¿Por qué las lentes siempre tienen forma redonda?

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

Pero hay una decisión tecnológica/empresarial que los impulsa a ser también rectangulares. Los sensores son rectangulares porque se fabrican utilizando técnicas de fabricación de semiconductores. Estas técnicas requieren la "impresión" de múltiples circuitos de sensores 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 de ese tamaño.

Los sensores se colocan en mosaico en la oblea para usar de manera eficiente 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 líneas rectas. Imagínese si los troqueles (sensores en este caso) fueran 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 rectifican con tornos. (Esto se puede ver en este video . Mire alrededor de la marca del minuto 7:00 en particular. Lo siento, está en japonés, pero el video es muy fascinante y revelador). Es más fácil girar, esmerilar y pulir una lente redonda en estas máquinas porque no hay bordes que se enganchen en la herramienta cuando 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 a partir de lentes redondas, un paso que agrega costo a la producción del conjunto de lentes. Las lentes no necesitan ser redondas. ¡Por el amor de Dios, la mayoría de los anteojos no son redondos! Cuando se fabriquen sus anteojos, debe tener en cuenta que el fabricante de lentes no almacena lentes para cada forma de montura de anteojos. Está cortando o puliendo lentes redondos para que encajen en la montura.

Una vez que el fabricante de lentes tiene sus lentes redondos, ¿qué lo motivaría a cortarlos en una forma diferente? Como muchas personas han señalado en varios foros, la forma de la lente no determina la forma o la calidad de la imagen (aparte de la difracción causada por los bordes, que puede 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 se combinan diferentes lentes para lograr una característica única, por ejemplo, macro, teleobjetivo, etc.

2. Para los usuarios generales, la mayoría de nosotros definitivamente estará de acuerdo en 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 girándolos (lentes más baratos) a medida que los enfoca o acerca. 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. Tratar de curvar algo plano es más difícil que hacer una curva de algo redondo.

4. Para las lentes de 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 muy alta para que la lente brinde una resolución completa: pequeñas fracciones de una longitud de onda de luz. Los procesos de esmerilado 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 en condiciones de poca luz. Ambas propiedades se maximizan con lentes circulares; solo alguien absolutamente ignorante de la teoría óptica intentaría diseñar cualquier otra forma.

Una razón más: la capacidad de captación de luz se rige en gran medida por el 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 de un área en particular.

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

Un punto divertido es que la forma de la apertura (por lo tanto, de la lente) afecta la forma aparente de una fuente de luz desenfocada (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 de astigmatismo de haz, así como para dar forma al haz.

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

hay varios tipos de lentes más esotéricos ( conjuntos de lentes , lentes kinoform , etc.) Pero lo que es importante recordar es que una lente se usa para doblar la luz, y hay muchas maneras de hacerlo usando ópticas "difractivas" o material similar al vidrio tradicional. El motivo del diseño suele ser la funcionalidad y el coste 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 apertura completamente abierta; en cualquier configuración más lenta, la forma aproximadamente circular del diafragma será el factor determinante. Suponiendo que tenga la apertura completamente abierta, el efecto principal será el siguiente. Tendrás cierta profundidad de campo. Si el punto del objeto A está a la distancia correcta para producir una imagen puntual, 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 la imagen de ese punto. La borrosidad ocurre 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, supongamos que está fotografiando a alguien. cara de s con un cielo estrellado de fondo. Te enfocas en la cara. Las estrellas aparecerán como pequeños rectángulos borrosos.

Con aumentos muy altos (quizás con una lente muy larga que en realidad es 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 foco a infinito, poniendo la cara desenfocada. La óptica de ondas ahora predeciría que (en ausencia de aberraciones), el patrón de difracción de una estrella sería una franja central (de orden 0) rodeada por un anillo (franja de primer orden) si usa una apertura circular, pero una apertura rectangular daría un patrón diferente (más como una cuadrícula rectangular de franjas). En la práctica, no creo que una cámara esté limitada por difracción con la apertura completamente abierta. La difracción disminuye a medida que la apertura se hace más amplia, mientras que las aberraciones ópticas de rayos aumentan.

Las lentes siempre se producían redondeadas porque se adaptaban 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 están produciendo lentes cuadrados 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 un sensor redondo si necesitamos fotos cuadradas!

Seguramente el punto es

1. para aplicar la misma 'operación' a la luz que ingresa en cualquier orientación, necesita una forma simétrica circular para no distorsionar las proporciones espaciales entre diferentes puntos en 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 la forma de la sección transversal de la lente lo logra. 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. Las ventanas no. Los cubos y cajas de material refractivo simplemente no tienen ese efecto.

Las lentes no tienen que ser redondas. Observe la variedad de formas en las que aparecen las monturas de los anteojos.

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

Y ahí está básicamente la respuesta. Cualquier tipo de asimetría le daría a su cámara astigmatismo: 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 por un cm horizontalmente golpean la lente, deben enfocar a la misma distancia que dos haces paralelos que están separados por un cm verticalmente.

Es difícil de explicar sin lanzarse a una explicación completa de la electrodinámica cuántica , pero toda la luz que llega al sensor "atraviesa" toda la lente, al menos en cierto sentido, aunque solo estemos hablando de un único fotón. Un fotón no toma solo un camino (a menos que cometa el error de tratar de averiguar qué camino tomó), toma todos los caminos posibles . Extraño, pero cierto.

Eso significa que quitar el vidrio de una lente redonda para hacer un rectángulo más pequeño no es quitar el vidrio "adicional" que no se está usando, en realidad sería quitar el vidrio que se usa para obtener imágenes (y recolectar luz). De la misma manera, agregar vidrio adicional para hacer que la lente sea rectangular por razones puramente estéticas no solo implicaría un gasto adicional, sino que ese vidrio "adicional" ahora también contribuiría a la distribución de probabilidad de imágenes, por lo que tendría que ser con la misma precisión. hecho y tan bien corregido como la lente circular que estás extendiendo. Como expliqué aquí , cuanto más grande (más rápido) haga una lente, más corrección se necesita, más precisión se requiere y más subirá el precio.

Sin embargo, aparte de eso, el bokeh (la naturaleza de las áreas desenfocadas, particularmente las luces altas) se vería muy, muy mal.

Además de crear Bokkeh realmente extraño, una lente rectangular también empeoraría el viñeteado de la lente y crearía una resolución asimétrica en el área de la imagen, entre otros efectos negativos de aberración óptica. La luz que incide en cualquier punto particular del sensor proviene de una amplia franja de vidrio: la luz que incide en 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 la imagen, incluso el diafragma. Los 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 aperturas en esas lentes multimillonarias de gama alta que Canon y Nikon sacaron tienen diafragmas muy redondos, esa es solo la apertura... haga eso al cristal y degradarás mucho más la imagen. Los lentes verdaderamente de alta gama ($ 5 dígitos) en cinematografía tienen lentes circulares. Elementos de la 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 media luna, la lente, al menos una muy buena, seguirá siendo simétrica (también conocida como circular). Sí,

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 rayos 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 lo que las lentes nítidas son difíciles de encontrar. Esta es otra historia.

Tomé 3 imágenes completamente abiertas 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 de arriba es la descubierta y la de abajo es la tapada y como ven la tapa no se ve en el encuadre, solo oscurece la imagen un 15%:

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 resultar en una imagen más brillante.

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

R: Las lentes y otros objetos redondos son redondos porque es más fácil girarlos (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 se puede producir en masa mediante moldeo por inyección con suficiente precisión para ser una lente barata, por lo que las lentes podrían tener fácilmente cualquier forma, desde largas hasta redondas.

Caro Glass es solo eso, caro. Algunas cámaras que se usan para capturar luz fuera del espectro visible tienen lentes hechas de materiales exóticos, no de vidrio, y es difícil trabajar con ellas. Menos trabajo sin pérdida de calidad ahorra dinero.

La mayoría de los sensores (hoy en día) son rectangulares (16:9) porque la visión humana 'funciona' de lado a lado (escaneando el horizonte) y no de arriba abajo (solía ser que arriba tenía poco que ver y debajo 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 panorámica' preferido (sé que hay excelentes películas que son más anchas que 16:9 y, por lo general, 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 se aprovecha al máximo la oblea redonda de la que están hechos. Las obleas son redondas porque se cortan de un lingote. Los lingotes son tubulares porque así es como crecen.

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

PERO no es difícil cortar sensores rectangulares (16:9), suponiendo que desee cortar su hermoso sensor de súper alta resolución y píxel grande en pequeños pedazos (porque la gente no quiere pagar más de $ 100K por un sensor salvo que sean del Gobierno).

Por lo tanto, cortan la mayoría de los sensores a una forma de 16: 9 con un número más pequeño cortado a 4: 3 (porque esas cámaras tienen lentes caros) y la gente del formato 16: 9 vive con un poco de viñeteado (ocasionalmente mucho) y desperdicia una parte del vidrio de costo comparativamente bajo para obtener imágenes con formas estéticamente agradables (solo un cuadrado o un nerd quiere un sensor que funcione fuera del espectro visible, o que 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 vinieron y se fueron o nunca ganaron popularidad, incluso si eran 'mejores' (pero posiblemente con un costo prohibitivo 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