¿Por qué las lentes siempre tienen forma redonda?

¿Por qué las lentes tienen forma redonda aunque el sensor de imagen no lo es? ¿Por qué no pueden ser cuadrados o algo que coincida con la forma del sensor de imagen?

Los sensores son rectangulares por tradición, basados ​​en la forma históricamente tradicional de los medios de imagen.

Pero también existe una decisión tecnológica / comercial que los impulsa a ser rectangulares. Los sensores son rectangulares porque están hechos con técnicas de fabricación de semiconductores. Estas técnicas requieren "imprimir" circuitos de sensores múltiples en una oblea de silicio. Hoy en día, estas obleas pueden tener un diámetro de 300 mm y los fabricantes se están moviendo hacia un diámetro de 450 mm ( ver aquí ). Se pueden imprimir muchos sensores en obleas tan grandes.

Los sensores se colocan en mosaico sobre la oblea para utilizar eficientemente el espacio disponible y de una manera que los hace fáciles de cortar en "troqueles" (o los sensores individuales, en este caso). El proceso se llama cortar en cubitos. La forma más rentable para troqueles es rectangular. Por lo general, se usa una sierra o un escriba para cortar las obleas en línea recta. Imagine si se suponía que los troqueles (sensores en este caso) eran redondos (un uso costoso y derrochador del material) o hexagonales (uso eficiente del material pero los cortes no son rectos en toda la oblea). ( Ver aquí para más información ) .

B) Las lentes hechas de vidrio de alta calidad generalmente se muelen con tornos. (Esto se puede ver en este video . Mire alrededor de las 7:00 minutos en particular. Lo siento, está en japonés, pero el video es muy fascinante y revelador). Es más fácil girar, pulir y pulir una lente redonda en estas máquinas porque no hay bordes para atrapar las herramientas a medida que la lente gira. También es consistente con la simetría óptica que están tratando de lograr en la lente terminada.

Las lentes que no son redondas generalmente se cortan de lentes redondas, un paso que agrega costos a la producción del conjunto de lentes. Las lentes no necesitan ser redondas. ¡Por el amor de Dios, la mayoría de las gafas no son redondas! Cuando se fabrican sus anteojos, debe tener en cuenta que el fabricante de lentes no está abasteciendo un lente para cada forma de marco de anteojos. Está cortando o esmerilando lentes redondas para ajustarse al marco.

Una vez que el fabricante de lentes tiene sus lentes redondos, ¿qué lo motivaría a cortarlo en una forma diferente? Como muchas personas han señalado en varios foros, la forma de la lente no determina la forma o calidad de la imagen (aparte de la difracción causada por los bordes, que pueden mitigarse, y algunos efectos de aberración de segundo orden, tal vez), y en su mayor parte, Cada punto de la lente puede recoger la luz de cada punto del objeto y enfocar cada punto en el plano de la imagen. Ya he señalado que cambiar la forma de la lente aumenta el costo. Realmente no hay ninguna razón práctica (generalmente) para cambiar la forma.

Hay muchas razones por las que se produce una lente redonda:

1. Desde el punto de vista del fabricante, es más fácil y económico fabricar lentes esféricos y más fácil de calibrar cuando combina diferentes lentes para lograr una característica única, por ejemplo, macro, teleobjetivo, etc.

2. Para los usuarios generales, la mayoría de nosotros definitivamente aceptaremos decir que es más conveniente rotar la lente circular que la rectangular. Dentro de las lentes de la cámara, especialmente las lentes con zoom, algunos elementos deben ajustarse principalmente girando (lentes más baratos) a medida que los enfoca o hace zoom. Girar una lente no circular será complicado si también está tratando de controlar la orientación de las aberraciones y los picos de difracción al mismo tiempo.

3. Intentar curvar algo plano es más difícil que hacer una curva de algo redondo.

4. Para las lentes gran angular, tiene forma esférica para dar una perspectiva mejor y más amplia.

5. Para enfocar la luz con una distancia variable, se requiere una lente circular, ya que todos los puntos de luz deben enfocarse en la misma área general.

6. Para producir imágenes que alcancen la máxima resolución (nitidez), la superficie de la lente debe tener una precisión de muy alta precisión para que la lente entregue una resolución completa: pequeñas fracciones de una longitud de onda de luz. Los procesos de pulido y pulido solo garantizan la producción de lentes con la precisión deseada para lentes circulares; Es extremadamente difícil, aunque no imposible, lograr esta precisión para otras formas.

7. Las propiedades más deseables de una lente son su capacidad para formar imágenes nítidas sin artefactos y el poder de captación de luz, especialmente con poca luz. Ambas propiedades son maximizadas por lentes circulares; solo alguien absolutamente ignorante de la teoría óptica intentaría diseñar cualquier otra forma.

Una razón más: la capacidad de recolección de luz depende en gran medida del área, mientras que parte de la calidad óptica disminuye (o es más costoso corregirla al mismo nivel) con la dimensión máxima. Un círculo minimiza la dimensión máxima para un área en particular.

A pesar de eso, las preocupaciones de fabricación son la razón principal. Afortunadamente, una lente circular es lo que quieres por otras razones de todos modos.

Un punto curioso es que la forma de la abertura (por lo tanto, de la lente) afecta la forma aparente de una fuente de luz fuera de foco (a menudo llamada "bokeh"). Puedes ver eso mirando las imágenes de bokeh personalizadas ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Bueno, las lentes no siempre tienen forma "redonda". Sin embargo, eso no tiene nada que ver con la fotografía. Aquí hay unos ejemplos:

1. Las lentes cilíndricas son muy útiles para algunas aplicaciones de cámaras 1-D y corrección del astigmatismo del haz, así como para la conformación del haz.

2. Las lentes Fresnel pueden tener muchas formas y se usan para enfocar la luz con giro. ver por ejemplo: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

hay varios tipos de lentes más esotéricos, ( matrices microlentilla , lentes de Kinoform , etc ..) Pero lo que es importante recordar es que una lente se utiliza para desviar la luz, y hay muchas maneras de hacer que el uso de la óptica "de difracción o" vidrio tradicional como material. La razón del diseño suele ser la funcionalidad y el costo de producción.

Digamos que usa una lente rectangular en lugar de una cilíndrica. En primer lugar, la forma de la lente no importará en absoluto.a menos que tenga la abertura completamente abierta; En cualquier configuración más lenta, la forma aproximadamente circular del diaframa será el factor determinante. Suponiendo que tiene la apertura completamente abierta, el efecto principal será el siguiente. Tendrás una cierta profundidad de campo. Si el punto de objeto A está a la distancia correcta para producir una imagen similar a un punto, entonces este punto sigue siendo un punto independientemente de la forma rectangular de la lente. Sin embargo, si el punto B del objeto está a otra distancia, obtenemos un desenfoque como imagen de ese punto. El desenfoque se produce porque hay un haz de rayos de luz y el haz tiene un tamaño finito donde se cruza con la película o el chip. Dado que la lente es rectangular, este paquete es piramidal, y el desenfoque será un desenfoque rectangular en lugar del circular habitual. Por ejemplo, digamos que estás fotografiando a alguien ' s cara con un cielo estrellado en el fondo. Te enfocas en la cara. Las estrellas aparecerán como pequeños rectángulos difusos.

A aumentos muy altos (tal vez con una lente muy larga que es efectivamente un telescopio pequeño), es posible que también vea patrones de difracción. En el ejemplo de la cara con el fondo estrellado, supongamos que cambiamos el enfoque al infinito, desenfocando la cara. La óptica de onda ahora predeciría que (en ausencia de aberraciones), el patrón de difracción para una estrella sería una franja central (orden 0) rodeada por un anillo (franja de primer orden) si usara una abertura circular, pero una abertura rectangular daría un patrón diferente (más como una cuadrícula rectangular de flecos). En la práctica, no creo que una cámara esté limitada por la difracción con la apertura completamente abierta. La difracción disminuye a medida que la apertura se ensancha, mientras que las aberraciones ópticas de rayos aumentan,

Las lentes siempre se producían de forma redondeada porque se ajustaba mejor al proceso de fabricación. Hacerlos cuadrados implicaría al menos un corte muy preciso después, por lo que los haría mucho más caros. (Sin embargo, se fabrican lentes cuadradas para algunos fines especiales)

¿Podría preguntar por qué el sensor es cuadrado en lugar de redondo?

La respuesta a eso es que nuestras pantallas, películas y, al final, nuestro papel fotográfico tienen forma cuadrada. ¡No necesitamos sensores redondos si necesitamos fotos cuadradas!

Seguramente el punto es

1. para aplicar la misma 'operación' a la luz que entra en cualquier orientación, necesita una forma simétrica circular para no distorsionar las relaciones espaciales entre los diferentes puntos de la imagen entrante

2. Las lentes generalmente apuntan a concentrar la luz que cae sobre su superficie hacia un solo punto. Ese punto está "ligeramente detrás" del sensor CMOS en una cámara, pero es el mismo principio, y la física dicta que una forma de lente transversal logra eso. Cuando lo repites en todas las orientaciones, giras y obtienes una forma de cúpula plana, como una lente

3. Es una razón similar a por qué las antenas parabólicas son abovedadas y no en forma de caja.

pero definitivamente no es porque sea más fácil de fabricar. Las gotas de lluvia y las bolas de cristal tienen un efecto de lente. Windows no. Los cubos y cajas de material refractivo simplemente no tienen ese efecto.

Las lentes no tienen que ser redondas. Mire la variedad de formas en que aparecen los marcos de anteojos.

Sin embargo, todas esas lentes son una sección cortada de una lente estándar que tiene superficies esféricas (ignorando, por un momento, las lentes que corrigen el astigmatismo).

Y básicamente está la respuesta. Cualquier tipo de asimetría le daría astigmatismo a la cámara: la incapacidad de enfocar un punto vertical y horizontalmente al mismo tiempo.

Una lente debe proporcionar un enfoque constante a lo largo de cualquier eje de rotación. Si dos haces de luz paralelos que están separados un cm horizontalmente golpean la lente, deben enfocar a la misma distancia que dos haces paralelos que están separados verticalmente un cm.

Además de crear Bokkeh realmente extraño, una lente rectangular también empeoraría el viñeteado de la lente y crearía una resolución asimétrica sobre el área de la imagen, entre otros efectos negativos de aberración óptica. La luz que está llegando a un punto particular del sensor proviene de una amplia franja de vidrio: la luz que está llegando a una esquina del sensor no viajó exclusivamente a través del área de la esquina correspondiente de los elementos de la lente en su camino hacia el sensor ( a menos que elija constantemente una apertura tan pequeña que la difracción en sí misma esté degradando sustancialmente la calidad de la imagen). Los fabricantes de lentes hacen todo lo posible para garantizar que todo sea simétrico para la calidad de imagen, incluso el diafragma. Las lentes de baja calidad pueden tener algunas hojas de apertura con bordes planos que forman un pentágono muy angular o un iris hexagonal ... esto puede tener un efecto negativo medible en el gráfico MTF de una lente (una medida de la capacidad de resolución de una lente) incluso en el centro de la imagen. Cambie a lentes de mejor calidad y encontrará una apertura de diafragma mucho más simétricamente redonda ... las aberturas en esos lentes multimillonarios de gama alta que Canon y Nikon sacaron tienen diafragmas muy redondos, esa es solo la apertura ... haga eso al cristal y degradarás la imagen mucho más. Las lentes verdaderamente de gama alta ($ 5 dígitos) en cinematografía tienen circular. Elementos de lente. Esto es todo por la calidad de la imagen en toda el área de la imagen desde el centro hasta la esquina. Independientemente de si el sensor es cuadrado, rectangular, redondo o incluso en forma de estrella o de media luna, la lente, al menos realmente buena, continuaría siendo simétrica (también conocida como circular). Si,

Es difícil de explicar sin lanzar una explicación completa de la electrodinámica cuántica , pero toda la luz que llega al sensor "atraviesa" toda la lente, al menos en cierto sentido, incluso si solo estamos hablando de un solo fotón. Un fotón no toma solo una ruta (a menos que cometa el error de tratar de averiguar qué ruta tomó), toma todas las rutas posibles . Extraño, pero cierto.

Eso significa que quitar el vidrio de una lente redonda para hacer un rectángulo más pequeño no está quitando el vidrio "extra" que no se está usando, en realidad estaría quitando el vidrio que se usa para las imágenes (y la recolección de luz). Del mismo modo, agregar vidrio adicional para hacer que la lente sea rectangular por razones puramente estéticas no solo implicaría un gasto adicional, sino que el vidrio "adicional" ahora también contribuiría a la distribución de probabilidad de imagen, por lo que debería ser tan preciso hecho y tan bien corregido como la lente circular que está extendiendo. Como he explicado aquí , cuanto más grande (más rápido) haga una lente, más corrección se necesita, más precisión se requiere y más aumentará el precio.

Sin embargo, aparte de eso, el bokeh (la naturaleza de las áreas fuera de foco, particularmente los aspectos más destacados) se vería muy, muy mal.

Se trata de la controvertida idea de que todas las partes del frente de la imagen recogerán rayos por cada píxel.

Las superficies difusas envían rayos en todas las direcciones, casi infinitos dentro del pequeño arco que golpea la lente. Estos rayos infinitos deben dirigirse desde una fuente puntual a un solo píxel. Esto es difícil de hacer, por eso es difícil encontrar lentes afilados. Esta es otra historia.

Disparé 3 imágenes de par en par y luego cubrí las partes no utilizadas con un rectángulo de papel cortado y tomé 3 más, y vi que la parte central era un 15% más oscura cuando cubrí la parte no utilizada. la imagen superior es la que está descubierta y la que está debajo es la que está cubierta, y como ves que la cubierta no se ve en el marco, solo hace que la imagen sea un 15% más oscura:

Se puede explicar en el modelo más simple de óptica geométrica. En el objeto se produce una reflexión difusa que puede representarse como varios rayos de luz de diferente brillo en todas las direcciones. Un diámetro de lente más grande (en lugar de una forma rectangular más pequeña) puede dar como resultado una imagen más brillante.

P: "¿Por qué las lentes tienen forma redonda aunque el sensor de imagen no lo es? ¿Por qué no pueden ser cuadradas o algo que coincida con la forma del sensor de imagen?".

R: Las lentes y otros objetos redondos son redondos porque es más fácil rotarlos (sí, conozco el "Video de la rueda cuadrada" de Mythbusters). Una lente redonda es más fácil de pulir con precisión en comparación con una lente cuadrada (como una anamórfica). Tiene una dimensión menos de la que preocuparse (crear o alinear) o, en el caso de una lente perfectamente cuadrada, tiene un círculo de imagen más grande.

Una lente barata puede ser producida en masa por moldeo por inyección con suficiente precisión como para ser una lente barata, por lo tanto, las lentes pueden tener cualquier forma de largo a redondo.

El vidrio caro es solo eso, caro. Algunas cámaras utilizadas para capturar luz fuera del espectro visible tienen lentes hechas de materiales exóticos, no de vidrio, y son difíciles de trabajar. Menos trabajo sin pérdida de calidad ahorra dinero.

La mayoría de los sensores (hoy) son rectangulares (16: 9) porque la visión humana 'funciona' de lado a lado (escaneando el horizonte) y no hacia arriba y hacia abajo (solía ser que hacia arriba tenía poco que ver y debajo de ti nunca estaba muy lejos, así que nuestros cerebros se desarrollaron de esa manera): el tamaño 16: 9 se eligió como Estándar porque brinda un 'formato de pantalla ancha' preferido (sé que hay excelentes películas que son más anchas que 16: 9 y generalmente se usaron lentes anamórficas).

Junto con las consideraciones de facilidad y costo de las lentes redondas, tenemos el sensor cuadrado. Los sensores tienen bordes planos y no son redondos porque es más fácil cortarlos rectos (y los sensores no están pulidos como las lentes).

Los sensores son cuadrados porque aprovechan al máximo la oblea redonda de la que están hechos. Las obleas son redondas porque están cortadas de un lingote. Los lingotes son tubulares porque así es como crecen.

Entonces, para que todo cueste lo menos posible, las lentes son redondas y los sensores son cuadrados (como los enormes sensores individuales utilizados en el espacio, un sensor por oblea con píxeles muertos asignados; al igual que los primeros días de las pantallas LCD).

PERO no es difícil cortar sensores rectangulares (16: 9) suponiendo que quiera cortar su encantador sensor de alta resolución y píxeles grandes en pedazos pequeños (porque la gente no quiere pagar más de $ 100K por un sensor a menos que sean el gobierno).

Entonces cortan la mayoría de los sensores a una forma de 16: 9 con un número menor cortado a 4: 3 (porque esas cámaras tienen lentes caras) y las personas con formato 16: 9 viven con un poco de viñeteado (ocasionalmente mucho) y desperdician un porción del vidrio de costo relativamente bajo para obtener imágenes con formas estéticamente agradables (solo un cuadrado o un nerd quiere un sensor que funcione fuera del espectro visible o produzca una imagen cuadrada o una matriz de puntos de datos).

El formato 16: 9 es simplemente una ampliación de la relación de aspecto 3: 2 de la película de 35 mm a partir de la cual se desarrolló la fotografía moderna, otros formatos iban y venían o nunca ganaron popularidad, incluso si eran 'mejores' (pero posiblemente costos prohibitivos en algunos de los formatos más grandes).

Básicamente: linaje, costo, calidad. A veces el sentido común también jugó un papel.

Ver también: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size