Warum sind Linsen immer rund?

Warum haben Linsen eine runde Form, der Bildsensor jedoch nicht? Warum können sie nicht quadratisch sein oder etwas, das der Form des Bildsensors entspricht?

Sensoren sind traditionell rechteckig und basieren auf der historisch traditionellen Form von Bildmedien.

Aber es gibt eine Technologie- / Geschäftsentscheidung, die sie auch rechteckig macht. Sensoren sind rechteckig, weil sie unter Verwendung von Halbleiterherstellungstechniken hergestellt werden. Diese Techniken erfordern das "Drucken" mehrerer Sensorschaltungen auf einen Siliziumwafer. Heutzutage können diese Wafer einen Durchmesser von 300 mm haben und die Hersteller bewegen sich in Richtung 450 mm Durchmesser ( siehe hier ). Auf so großen Wafern können viele Sensoren gedruckt werden.

Die Sensoren werden auf den Wafer gekachelt, um den verfügbaren Platz effizient zu nutzen und sie auf einfache Weise in „Dies“ (oder in diesem Fall die einzelnen Sensoren) zu zerlegen. Der Prozess wird Würfeln genannt. Die kostengünstigste Form für Matrizen ist rechteckig. Normalerweise werden die Wafer mit einer Säge oder einem Ritz in geraden Linien geschnitten. Stellen Sie sich vor, die Chips (in diesem Fall Sensoren) wären rund (eine verschwenderische und kostspielige Verwendung des Materials) oder sechseckig (effiziente Verwendung des Materials, aber die Schnitte verlaufen nicht gerade über den gesamten Wafer). ( Weitere Informationen finden Sie hier. )

B) Linsen aus hochwertigem Glas werden in der Regel mit Drehmaschinen geschliffen. (Dies ist in diesem Video zu sehen . Sehen Sie sich insbesondere die Zeit um 7:00 Uhr an. Es ist leider auf Japanisch, aber das Video ist sehr faszinierend und aufschlussreich.) Es ist einfacher, eine runde Linse zu drehen, zu schleifen und zu polieren Diese Maschinen haben keine Kanten, die sich beim Drehen des Objektivs am Werkzeug verfangen könnten. Dies stimmt auch mit der optischen Symmetrie überein, die sie bei der fertigen Linse erreichen möchten.

Linsen, die nicht rund sind, würden im Allgemeinen aus runden Linsen geschnitten, ein Schritt, der die Herstellung der Linsenanordnung verteuert. Linsen müssen nicht rund sein. Um Himmels willen, die meisten Brillen sind nicht rund! Bei der Herstellung Ihrer Brille müssen Sie beachten, dass der Linsenhersteller nicht für jede Form der Brillenfassung eine Linse vorrätig hat. Er schneidet oder schleift runde Linsen, um sie an den Rahmen anzupassen.

Wenn der Linsenhersteller seine runden Linsen hat, was würde ihn motivieren, sie in eine andere Form zu schneiden? Wie viele Leute in verschiedenen Foren dargelegt haben, bestimmt die Linsenform nicht die Bildform oder -qualität (abgesehen von Beugung durch Kanten, die gemindert werden können, und einigen Aberrationseffekten zweiter Ordnung, möglicherweise) und zum größten Teil Jeder Punkt auf der Linse kann Licht von jedem Punkt auf dem Objekt erfassen und jeden Punkt auf der Bildebene fokussieren. Ich habe bereits darauf hingewiesen, dass das Ändern der Linsenform zusätzliche Kosten verursacht. Es gibt (im Allgemeinen) keinen praktischen Grund, die Form zu ändern.

Es gibt viele Gründe, warum eine Linse rund hergestellt wird:

1. Für den Hersteller ist es einfacher und billiger, sphärische Objektive herzustellen und einfacher zu kalibrieren, wenn Sie verschiedene Objektive kombinieren, um ein einzigartiges Merkmal zu erzielen, z. B. Makro, Tele usw.

2. Für den allgemeinen Benutzer werden die meisten von uns definitiv zustimmen, dass es bequemer ist, eine kreisförmige Linse zu drehen als eine rechteckige. In Kameraobjektiven, insbesondere Zoomobjektiven, müssen einige Elemente hauptsächlich durch Drehen angepasst werden (billigere Objektive), während Sie fokussieren oder zoomen. Das Drehen einer unrunden Linse ist schwierig, wenn Sie gleichzeitig die Ausrichtung der Aberrationen und Beugungsspitzen steuern möchten.

3. Der Versuch, etwas Flaches zu krümmen, ist schwieriger als eine Krümmung von etwas Rundem.

4. Für die Weitwinkelobjektive hat es eine sphärische Form, um eine bessere und breitere Perspektive zu bieten.

5. Um auf Licht mit unterschiedlicher Entfernung zu fokussieren, ist eine kreisförmige Linse erforderlich, da alle Lichtpunkte auf den gleichen allgemeinen Bereich fokussiert werden müssen.

6. Um Bilder mit maximaler Auflösung (Schärfe) zu erzeugen, muss die Linsenoberfläche sehr genau sein, damit die Linse die volle Auflösung liefert - kleine Bruchteile einer Lichtwellenlänge. Die Schleif- und Polierprozesse gewährleisten nur die Herstellung von Linsen mit der gewünschten Genauigkeit für kreisförmige Linsen. Es ist extrem schwierig, aber nicht unmöglich, diese Genauigkeit für andere Formen zu erreichen.

7. Die wünschenswertesten Eigenschaften einer Linse sind ihre Fähigkeit, scharfe Bilder ohne Artefakte zu erzeugen, und ihre Lichtsammelkraft, insbesondere bei schwachem Licht. Beide Eigenschaften werden durch runde Linsen maximiert. Nur jemand, der die Optik-Theorie überhaupt nicht kennt, würde versuchen, eine andere Form zu entwerfen.

Ein weiterer Grund: Die Lichtsammelfähigkeit wird weitgehend von der Fläche bestimmt, wohingegen ein Teil der optischen Qualität bei maximaler Abmessung nachlässt (oder eine Korrektur auf dasselbe Niveau teurer ist). Ein Kreis minimiert die maximale Abmessung für einen bestimmten Bereich.

Trotzdem sind Fertigungsprobleme der ausschlaggebende Grund. Glücklicherweise ist eine runde Linse sowieso das, was Sie aus anderen Gründen wollen.

Ein lustiger Punkt ist, dass die Form der Blende (also der Linse) die scheinbare Form einer unscharfen Lichtquelle (oft als "Bokeh" bezeichnet) beeinflusst. Sie können dies anhand der benutzerdefinierten Bokeh-Bilder sehen ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Nun, Linsen sind nicht immer "rund". Das hat aber nichts mit Fotografie zu tun. Hier sind einige Beispiele:

1. Zylinderlinsen sind sehr nützlich für einige Anwendungen von 1-D-Kameras und für die Korrektur von Strahlastigmatismus sowie für die Strahlformung.

2. Fresnellinsen sind in vielen Formen erhältlich und werden zum Fokussieren von Licht mit Drehungen verwendet. Siehe zum Beispiel: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

Es gibt noch mehrere esoterische Arten von Linsen ( Lenslet-Arrays , kinoforme Linsen usw.). Was jedoch zu beachten ist, ist, dass eine Linse zum Biegen von Licht verwendet wird, und es gibt viele Möglichkeiten, dies unter Verwendung der "diffraktiven" Optik oder traditionelles glasähnliches Material. Der Grund für das Design sind normalerweise die Funktionalität und die Produktionskosten.

Angenommen, Sie verwenden eine rechteckige Linse anstelle einer zylindrischen. Als erstes wird die Form der Linse nicht Sache überhauptes sei denn, Sie haben die Blende ganz offen; Bei einer langsameren Einstellung ist die annähernd kreisförmige Form des Diaphragmas der bestimmende Faktor. Unter der Annahme, dass Sie die Blende vollständig geöffnet haben, ist der Haupteffekt wie folgt. Sie haben eine bestimmte Schärfentiefe. Wenn sich der Objektpunkt A in der richtigen Entfernung befindet, um ein punktförmiges Bild zu erzeugen, ist dieser Punkt immer noch ein Punkt, unabhängig von der rechteckigen Form der Linse. Wenn sich der Objektpunkt B jedoch in einer anderen Entfernung befindet, erhalten wir eine Unschärfe als das Bild dieses Punkts. Die Unschärfe tritt auf, weil es ein Bündel von Lichtstrahlen gibt und das Bündel eine begrenzte Größe hat, wo es den Film oder den Chip schneidet. Da die Linse rechteckig ist, ist dieses Bündel pyramidenförmig, und die Unschärfe ist eher eine rechteckige als die übliche kreisförmige Unschärfe. Angenommen, Sie fotografieren jemanden. ' s Gesicht mit einem Sternenhimmel im Hintergrund. Sie konzentrieren sich auf das Gesicht. Die Sterne erscheinen als kleine unscharfe Rechtecke.

Bei sehr hohen Vergrößerungen (möglicherweise mit einem sehr langen Objektiv, das eigentlich ein kleines Teleskop ist) ist es möglich, dass Sie auch Beugungsmuster sehen. Angenommen, im Beispiel des Gesichts mit dem sternenklaren Hintergrund wird der Fokus auf unendlich geändert und das Gesicht unscharf gestellt. Die Wellenoptik würde jetzt vorhersagen, dass (ohne Aberrationen) das Beugungsmuster für einen Stern ein zentraler Rand (Ordnung 0) ist, der von einem Ring (Rand erster Ordnung) umgeben ist, wenn Sie eine kreisförmige Apertur, aber eine rechteckige Apertur verwenden würde ein anderes Muster ergeben (eher wie ein rechteckiges Gitter von Rändern). In der Praxis glaube ich nicht, dass eine Kamera jemals beugungsbegrenzt sein würde, wenn die Blende ganz offen wäre. Die Beugung nimmt mit zunehmender Apertur ab, während die strahloptischen Aberrationen zunehmen.

Linsen wurden immer gerundet hergestellt, weil sie am besten zum Herstellungsprozess passen. Sie quadratisch zu machen, würde im Nachhinein zumindest ein sehr präzises Schneiden erfordern, was sie viel teurer machen würde. (Jedoch werden quadratische Linsen für einige spezielle Zwecke hergestellt.)

Sie könnten sich fragen, warum der Sensor eher quadratisch als rund ist?

Die Antwort darauf ist, dass unsere Bildschirme, Filme und letztendlich unser Fotopapier eine quadratische Form haben. Wir brauchen keinen runden Sensor, wenn wir quadratische Fotos brauchen!

Sicher ist der Punkt

1. Um den gleichen Vorgang auf Licht anzuwenden, das in einer beliebigen Ausrichtung einfällt, benötigen Sie eine kreissymmetrische Form, um die räumlichen Verhältnisse zwischen verschiedenen Punkten auf dem eingehenden Bild nicht zu verzerren

2. Linsen zielen im Allgemeinen darauf ab, das auf ihrer Oberfläche auftreffende Licht auf einen einzelnen Punkt zu konzentrieren. Dieser Punkt liegt "etwas hinter" dem CMOS-Sensor in einer Kamera, aber es ist das gleiche Prinzip, und die Physik schreibt vor, dass dies durch eine Linsenquerschnittsform erreicht wird. Wenn Sie es in allen Ausrichtungen wiederholen, drehen Sie sich und erhalten eine flache Kuppelform, wie eine Linse

3. Es ist ein ähnlicher Grund, warum Satellitenschüsseln gewölbt und nicht kastenförmig sind

aber es ist definitiv nicht, weil es einfacher herzustellen ist. Regentropfen und Glaskugeln haben eine Linsenwirkung. Windows nicht. Würfel und Schachteln aus lichtbrechendem Material haben diesen Effekt einfach nicht.

Linsen müssen nicht rund sein. Sehen Sie sich die verschiedenen Formen an, in denen Brillengestelle angezeigt werden.

Bei all diesen Linsen handelt es sich jedoch um Schnitte aus einer Stammlinse mit sphärischen Oberflächen (wobei für einen Moment Linsen ignoriert werden, die den Astigmatismus korrigieren).

Und da ist im Grunde die Antwort. Jede Art von Assymetrie würde Ihrem Fotoapparat Astigmatismus verleihen: Die Unfähigkeit, einen Punkt gleichzeitig vertikal und horizontal in den Fokus zu bringen.

Eine Linse muss einen gleichmäßigen Fokus entlang einer Rotationsachse bieten. Wenn zwei parallele Lichtstrahlen mit einem Abstand von 1 cm horizontal auf das Objektiv treffen, müssen sie im gleichen Abstand wie zwei parallele Lichtstrahlen mit einem Abstand von 1 cm vertikal fokussiert werden.

Abgesehen davon, dass ein rechtwinkliges Bokkeh erzeugt wird, würde ein rechteckiges Objektiv auch die Vignettierung des Objektivs verschlechtern und neben anderen negativen optischen Aberrationseffekten eine asymmetrische Auflösung über den Bildbereich erzeugen. Das Licht, das auf einen bestimmten Punkt des Sensors trifft, stammt von einem breiten Glasstreifen - das Licht, das auf eine Ecke des Sensors trifft, wandert nicht ausschließlich durch den entsprechenden Eckbereich der Linsenelemente auf dem Weg zum Sensor ( es sei denn, Sie wählen konsequent eine so kleine Blende, dass die Beugung selbst die Bildqualität erheblich verschlechtert. Die Objektivhersteller bemühen sich sehr, dass alles symmetrisch ist, um die Bildqualität zu gewährleisten, einschließlich der Blende. Objektive mit geringer Qualität haben möglicherweise einige Blendenlamellen mit flachen Kanten, wodurch eine sehr eckige Fünfeck- oder Sechseckblende entsteht. Dies kann sich messbar negativ auf das MTF-Diagramm eines Objektivs auswirken (ein Maß für das Auflösungsvermögen eines Objektivs), selbst in der Bildmitte. Wenn Sie sich für hochwertige Objektive entscheiden, werden Sie eine viel symmetrischere runde Blendenöffnung vorfinden ... Die Blendenöffnungen der von Canon & Nikon angebotenen High-End-Mehrtausend-Dollar-Objektive haben sehr runde Blenden auf das Glas und Sie werden das Bild noch viel mehr verschlechtern. Die wirklich hochwertigen (5-stelligen) Objektive in der Kinematographie haben eine runde Form. Linsenelemente. Dies ist alles für die Bildqualität im gesamten Bildbereich von der Mitte bis zur Ecke. Unabhängig davon, ob der Sensor quadratisch, rechteckig, rund oder sogar stern- oder sichelförmig ist, die Linse - zumindest eine wirklich gute - wäre weiterhin symmetrisch (auch bekannt als kreisförmig). Ja,

Ohne eine vollständige Erklärung der Quantenelektrodynamik ist es schwierig zu erklären , aber das gesamte Licht, das den Sensor erreicht, "geht" durch die gesamte Linse, zumindest in gewissem Sinne, selbst wenn es sich nur um ein einzelnes Photon handelt. Ein Photon nimmt nicht nur einen Weg (es sei denn, Sie machen den Fehler, herauszufinden, welchen Weg es genommen hat), sondern alle möglichen Wege . Seltsam, aber wahr.

Das bedeutet, dass das Entfernen von Glas von einer runden Linse zur Herstellung eines kleineren Rechtecks ​​nicht das Entfernen von "zusätzlichem" Glas bedeutet, das nicht verwendet wird, sondern das Entfernen von Glas, das für die Bildgebung (und die Lichtsammlung) verwendet wird. Aus dem gleichen Grund würde das Hinzufügen von zusätzlichem Glas, um die Linse aus rein kosmetischen Gründen rechteckig zu machen, nicht nur viel zusätzlichen Aufwand bedeuten, sondern "zusätzliches" Glas würde jetzt auch zur Verteilung der Abbildungswahrscheinlichkeit beitragen, so dass es ebenso genau sein müsste gemacht und so gut korrigiert wie die runde Linse, die Sie ausfahren. Wie ich hier erklärt habe: Je größer (schneller) Sie ein Objektiv herstellen, desto mehr Korrekturen sind erforderlich, desto mehr Genauigkeit ist erforderlich, und desto höher wird der Preis.

Davon abgesehen würde das Bokeh (die Art der unscharfen Bereiche, insbesondere die Highlights) wirklich sehr, sehr schlecht aussehen.

Hier geht es um die umstrittene Idee, dass alle Teile der Bildfront für jedes Pixel Strahlen sammeln.

Diffuse Oberflächen senden Strahlen in jede Richtung, so ziemlich unendlich viele Strahlen in dem kleinen Bogen, der auf die Linse trifft. Diese unendlichen Strahlen müssen von einer Punktquelle auf ein einzelnes Pixel gerichtet werden. Dies ist schwer zu tun, weshalb scharfe Linsen schwer zu finden sind. Dies ist eine andere Geschichte.

Ich habe 3 Bilder weit offen aufgenommen und dann die unbenutzten Teile mit einem ausgeschnittenen Papierrechteck abgedeckt und weitere 3 aufgenommen. Dabei habe ich festgestellt, dass der mittlere Teil 15% dunkler war, als ich den unbenutzten Teil abgedeckt habe. Das obere Bild ist das unbedeckte und das untere das abgedeckte Bild. Wie Sie sehen, wird die Abdeckung im Rahmen nicht angezeigt. Dadurch wird das Bild nur um 15% dunkler:

Es lässt sich am einfachsten Modell der geometrischen Optik erklären. Auf dem Objekt tritt eine diffuse Reflexion auf , die als mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Helligkeit in alle Richtungen dargestellt werden kann. Ein größerer Linsendurchmesser (anstelle einer kleineren geraden Form) kann zu einem helleren Bild führen.

F: "Warum haben Linsen eine runde Form, obwohl der Bildsensor keine hat? Warum können sie nicht quadratisch sein oder etwas, das der Form des Bildsensors entspricht?"

A: Linsen und andere runde Objekte sind rund, weil sie sich leichter drehen lassen (ja, ich kenne das "Square Wheel Video" von Mythbusters). Eine runde Linse ist leichter präzise zu schleifen als eine quadratische Linse (wie eine anamorphotische Linse). Es gibt eine Dimension weniger, um die man sich Gedanken machen muss (Erstellen oder Ausrichten), oder bei einem perfekt quadratischen Objektiv hat es einen größeren Bildkreis.

Eine billige Linse kann durch Spritzgießen in Massenproduktion mit einer Genauigkeit hergestellt werden, die für eine billige Linse ausreicht, sodass Linsen leicht jede Form von lang bis rund haben können.

Teures Glas ist genau das, teuer. Einige Kameras, die zur Erfassung von Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums verwendet werden, haben Objektive aus exotischen Materialien, nicht aus Glas, und sind schwierig zu handhaben. Weniger Arbeit ohne Qualitätsverlust spart Geld.

Die meisten Sensoren (heutzutage) sind rechteckig (16: 9), weil das menschliche Sehen von einer Seite zur anderen (den Horizont abtastend) und nicht von oben nach unten (früher hatte man nach oben wenig zu sehen und war unter Ihnen nie weit weg) unser Gehirn hat sich so entwickelt) - die Größe 16: 9 wurde als Standard gewählt, weil es ein bevorzugtes Breitbildformat gibt (ich weiß, dass es großartige Filme gibt, die breiter als 16: 9 sind und normalerweise wurden anamorphotische Objektive verwendet).

Neben den einfachen und kostengünstigen Überlegungen zu runden Objektiven haben wir den Square Sensor. Sensoren haben flache Kanten und sind nicht rund, da sie leichter gerade geschnitten werden können (und Sensoren sind nicht wie Linsen poliert).

Sensoren sind quadratisch, weil sie das Beste aus dem runden Wafer machen, aus dem sie bestehen. Waffeln sind rund, weil sie aus einem Barren geschnitten werden. Barren sind röhrenförmig, weil sie so wachsen.

Damit alles so wenig wie möglich kostet, sind die Objektive rund und die Sensoren quadratisch (wie die einzelnen riesigen Sensoren im Weltraum, ein Sensor pro Wafer mit abgebildeten toten Pixeln; genau wie in den Anfängen von LCD-Bildschirmen).

ABER es ist nicht schwierig, rechteckige Sensoren (16: 9) zu schneiden, vorausgesetzt, Sie möchten Ihren schönen hochauflösenden, großen Pixel-Sensor in kleine Stücke schneiden (weil die Leute nicht mehr als 100.000 US-Dollar für einen Sensor zahlen möchten) es sei denn, sie sind die Regierung).

Daher schneiden sie die meisten Sensoren in eine 16: 9-Form mit einer kleineren Anzahl von 4: 3 (weil diese Kameras teure Objektive haben), und die Menschen im 16: 9-Format leben mit einem winzigen bisschen Vignettierung (gelegentlich viel) und verschwenden a Teil des vergleichsweise preiswerten Glases, um ästhetisch ansprechende geformte Bilder zu erhalten (nur ein Quadrat oder ein Sonderling möchte einen Sensor, der außerhalb des sichtbaren Spektrums arbeitet oder ein quadratisches Bild oder eine Matrix von Datenpunkten erzeugt).

Das 16: 9-Format ist lediglich eine Erweiterung des 3: 2-Seitenverhältnisses von 35-mm-Filmen, aus dem die moderne Fotografie hervorging, andere Formate kamen und gingen oder wurden nie populär, auch wenn sie "besser" waren (in einigen Fällen jedoch möglicherweise unerschwinglich) der größten Formate).

Grundsätzlich gilt: Herkunft, Kosten, Qualität. Manchmal spielte auch der gesunde Menschenverstand eine Rolle.

Siehe auch: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size