esmerilar e polir uma lente redonda em estas máquinas porque não há arestas para prender nas ferramentas, à medida que a lente gira. Também é consistente com a simetria óptica que eles estão tentando obter nas lentes acabadas.

As lentes que não são redondas geralmente são cortadas das lentes redondas, uma etapa que adiciona custo à produção do conjunto da lente. As lentes não precisam ser redondas. Pelo amor de Deus, a maioria dos óculos não é redonda! Quando seus óculos são feitos, você deve estar ciente de que o fabricante da lente não está estocando uma lente para todos os tipos de armações de óculos. Ele está cortando ou esmerilhando lentes redondas para encaixar na armação.

Uma vez que o fabricante da lente tenha lentes redondas, o que o motivaria a cortá-la em uma forma diferente? Como muitas pessoas apontaram em vários fóruns, o formato da lente não determina o formato ou a qualidade da imagem (além da difração causada pelas bordas, que podem ser atenuadas e alguns efeitos de aberração de segunda ordem, talvez) e, na maior parte, todos os pontos da lente podem captar luz de todos os pontos do objeto e focalizar cada ponto no plano da imagem. Eu já apontei que mudar o formato da lente adiciona custo. Realmente não há nenhuma razão prática (geralmente) para mudar a forma.

Existem muitas razões pelas quais uma lente é produzida em volta:

1. Do lado do fabricante, é mais fácil e mais barato fabricar lentes esféricas e mais fáceis de calibrar quando você combina lentes diferentes para obter um recurso exclusivo, por exemplo, macro, telefoto, etc.

2. Para os usuários em geral, a maioria de nós concorda definitivamente em dizer que é mais conveniente girar lentes circulares do que retangulares. Dentro de lentes de câmera, especialmente lentes de zoom, alguns elementos devem ser ajustados principalmente pela rotação (lentes mais baratas) à medida que você as focaliza ou aproxima. Girar uma lente não circular será complicado se você também estiver tentando controlar a orientação das aberrações e dos picos de difração ao mesmo tempo.

3. Tentar curvar algo plano é mais difícil do que fazer uma curva redonda.

4. Para as lentes grande angular, possui formato esférico para oferecer uma perspectiva melhor e mais ampla.

5. Para focar na luz a uma distância variável, é necessária uma lente circular, pois todos os pontos de luz precisam ser focados na mesma área geral.

6. Para produzir imagens com resolução máxima (nitidez), a superfície da lente deve ser precisa com uma precisão muito alta para que a lente ofereça resolução total - pequenas frações de comprimento de onda da luz. Os processos de retificação e polimento só garantem a produção de lentes com a precisão desejada para lentes circulares; é extremamente difícil, embora não impossível, alcançar essa precisão para outras formas.

7. As propriedades mais desejáveis ​​de uma lente são a capacidade de formar imagens nítidas sem artefatos e o poder de captar luz, especialmente em ambientes com pouca iluminação. Ambas as propriedades são maximizadas por lentes circulares; somente alguém absolutamente ignorante da teoria da ótica tentaria projetar qualquer outra forma.

Mais uma razão: a capacidade de captação de luz é amplamente controlada pela área, enquanto parte da qualidade óptica diminui (ou é mais caro corrigir no mesmo nível) com a dimensão máxima. Um círculo minimiza a dimensão máxima para uma área específica.

Apesar disso, as preocupações de fabricação são a principal razão. Felizmente, uma lente circular é o que você deseja, por outras razões.

Um ponto engraçado é que a forma da abertura (assim da lente) afeta a forma aparente de uma fonte de luz fora de foco (geralmente chamada de "bokeh"). Você pode ver isso olhando as imagens personalizadas de bokeh ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Bem, as lentes nem sempre são de formato "redondo". No entanto, isso não tem nada a ver com fotografia. aqui estão alguns exemplos:

1. As lentes cilíndricas são muito úteis para algumas aplicações de câmeras 1-D e correção de astigmatismo de feixe, bem como modelagem de feixe.

2. As lentes Fresnel , podem ter diversas formas e são usadas para focar a luz com um toque. veja por exemplo: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

existem vários tipos mais esotéricos de lentes, ( matrizes lenslet , lentes kinoform , etc ..) Mas o que é importante lembrar é que uma lente é usada para dobrar a luz, e há muitas maneiras de fazer isso usando óptica "difrativas" ou vidro tradicional como material. O motivo do design geralmente é a funcionalidade e o custo de produção.

Digamos que você use uma lente retangular em vez de cilíndrica. Primeiro, a forma da lente não importará em tudoa menos que você tenha a abertura totalmente aberta; em qualquer configuração mais lenta, a forma aproximadamente circular do diaframe será o fator determinante. Supondo que você tenha a abertura totalmente aberta, o efeito principal será o seguinte. Você terá uma certa profundidade de campo. Se o ponto A do objeto estiver à distância correta para produzir uma imagem pontual, esse ponto ainda será um ponto, independentemente da forma retangular da lente. No entanto, se o ponto B do objeto estiver a alguma outra distância, obtemos um borrão como a imagem desse ponto. O desfoque ocorre porque há um feixe de raios de luz, e o feixe tem algum tamanho finito onde cruza o filme ou chip. Como a lente é retangular, esse pacote é piramidal, e o desfoque será um desfoque retangular, e não o circular normal. Por exemplo, digamos que você esteja fotografando alguém ' s rosto com um céu estrelado no fundo. Você se concentra no rosto. As estrelas aparecerão como pequenos retângulos difusos.

Em ampliações muito altas (talvez com uma lente muito longa que seja efetivamente um pequeno telescópio), é possível que você também veja padrões de difração. No exemplo do rosto com o fundo estrelado, suponha que alteremos o foco para o infinito, colocando o rosto fora de foco. A óptica das ondas agora preveria que (na ausência de aberrações), o padrão de difração de uma estrela seria uma franja central (ordem 0) cercada por um anel (franja de primeira ordem) se você usasse uma abertura circular, mas uma abertura retangular daria um padrão diferente (mais como uma grade retangular de franjas). Na prática, não acho que uma câmera possa ter um limite de difração com a abertura totalmente aberta. A difração diminui à medida que a abertura aumenta, enquanto as aberrações ópticas aos raios aumentam,

As lentes estavam sempre sendo produzidas como arredondadas, porque se encaixam melhor no processo de fabricação. Torná-los quadrados envolveria, pelo menos, um corte muito preciso depois, o que os tornaria muito mais caros. (No entanto, lentes quadradas estão sendo produzidas para alguns fins especiais)

Você pode perguntar por que o sensor é quadrado e não redondo?

A resposta para isso é que nossas telas, filmes e, no final, nosso papel fotográfico são quadrados. Não precisamos de sensor redondo, se precisarmos de fotos quadradas!

Certamente o ponto é

1. Para aplicar a mesma "operação" à luz que entra em qualquer orientação, você precisa de uma forma circular simétrica para não distorcer as proporções espaciais entre os diferentes pontos da imagem recebida.

2. as lentes geralmente visam concentrar o pouso leve em sua superfície em um único ponto. Esse ponto está "ligeiramente atrás" do sensor CMOS em uma câmera, mas é o mesmo princípio, e a física determina que uma forma de seção transversal da lente alcança isso. Ao repeti-lo em todas as orientações, você gira e obtém uma forma de cúpula plana, como uma lente

3. É uma razão semelhante à razão pela qual as antenas parabólicas são abobadadas e não em forma de caixa

mas definitivamente não é porque é mais fácil de fabricar. Pingos de chuva e bolas de vidro têm um efeito de lente. Windows não. Cubos e caixas de material refrativo simplesmente não têm esse efeito.

As lentes não precisam ser redondas. Observe a variedade de formas em que as armações de óculos aparecem.

No entanto, todas essas lentes são um corte de uma lente comum que possui superfícies esféricas (ignorando, por um momento, lentes que corrigem o astigmatismo).

E existe basicamente a resposta. Qualquer tipo de assimetria daria astigmatismo à sua câmera: a incapacidade de colocar um ponto em foco vertical e horizontalmente ao mesmo tempo.

Uma lente deve fornecer um foco consistente ao longo de qualquer eixo rotacional. Se dois feixes de luz paralelos, separados por um cm de distância horizontalmente, atingem a lente, eles devem focalizar a mesma distância que dois feixes paralelos separados por um cm verticalmente.

Além de criar Bokkeh realmente estranho, uma lente retangular também pioraria a vinheta da lente e criaria uma resolução assimétrica sobre a área da imagem, entre outros efeitos negativos da aberração óptica. A luz que atinge um ponto específico do sensor é proveniente de uma ampla faixa de vidro - a luz que atinge um canto do sensor não viaja exclusivamente através da área de canto correspondente dos elementos da lente a caminho do sensor ( a menos que você escolha consistentemente uma abertura tão pequena que a difração em si esteja degradando substancialmente a qualidade da imagem). Os fabricantes de lentes se esforçam ao máximo para garantir que tudo seja simétrico para a qualidade da imagem, inclusive para o diafragma. As lentes de baixa qualidade podem ter algumas lâminas de abertura com bordas planas, formando uma íris de pentágono ou hexágono muito angular ... isso pode ter um efeito negativo mensurável no gráfico MTF de uma lente (uma medida da capacidade de resolução de lentes), mesmo no centro da imagem. Mova-se para lentes de melhor qualidade e você encontrará muito mais abertura simétrica do diafragma redondo ... as aberturas nessas lentes de mil dólares de ponta que a Canon & Nikon lançam possuem diafragmas muito redondos - essa é apenas a abertura ... faça isso para o vidro e você estará degradando a imagem muito mais. As lentes verdadeiramente sofisticadas (de US $ 5 dígitos) na cinematografia são circulares. Elementos da lente. Isso é tudo para a qualidade da imagem em toda a área da imagem, do centro ao canto. Independentemente de o sensor ser quadrado, retangular, redondo ou mesmo em forma de estrela ou crescente, a lente - pelo menos uma muito boa - continuaria simétrica (também conhecida como circular). Sim,

É difícil de explicar sem iniciar uma explicação completa da eletrodinâmica quântica , mas toda a luz que chega ao sensor "atravessa" todas as lentes, pelo menos em certo sentido, mesmo se falamos apenas de um único fóton. Um fóton não segue apenas um caminho (a menos que você cometa o erro de tentar descobrir qual caminho ele tomou), ele toma todos os caminhos possíveis . Estranho, mas é verdade.

Isso significa que remover o vidro de uma lente redonda para criar um retângulo menor não está removendo o vidro "extra" que não está sendo usado; na verdade, estaria removendo o vidro usado para geração de imagens (e coleta de luz). Da mesma forma, a adição de vidro extra para tornar a lente retangular por razões puramente cosméticas não envolveria apenas muita despesa extra, como agora o vidro "extra" também contribuiria para a distribuição da probabilidade de geração de imagens, portanto seria preciso ter a mesma precisão feita e corrigida como a lente circular que você está estendendo. Como expliquei aqui , quanto maior (mais rápido) você faz uma lente, mais correções são necessárias, mais precisão é necessária e mais o preço aumentará.

Além disso, o bokeh (a natureza das áreas fora de foco, principalmente os destaques) ficaria muito, muito ruim.

Trata-se da idéia controversa de que todas as partes da frente da imagem coletarão raios para cada pixel.

Superfícies difusas enviam raios para todas as direções, raios praticamente infinitos dentro do pequeno arco que atinge a lente. Esses raios infinitos devem ser direcionados de uma fonte pontual para um único pixel. Isso é difícil de fazer, e é por isso que é difícil encontrar lentes afiadas. Esta é outra história.

Tirei 3 imagens bem abertas e depois cobri as partes não utilizadas com um retângulo de papel cortado e peguei mais 3 e vi que a parte central estava 15% mais escura quando cobri a parte não utilizada. a imagem superior é a descoberta e abaixo é a coberta e, como você vê, a cobertura não é vista no quadro, apenas torna a imagem 15% mais escura:

Isso pode ser explicado no modelo mais simples de óptica geométrica. Sobre o objeto ocorre uma reflexão difusa que pode ser representada como vários raios de luz de brilho diferente em todas as direções. Um diâmetro maior da lente (em vez de uma forma retangular menor) pode resultar em uma imagem mais clara.

P: "Por que as lentes têm formato redondo, embora o sensor de imagem não seja? Por que elas não podem ser quadradas ou algo semelhante ao formato do sensor de imagem?".

R: As lentes e outros objetos redondos são redondos porque é mais fácil girá-los (sim, eu conheço o "Square Wheel Video" do Mythbusters). Uma lente redonda é mais fácil de moer com precisão em comparação com uma lente quadrada (como uma anamórfica). Ele tem uma dimensão a menos para se preocupar (criar ou alinhar) ou, no caso de uma lente perfeitamente quadrada, possui um círculo de imagem maior.

Uma lente barata pode ser produzida em massa por Moldagem por Injeção com precisão suficiente para ser uma lente barata; portanto, as lentes podem ser facilmente de qualquer formato, do longo ao redondo.

Vidro caro é apenas isso, caro. Algumas câmeras usadas para capturar luz fora do espectro visível possuem lentes feitas de materiais exóticos, não de vidro, e são difíceis de trabalhar. Menos trabalho sem perda de qualidade economiza dinheiro.

A maioria dos sensores (hoje) é retangular (16: 9) porque a visão humana 'trabalha' de um lado para o outro (percorrendo o horizonte) e não para cima e para baixo (costumava ser que, para cima, havia pouco para ver e, embaixo de você, nunca estava tão longe) nossos cérebros se desenvolveram dessa maneira) - o tamanho 16: 9 foi escolhido como padrão porque fornece um 'formato widescreen' preferido (eu sei que existem ótimos filmes com mais de 16: 9 e geralmente lentes anamórficas).

Juntamente com as considerações de facilidade e custo das lentes redondas, temos o sensor quadrado. Os sensores possuem bordas planas e não são redondas, pois é mais fácil cortá-las retas (e os sensores não são polidos como as lentes).

Os sensores são quadrados porque tiram o máximo proveito da bolacha redonda da qual são feitos. As bolachas são redondas porque são cortadas de um lingote. Os lingotes são tubulares porque é assim que crescem.

Portanto, para reduzir o custo de tudo, as lentes são redondas e os sensores são quadrados (como os grandes sensores usados ​​no espaço, um sensor por bolacha com pixels mortos mapeados; exatamente como nos primeiros dias das telas de LCD).

MAS não é difícil cortar sensores retangulares (16: 9), supondo que você queira cortar seu adorável sensor de alta resolução e pixel grande em pedaços pequenos (porque as pessoas não querem pagar mais de US $ 100 mil por um sensor a menos que sejam o governo).

Então, eles cortam a maioria dos sensores em um formato 16: 9 com um número menor cortado para 4: 3 (porque essas câmeras possuem lentes caras) e as pessoas no formato 16: 9 vivem com um pouquinho de vinhetas (às vezes muitas vezes) e desperdiçam parte do vidro de custo comparativamente baixo, a fim de obter imagens esteticamente agradáveis ​​(apenas um quadrado ou nerd deseja um sensor que funcione fora do espectro visível ou produz uma imagem quadrada ou matriz de pontos de dados).

O formato 16: 9 é simplesmente um alargamento da proporção de 3: 2 do filme de 35 mm a partir do qual a fotografia moderna se desenvolveu, outros formatos surgiram ou desapareceram ou nunca ganharam popularidade, mesmo que fossem 'melhores' (mas possivelmente em alguns casos proibitivos) dos maiores formatos).

Basicamente: Linhagem, Custo, Qualidade. Às vezes, o senso comum também desempenhou um papel.

Veja também: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size