Warum sind Brillengläser immer rund?

Sensoren sind traditionell rechteckig, basierend auf der historisch traditionellen Form von Bildmedien.

Aber es gibt auch eine Technologie-/Geschäftsentscheidung, die sie dazu bringt, rechteckig zu sein. Sensoren sind rechteckig, weil sie unter Verwendung von Halbleiterherstellungstechniken hergestellt werden. Diese Techniken erfordern das „Drucken“ mehrerer Sensorschaltkreise 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 große Wafer lassen sich viele Sensoren drucken.

Sensoren werden auf dem Wafer gekachelt, um den verfügbaren Platz effizient zu nutzen und so, dass sie leicht in „Dies“ (oder in diesem Fall die einzelnen Sensoren) zerlegt werden können. Der Vorgang wird Würfeln genannt. Die kostengünstigste Form für Matrizen ist rechteckig. Üblicherweise wird eine Säge oder ein Ritz verwendet, um die Wafer in geraden Linien zu schneiden. Stellen Sie sich vor, die Dies (in diesem Fall Sensoren) sollten rund (eine verschwenderische und kostspielige Verwendung des Materials) oder sechseckig (effiziente Verwendung des Materials, aber die Schnitte verlaufen nicht gerade über den gesamten Wafer) sein. ( Weitere Informationen finden Sie hier. )

B) Linsen aus hochwertigem Glas werden in der Regel auf Drehbänken geschliffen. (Dies ist in diesem Video zu sehen . Sehen Sie sich insbesondere etwa die 7:00-Minuten-Marke an. Entschuldigung, es ist 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, weil es keine Kanten gibt, an denen sich das Werkzeug verfangen könnte, wenn sich die Linse dreht. Es stimmt auch mit der optischen Symmetrie überein, die sie in der fertigen Linse zu erreichen versuchen.

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! Wenn Ihre Brille hergestellt wird, müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass der Linsenhersteller nicht für jede Brillenfassungsform eine Linse auf Lager hat. Er schneidet oder schleift runde Gläser, damit sie in die Fassung passen.

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

Es gibt viele Gründe, warum ein Objektiv rund produziert wird:

1. Von Seiten des Herstellers ist es einfacher und billiger, sphärische Linsen herzustellen und einfacher zu kalibrieren, wenn Sie verschiedene Linsen kombinieren, um eine einzigartige Funktion zu erzielen, z. B. Makro, Tele usw.

2. Für die allgemeinen Benutzer werden die meisten von uns definitiv zustimmen, dass es bequemer ist, kreisförmige Linsen zu drehen als rechteckige. In Kameraobjektiven, insbesondere Zoomobjektiven, müssen einige Elemente hauptsächlich durch Drehen (billigere Objektive) beim Fokussieren oder Zoomen angepasst werden. Das Drehen einer nicht kreisförmigen Linse wird schwierig, wenn Sie gleichzeitig versuchen, die Ausrichtung der Aberrationen und Beugungsspitzen zu steuern.

3. Der Versuch, etwas Flaches zu krümmen, ist schwieriger, als etwas Rundes zu krümmen.

4. Bei den Weitwinkelobjektiven hat es eine sphärische Form, um eine bessere und breitere Perspektive zu bieten.

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

6. Um Bilder mit maximaler Auflösung (Schärfe) zu erzeugen, muss die Linsenoberfläche mit sehr hoher Präzision 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, wenn auch nicht unmöglich, diese Genauigkeit für andere Formen zu erreichen.

7. Die wünschenswertesten Eigenschaften eines Objektivs sind seine Fähigkeit, scharfe Bilder ohne Artefakte zu erzeugen, und seine Lichtsammelkraft, insbesondere bei schwacher Beleuchtung. Beide Eigenschaften werden durch kreisförmige Linsen maximiert; Nur jemand, der die optische Theorie absolut nicht kennt, würde versuchen, eine andere Form zu entwerfen.

Noch ein Grund: Die Lichtsammelfähigkeit wird stark von der Fläche bestimmt, während bei der maximalen Abmessung ein Teil der optischen Qualität abnimmt (bzw. teurer auf gleiches Niveau korrigiert wird). Ein Kreis minimiert die maximale Abmessung für einen bestimmten Bereich.

Trotzdem sind Herstellungsbedenken der Hauptgrund. Glücklicherweise ist eine kreisförmige Linse aus anderen Gründen sowieso das, was Sie 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 das sehen, wenn Sie sich die benutzerdefinierten Bokeh-Bilder ansehen ( 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. Zylindrische Linsen sind sehr nützlich für einige Anwendungen von 1-D-Kameras und Strahl-Astigmatismus-Korrektur sowie Strahlformung.

2. Fresnel-Linsen können viele Formen haben und werden zum Fokussieren von Licht mit Drehung verwendet. siehe zum Beispiel: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

Es gibt mehrere esoterische Arten von Linsen ( Linslet-Arrays , Kinoform-Linsen usw.). Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine Linse verwendet wird, um Licht zu beugen, und es gibt viele Möglichkeiten, dies mit "diffraktiver" Optik oder zu tun Traditionelles glasähnliches Material. Der Grund für das Design sind in der Regel Funktionalität und Produktionskosten.

Angenommen, Sie verwenden statt einer zylindrischen eine rechteckige Linse. Zunächst einmal spielt die Form der Linse überhaupt keine Rollees sei denn, Sie haben die Blende ganz offen; Bei jeder langsameren Einstellung ist die ungefähr kreisförmige Form der Membran der bestimmende Faktor. Unter der Annahme, dass Sie die Blende ganz offen haben, ist der Haupteffekt wie folgt. Sie haben eine gewisse Schärfentiefe. Wenn der Objektpunkt A den richtigen Abstand hat, um ein punktförmiges Bild zu erzeugen, dann ist dieser Punkt unabhängig von der rechteckigen Form der Linse immer noch ein Punkt. Wenn sich Objektpunkt B jedoch in einer anderen Entfernung befindet, erhalten wir eine Unschärfe als Bild dieses Punktes. Die Unschärfe tritt auf, weil es ein Bündel von Lichtstrahlen gibt und das Bündel dort, wo es den Film oder Chip schneidet, eine begrenzte Größe hat. Da die Linse rechteckig ist, ist dieses Bündel pyramidenförmig, und die Unschärfe ist eher eine rechteckige Unschärfe als die übliche kreisförmige. 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 (vielleicht mit einem sehr langen Objektiv, das effektiv ein kleines Teleskop ist) ist es möglich, dass Sie auch Beugungsmuster sehen. Nehmen Sie im Beispiel des Gesichts mit dem Sternenhintergrund an, dass wir den Fokus auf unendlich ändern und das Gesicht unscharf machen. Die Wellenoptik würde nun vorhersagen, dass (in Abwesenheit von Aberrationen) das Beugungsmuster für einen Stern ein zentraler Streifen (Ordnung 0) wäre, der von einem Ring (Streifen erster Ordnung) umgeben wäre, wenn Sie eine kreisförmige, aber eine rechteckige Öffnung verwenden würden würde ein anderes Muster ergeben (eher wie ein rechteckiges Gitter aus Fransen). In der Praxis glaube ich nicht, dass eine Kamera bei ganz offener Blende jemals beugungsbegrenzt wäre. Die Beugung nimmt mit größer werdender Blende ab, während die strahlenoptischen Aberrationen zunehmen,

Linsen wurden immer rund produziert, weil es am besten zum Herstellungsprozess passt. Um sie quadratisch zu machen, müssten sie anschließend zumindest sehr präzise geschnitten werden, was sie viel teurer machen würde. (Allerdings werden quadratische Linsen für einige spezielle Zwecke hergestellt)

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

Die Antwort darauf ist, dass unsere Leinwände, Filme und letztendlich unser Fotopapier quadratisch sind. Wir brauchen keinen runden Sensor, wenn wir quadratische Fotos brauchen!

Sicherlich ist der Punkt

1. Um die gleiche „Operation“ auf Licht anzuwenden, das in jeder Ausrichtung einfällt, benötigen Sie eine kreisförmig symmetrische Form, damit Sie die räumlichen Verhältnisse zwischen verschiedenen Punkten auf dem einfallenden Bild nicht verzerren

2. Linsen zielen im Allgemeinen darauf ab, Licht, das auf ihrer Oberfläche landet, auf einen einzigen Punkt zu konzentrieren. Dieser Punkt liegt „leicht hinter“ dem CMOS-Sensor in einer Kamera, aber es ist das gleiche Prinzip, und die Physik schreibt vor, dass eine Linsenquerschnittsform dies erreicht. Wenn Sie es in allen Ausrichtungen wiederholen, drehen Sie sich um 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 einen Linseneffekt. Windows nicht. Würfel und Kisten aus lichtbrechendem Material haben diesen Effekt einfach nicht.

Linsen müssen nicht rund sein. Schauen Sie sich die Vielfalt der Formen an, in denen Brillenfassungen erscheinen.

Alle diese Linsen sind jedoch ein Schnitt, der aus einer Standardlinse mit sphärischen Oberflächen geschnitten wurde (wobei für einen Moment Linsen ignoriert werden, die Astigmatismus korrigieren).

Und da ist im Grunde die Antwort. Jede Art von Asymmetrie würde Ihrer Kamera Astigmatismus verleihen: die Unfähigkeit, einen Punkt gleichzeitig vertikal und horizontal scharfzustellen.

Eine Linse muss entlang jeder Rotationsachse einen konsistenten Fokus liefern. Wenn zwei parallele Lichtstrahlen mit einem horizontalen Abstand von einem cm auf die Linse treffen, müssen sie im gleichen Abstand fokussieren wie zwei parallele Strahlen mit einem vertikalen Abstand von einem cm.

Es ist schwierig zu erklären, ohne in eine vollständige Erklärung der Quantenelektrodynamik einzusteigen , aber alles Licht, das den Sensor erreicht, "geht durch" die gesamte Linse, zumindest in gewissem Sinne, selbst wenn wir nur von einem einzelnen Photon sprechen. Ein Photon nimmt nicht nur einen Weg (es sei denn, Sie machen den Fehler, herauszufinden, welchen Weg es genommen hat), es nimmt alle möglichen Wege . Seltsam, aber wahr.

Das bedeutet, dass das Entfernen von Glas von einer runden Linse, um ein kleineres Rechteck zu erstellen, nicht das Entfernen von "zusätzlichem" Glas ist, das nicht verwendet wird, sondern das Entfernen von Glas, das für die Bildgebung (und 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 zusätzliche Kosten verursachen, dieses "zusätzliche" Glas würde jetzt auch zur Abbildungswahrscheinlichkeitsverteilung beitragen, also müsste es genauso genau sein hergestellt und so gut korrigiert wie die kreisförmige Linse, die Sie erweitern. Wie ich hier erklärt habe , je größer (schneller) Sie ein Objektiv herstellen, desto mehr Korrektur ist erforderlich, desto mehr Genauigkeit ist erforderlich und desto mehr steigt der Preis.

Abgesehen davon würde das Bokeh (die Art der unscharfen Bereiche, insbesondere der Spitzlichter) wirklich, wirklich schlecht aussehen.

Abgesehen davon, dass ein wirklich seltsames Bokkeh erzeugt wird, würde ein rechteckiges Objektiv neben anderen negativen optischen Aberrationseffekten auch die Vignettierung des Objektivs verschlechtern und eine asymmetrische Auflösung über den Bildbereich erzeugen. Das Licht, das auf einen bestimmten Punkt auf dem Sensor trifft, stammt von einem breiten Glasstreifen - das Licht, das auf eine Ecke des Sensors trifft, ist auf seinem Weg zum Sensor nicht ausschließlich durch den entsprechenden Eckbereich der Linsenelemente gewandert ( es sei denn, Sie wählen konsequent eine so kleine Blende, dass die Beugung selbst die Bildqualität erheblich verschlechtert). Objektivhersteller unternehmen große Anstrengungen, um sicherzustellen, dass alles für die beabsichtigte Bildqualität symmetrisch ist, sogar die Blende. Objektive von geringer Qualität haben möglicherweise einige Blendenlamellen mit flachen Kanten, die eine sehr eckige fünfeckige oder sechseckige Iris bilden ... dies kann sich sogar in der Bildmitte messbar negativ auf das MTF-Diagramm eines Objektivs (ein Maß für das Auflösungsvermögen eines Objektivs) auswirken. Wechseln Sie zu Objektiven von besserer Qualität, und Sie werden eine viel symmetrischere runde Blendenöffnung finden ... die Blenden dieser High-End-Objektive für mehrere Tausend Dollar, die Canon und Nikon herausbringen, haben sehr runde Blenden - das ist nur die Blende ... tun Sie das auf das Glas und Sie werden das Bild noch mehr verschlechtern. Die wirklich High-End ($ 5-stellig) Objektive in der Kinematographie haben kreisförmige. Linsenelemente. Dies 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 halbmondförmig ist, die Linse – zumindest eine wirklich gute – wäre weiterhin symmetrisch (auch bekannt als kreisförmig). Ja,

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

Diffuse Oberflächen senden Strahlen in alle Richtungen, ziemlich unendliche Strahlen innerhalb des kleinen Bogens, der auf die Linse trifft. Diese unendlichen Strahlen müssen von einer Punktquelle auf ein einzelnes Pixel gerichtet werden. Das ist schwierig, weshalb scharfe Objektive schwer zu finden sind. Dies ist eine andere Geschichte.

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

Es kann im einfachsten Modell der geometrischen Optik erklärt werden. Am Objekt tritt eine diffuse Reflexion auf, die sich als mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Helligkeit in alle Richtungen darstellen lässt. Ein größerer Linsendurchmesser (statt einer kleineren rechteckigen Form) kann zu einem helleren Bild führen.

F: „Warum haben Objektive eine runde Form, obwohl der Bildsensor es nicht ist? 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 lässt sich im Vergleich zu einer quadratischen Linse (wie einem Anamorphoten) leichter präzise schleifen. Sie müssen sich um eine Dimension weniger kümmern (Erstellen oder Ausrichten) oder im Fall einer perfekt quadratischen Linse einen größeren Bildkreis.

Eine billige Linse kann durch Spritzguss mit ausreichender Genauigkeit in Massenproduktion hergestellt werden, um eine billige Linse zu sein, daher können Linsen leicht jede Form von lang bis rund haben.

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

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

Zusammen mit der Einfachheit und den Kostenüberlegungen runder Linsen haben wir den quadratischen Sensor. Sensoren haben flache Kanten und sind nicht rund, weil es einfacher ist, sie gerade zu schneiden (und Sensoren sind nicht wie Linsen poliert).

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

Damit alles so wenig wie möglich kostet, sind die Linsen rund und die Sensoren quadratisch (wie die einzelnen riesigen Sensoren, die im Weltraum verwendet werden, ein Sensor pro Wafer mit toten Pixeln; genau wie in den frühen Tagen der LCD-Bildschirme).

ABER es ist nicht schwer, rechteckige Sensoren (16:9) zu schneiden, vorausgesetzt, Sie möchten Ihren schönen Sensor mit super hoher Auflösung und großen Pixeln in kleine Stücke schneiden (weil die Leute nicht mehr als 100.000 US-Dollar für einen Sensor bezahlen möchten es sei denn, sie sind die Regierung).

Also hacken sie die meisten Sensoren auf eine 16:9-Form mit einer kleineren Zahl, die auf 4:3 geschnitten wird (weil diese Kameras teure Objektive haben) und die Leute im 16:9-Format leben mit einem winzigen bisschen Vignettierung (gelegentlich viel) und verschwenden einen Teil des vergleichsweise kostengünstigen Glases, um ästhetisch ansprechend geformte Bilder zu erhalten (nur ein Quadrat oder Nerd möchte einen Sensor, der außerhalb des sichtbaren Spektrums arbeitet oder ein quadratisches Bild oder eine Matrix von Datenpunkten erzeugt).

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

Grundsätzlich: Abstammung, 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