Tại sao ống kính luôn có hình dạng tròn?

Tại sao ống kính có hình dạng tròn mặc dù cảm biến hình ảnh không có? Tại sao chúng không thể là hình vuông hoặc thứ gì đó phù hợp với hình dạng của cảm biến hình ảnh?

Các cảm biến là hình chữ nhật theo truyền thống, dựa trên hình dạng truyền thống lịch sử của phương tiện hình ảnh.

Nhưng có một quyết định về công nghệ / kinh doanh khiến họ phải có hình chữ nhật. Cảm biến là hình chữ nhật vì chúng được chế tạo bằng kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn. Những kỹ thuật này đòi hỏi cho việc in ấn nhiều mạch cảm biến trên một tấm wafer silicon. Ngày nay, các tấm wafer này có thể có đường kính 300 mm và các nhà sản xuất đang chuyển sang đường kính 450 mm ( xem tại đây ). Rất nhiều cảm biến có thể được in trên tấm wafer lớn.

Các cảm biến được lát lên wafer để sử dụng hiệu quả không gian có sẵn và theo cách giúp chúng dễ dàng tách ra thành các đường chết (hoặc các cảm biến riêng lẻ, trong trường hợp này). Quá trình này được gọi là thái hạt lựu. Hình dạng hiệu quả nhất về chi phí cho khuôn là hình chữ nhật. Thông thường một cái cưa hoặc scribe được sử dụng để cắt các tấm wafer theo đường thẳng. Hãy tưởng tượng nếu các khuôn (cảm biến trong trường hợp này) được cho là tròn (sử dụng vật liệu lãng phí và tốn kém) hoặc hình lục giác (sử dụng hiệu quả vật liệu nhưng các vết cắt không thẳng trên toàn bộ wafer). ( Xem tại đây để biết thêm. )

B) Các ống kính làm bằng thủy tinh chất lượng cao thường được sử dụng máy tiện. (Điều này có thể được nhìn thấy trong video này . Đặc biệt là xem khoảng 7:00 phút. Xin lỗi, đó là tiếng Nhật, nhưng video rất hấp dẫn và tiết lộ.) Dễ dàng hơn để quay, mài và đánh bóng một ống kính tròn trong những máy này vì không có cạnh để bắt dụng cụ khi ống kính quay xung quanh. Nó cũng phù hợp với tính đối xứng quang học mà họ đang cố gắng đạt được trong ống kính hoàn thiện.

Các ống kính không tròn thường được cắt từ các ống kính tròn, một bước làm tăng thêm chi phí cho việc sản xuất cụm ống kính. Ống kính không cần phải tròn. Vì trời, hầu hết các loại kính mắt đều không tròn! Khi kính mắt của bạn được chế tạo, bạn phải lưu ý rằng nhà sản xuất ống kính không dự trữ một ống kính cho mọi hình dạng của khung mắt kính. Anh ấy cắt hoặc mài ống kính tròn để phù hợp với khung.

Một khi nhà sản xuất ống kính có ống kính tròn của mình, điều gì sẽ thúc đẩy anh ta cắt nó thành một hình dạng khác nhau? Như nhiều người đã chỉ ra trong các diễn đàn khác nhau, hình dạng ống kính không xác định hình dạng hoặc chất lượng hình ảnh (ngoài nhiễu xạ gây ra bởi các cạnh, có thể giảm thiểu và một số hiệu ứng quang sai thứ hai, có thể), và đối với hầu hết các phần, mọi điểm trên ống kính có thể thu thập ánh sáng từ mọi điểm trên vật thể và tập trung từng điểm trên mặt phẳng hình ảnh. Tôi đã chỉ ra rằng việc thay đổi hình dạng của ống kính sẽ tăng thêm chi phí. Thực sự không có bất kỳ lý do thực tế (nói chung) để thay đổi hình dạng.

Có rất nhiều lý do tại sao một ống kính được sản xuất tròn:

1. Từ phía nhà sản xuất, việc chế tạo ống kính hình cầu sẽ dễ dàng và rẻ hơn và dễ hiệu chỉnh hơn khi bạn kết hợp các ống kính khác nhau để đạt được một tính năng độc đáo, ví dụ như macro, tele, v.v.

2. Đối với người dùng phổ thông, hầu hết chúng ta chắc chắn sẽ đồng ý nói rằng việc xoay ống kính tròn thuận tiện hơn hình chữ nhật sẽ thuận tiện hơn. Bên trong ống kính máy ảnh, đặc biệt là ống kính zoom, một số yếu tố phải điều chỉnh chủ yếu bằng cách xoay (ống kính rẻ hơn) khi bạn lấy nét hoặc thu phóng chúng. Xoay một thấu kính không tròn sẽ trở nên khó khăn nếu bạn cũng đang cố gắng kiểm soát hướng của quang sai và các nhiễu xạ nhiễu xạ cùng một lúc.

3. Cố gắng làm cong một cái gì đó bằng phẳng khó hơn làm một đường cong của một cái gì đó tròn.

4. Đối với các ống kính góc rộng, nó có hình dạng hình cầu để cho góc nhìn tốt hơn và rộng hơn.

5. Để tập trung vào ánh sáng với khoảng cách khác nhau, nó đòi hỏi một thấu kính tròn vì tất cả các điểm ánh sáng cần phải được tập trung vào cùng một khu vực chung.

6. Để tạo ra hình ảnh đạt được độ phân giải tối đa (độ sắc nét), bề mặt ống kính phải chính xác đến độ chính xác rất cao để ống kính mang lại độ phân giải đầy đủ - các phân số nhỏ của bước sóng ánh sáng. Các quy trình mài và đánh bóng chỉ được đảm bảo tạo ra các thấu kính có độ chính xác mong muốn cho các thấu kính tròn; nó là vô cùng khó khăn mặc dù không phải là không thể đạt được độ chính xác này cho các hình dạng khác.

7. Các đặc tính mong muốn nhất của ống kính là khả năng tạo thành hình ảnh sắc nét mà không cần tạo tác và khả năng thu thập ánh sáng đặc biệt là trong ánh sáng mờ. Cả hai tính chất này được tối đa hóa bằng ống kính tròn; chỉ có ai đó hoàn toàn không biết gì về lý thuyết quang học sẽ cố gắng thiết kế bất kỳ hình dạng nào khác.

Thêm một lý do: Khả năng thu thập ánh sáng chủ yếu được chi phối bởi khu vực, trong khi một số chất lượng quang học giảm (hoặc tốn kém hơn để điều chỉnh theo cùng mức) với kích thước tối đa. Một vòng tròn giảm thiểu kích thước tối đa cho một khu vực cụ thể.

Mặc dù vậy, mối quan tâm sản xuất là lý do quan trọng hơn cả. May mắn thay, một ống kính tròn là những gì bạn muốn vì lý do khác.

Một điểm thú vị là hình dạng của khẩu độ (do đó của ống kính) ảnh hưởng đến hình dạng rõ ràng của nguồn sáng ngoài tiêu cự (thường được gọi là "hiệu ứng"). Bạn có thể thấy rằng nhìn vào các hình ảnh Bo mạch tùy chỉnh ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Chà, ống kính không phải lúc nào cũng "tròn" về hình dạng. Tuy nhiên điều đó không liên quan gì đến nhiếp ảnh. Dưới đây là một số ví dụ:

1. Thấu kính hình trụ rất hữu ích cho một số ứng dụng của máy ảnh 1 chiều và hiệu chỉnh loạn thị chùm tia, cũng như định hình chùm tia.

2. Thấu kính Fresnel , có thể có nhiều hình dạng, và được sử dụng để tập trung ánh sáng với xoắn. xem ví dụ: https : //commons.wik mega.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

Có một số loại thấu kính bí truyền hơn, ( mảng lenslet , ống kính kinoform , v.v.) Nhưng điều quan trọng cần nhớ là một ống kính được sử dụng để bẻ cong ánh sáng, và có nhiều cách để làm điều đó bằng cách sử dụng quang học "nhiễu xạ" hoặc thủy tinh như vật liệu. Lý do cho thiết kế thường là chức năng và chi phí sản xuất.

Giả sử bạn sử dụng ống kính hình chữ nhật thay vì hình trụ. Trước hết, hình dạng của ống kính sẽ không vấn đề gì cảtrừ khi bạn có khẩu độ mở hết cỡ; trên bất kỳ cài đặt chậm nào, hình dạng gần tròn của màng chắn sẽ là yếu tố quyết định. Giả sử rằng bạn có khẩu độ mở hết cỡ, hiệu ứng chính sẽ như sau. Bạn sẽ có một độ sâu nhất định của lĩnh vực. Nếu điểm A ở khoảng cách chính xác để tạo ra hình ảnh giống như điểm, thì điểm này vẫn là một điểm bất kể hình dạng hình chữ nhật của ống kính. Tuy nhiên, nếu đối tượng điểm B ở một khoảng cách khác, chúng ta sẽ bị mờ như hình ảnh của điểm đó. Hiện tượng mờ xảy ra do có một chùm tia sáng và bó có kích thước hữu hạn nơi nó giao với phim hoặc chip. Vì ống kính là hình chữ nhật, bó này là hình chóp, và mờ sẽ là mờ hình chữ nhật chứ không phải là hình tròn thông thường. Ví dụ: giả sử bạn đang chụp ảnh ai đó ' s mặt với một bầu trời đầy sao trong nền. Bạn tập trung vào khuôn mặt. Các ngôi sao sẽ xuất hiện dưới dạng hình chữ nhật mờ nhỏ.

Ở độ phóng đại rất cao (có thể với một ống kính rất dài có hiệu quả là một kính thiên văn nhỏ), có thể bạn cũng sẽ thấy các mẫu nhiễu xạ. Trong ví dụ về khuôn mặt với nền đầy sao, giả sử rằng chúng ta thay đổi tiêu điểm thành vô cực, đưa khuôn mặt ra khỏi tiêu điểm. Bây giờ quang học sóng sẽ dự đoán rằng (trong trường hợp không có quang sai), kiểu nhiễu xạ cho một ngôi sao sẽ là một rìa trung tâm (thứ tự 0) được bao quanh bởi một vòng (rìa thứ nhất) nếu bạn sử dụng khẩu độ tròn, nhưng khẩu độ hình chữ nhật sẽ đưa ra một mô hình khác (giống như một lưới hình chữ nhật của rìa). Trong thực tế, tôi không nghĩ máy ảnh sẽ bị giới hạn nhiễu xạ với khẩu độ mở hết cỡ. Nhiễu xạ giảm khi khẩu độ mở rộng hơn, trong khi quang sai tia tăng,

Các ống kính luôn được sản xuất như tròn vì nó phù hợp nhất với quy trình sản xuất. Làm cho chúng vuông sẽ ít nhất là cắt chính xác sau đó, do đó sẽ làm cho chúng đắt hơn nhiều. (Tuy nhiên, ống kính vuông đang được sản xuất cho một số mục đích đặc biệt)

Bạn có thể hỏi tại sao cảm biến là hình vuông thay vì tròn?

Câu trả lời cho điều đó là màn hình, phim và cuối cùng là giấy ảnh của chúng tôi có hình vuông. Chúng tôi không cần cảm biến tròn nếu chúng tôi cần ảnh vuông!

Chắc chắn là

1. để áp dụng cùng một 'thao tác' cho ánh sáng chiếu vào bất kỳ hướng nào, bạn cần một hình đối xứng tròn để bạn không làm biến dạng tỷ lệ không gian giữa các điểm khác nhau trên ảnh đến

2. ống kính thường nhằm tập trung hạ cánh ánh sáng trên bề mặt của chúng về phía một điểm. Điểm đó là "hơi chậm" cảm biến CMOS trong máy ảnh, nhưng cùng một nguyên tắc và vật lý cho rằng hình dạng mặt cắt ngang có thể đạt được điều đó. Khi bạn lặp lại nó theo mọi hướng bạn xoay quanh và có được hình dạng vòm phẳng, giống như một ống kính

3. Đó là một lý do tương tự tại sao các món ăn vệ tinh có hình vòm và không có hình hộp

nhưng nó chắc chắn không phải vì nó dễ sản xuất hơn. Hạt mưa và quả bóng thủy tinh có tác dụng lense. Windows không. Hình khối và hộp vật liệu khúc xạ không có tác dụng đó.

Ống kính không phải tròn. Nhìn vào sự đa dạng của các hình dạng trong đó các khung mắt kính xuất hiện.

Tuy nhiên, tất cả các ống kính này là một phần được cắt từ một ống kính có bề mặt hình cầu (bỏ qua, trong một khoảnh khắc, các ống kính chính xác cho chứng loạn thị).

Và về cơ bản là có câu trả lời. Bất kỳ loại giả định nào cũng sẽ khiến máy ảnh của bạn loạn thị: không có khả năng đưa một điểm vào tiêu điểm theo chiều dọc và chiều ngang cùng một lúc.

Một ống kính phải cung cấp một tiêu điểm nhất quán dọc theo bất kỳ trục quay nào. Nếu hai chùm ánh sáng song song cách nhau một cm theo phương ngang, chúng phải hội tụ ở cùng khoảng cách với hai chùm tia song song cách nhau một cm theo chiều dọc.

Bên cạnh việc tạo ra Bok Bok thực sự kỳ quặc, một ống kính hình chữ nhật cũng sẽ làm xấu đi độ mờ của ống kính và tạo độ phân giải không đối xứng trên vùng hình ảnh giữa các hiệu ứng quang sai tiêu cực khác. Ánh sáng chiếu vào bất kỳ điểm đặc biệt nào trên cảm biến đến từ một dải kính rộng - ánh sáng chiếu vào một góc của cảm biến không truyền qua vùng góc tương ứng của các thành phần thấu kính trên đường tới cảm biến ( trừ khi bạn luôn chọn khẩu độ nhỏ như vậy mà chính nhiễu xạ là làm giảm đáng kể chất lượng hình ảnh). Các nhà sản xuất ống kính có chiều dài lớn để đảm bảo rằng mọi thứ đều đối xứng với chất lượng hình ảnh mục đích, thậm chí bao gồm cả màng chắn. Các ống kính chất lượng thấp có thể có một vài lưỡi khẩu độ với các cạnh phẳng tạo ra một hình ngũ giác hoặc hình lục giác rất góc cạnh ... điều này có thể có tác động tiêu cực có thể đo được trên biểu đồ MTF của ống kính (thước đo khả năng phân giải của ống kính) ngay cả ở trung tâm của hình ảnh. Di chuyển đến các ống kính chất lượng tốt hơn và bạn sẽ thấy cơ hoành tròn đối xứng hơn nhiều ... khẩu độ trên các ống kính hàng nghìn đô la cao cấp hơn mà Canon & Nikon đưa ra có màng chắn rất tròn - đó chỉ là khẩu độ ... với kính và bạn sẽ làm giảm hình ảnh nhiều hơn nữa. Các ống kính thực sự cao cấp ($ 5 chữ số) trong điện ảnh có hình tròn. Các yếu tố ống kính. Đây là tất cả cho chất lượng hình ảnh trong toàn bộ khu vực hình ảnh từ trung tâm đến góc. Bất kể cảm biến là hình vuông, hình chữ nhật, tròn hay thậm chí là hình ngôi sao hoặc hình lưỡi liềm, ống kính - ít nhất là một cảm biến thực sự tốt - sẽ tiếp tục đối xứng (còn gọi là hình tròn). Đúng,

Thật khó để giải thích mà không đưa ra một lời giải thích hoàn chỉnh về điện động lực học lượng tử , nhưng tất cả ánh sáng chiếu tới cảm biến "đi qua" tất cả các thấu kính, ít nhất là theo một nghĩa nào đó, ngay cả khi chúng ta chỉ nói về một photon. Một photon không chỉ đi một đường (trừ khi bạn mắc sai lầm khi cố gắng tìm ra đường đi nào), nó sẽ mất tất cả các đường có thể . Lạ, nhưng đúng.

Điều đó có nghĩa là việc loại bỏ kính khỏi một ống kính tròn để tạo ra một hình chữ nhật nhỏ hơn sẽ không loại bỏ kính "phụ" không được sử dụng, nó thực sự sẽ là loại bỏ kính được sử dụng để chụp ảnh (và bộ sưu tập ánh sáng). Tương tự, việc thêm kính để làm cho ống kính hình chữ nhật vì lý do mỹ phẩm hoàn toàn không chỉ liên quan đến nhiều chi phí, mà kính "thêm" giờ đây cũng sẽ góp phần vào phân phối xác suất hình ảnh, do đó, nó cần phải chính xác như vậy được thực hiện và cũng được sửa chữa như ống kính tròn bạn đang mở rộng. Như tôi đã giải thích ở đây , bạn càng tạo ra một ống kính càng lớn (càng nhanh) thì càng cần hiệu chỉnh nhiều, càng cần độ chính xác cao và giá sẽ càng tăng.

Mặc dù vậy, ngoài ra, hiệu ứng bokeh (bản chất của các khu vực không tập trung, đặc biệt là các điểm nổi bật) sẽ trông thực sự rất tệ.

Đây là về ý tưởng gây tranh cãi rằng tất cả các phần của mặt trước hình ảnh sẽ thu thập các tia cho mỗi pixel.

Các bề mặt khuếch tán gửi tia tới mọi hướng, khá nhiều tia vô hạn trong vòng cung nhỏ chiếu vào ống kính. Các tia vô cực này phải được hướng từ một nguồn điểm đến một pixel. Điều này là khó thực hiện, đó là lý do tại sao ống kính sắc nét rất khó tìm. Đây là một câu chuyện khác.

Tôi chụp 3 hình ảnh rộng mở và sau đó che các phần không sử dụng bằng một hình chữ nhật giấy đã cắt và chụp thêm 3 hình nữa, và thấy rằng phần trung tâm tối hơn 15% khi tôi che phần không sử dụng. hình ảnh trên cùng là hình ảnh không che và bên dưới là hình ảnh được che và như bạn thấy phần che phủ không nhìn thấy trong khung hình, nó chỉ làm cho hình ảnh tối hơn 15%:

Nó có thể được giải thích trong mô hình quang học hình học đơn giản nhất. Trên vật thể xảy ra sự phản xạ khuếch tán có thể được mô tả như một số tia sáng có độ sáng khác nhau theo mọi hướng. Đường kính ống kính lớn hơn (thay vì hình dạng trực tràng nhỏ hơn) có thể dẫn đến hình ảnh sáng hơn.

Q: "Tại sao ống kính có hình dạng tròn mặc dù cảm biến hình ảnh không? Tại sao chúng không thể là hình vuông hoặc thứ gì đó phù hợp với hình dạng của cảm biến hình ảnh?".

Trả lời: Ống kính và các vật thể tròn khác có hình tròn vì dễ xoay chúng hơn (vâng, tôi biết về "Video Bánh xe vuông" của Mythbuster). Một ống kính tròn dễ dàng mài chính xác hơn so với một ống kính vuông (như Anamorphic). Nó có một chiều ít hơn để lo lắng (tạo hoặc căn chỉnh) hoặc trong trường hợp Ống kính vuông hoàn hảo, nó có Vòng tròn hình ảnh lớn hơn.

Một ống kính giá rẻ có thể được sản xuất hàng loạt bằng cách ép phun với độ chính xác đủ để trở thành một ống kính giá rẻ, do đó Lenses có thể dễ dàng có bất kỳ hình dạng nào từ dài đến tròn.

Kính đắt tiền chỉ có vậy, đắt tiền. Một số Máy ảnh được sử dụng để thu ánh sáng bên ngoài quang phổ nhìn thấy có Ống kính được làm từ vật liệu kỳ lạ, không phải thủy tinh và rất khó để làm việc. Ít làm việc mà không mất chất lượng tiết kiệm tiền.

Hầu hết các Cảm biến (ngày nay) là hình chữ nhật (16: 9) bởi vì tầm nhìn của con người 'hoạt động' từ bên này (quét đường chân trời) và không lên xuống (trước đây thường có rất ít nhìn thấy và bên dưới bạn không bao giờ xa bộ não của chúng tôi đã phát triển theo cách đó) - kích thước 16: 9 được chọn làm Tiêu chuẩn vì nó mang đến một 'định dạng màn hình rộng' ưa thích (Tôi biết rằng có những Phim tuyệt vời rộng hơn 16: 9 và thường sử dụng Ống kính Anam định hình).

Cùng với sự cân nhắc dễ dàng và chi phí của Ống kính tròn, chúng tôi có Cảm biến hình vuông. Các cảm biến có các cạnh phẳng và không tròn vì dễ cắt chúng hơn (và các cảm biến không được đánh bóng như Lenses).

Các cảm biến là hình vuông vì nó nhận được nhiều nhất từ ​​vòng wafer mà chúng được tạo ra. Tấm wafer tròn vì chúng được cắt từ một thỏi. Thỏi có dạng hình ống vì đó là cách chúng phát triển.

Vì vậy, để làm cho mọi thứ tốn ít nhất các Ống kính đều tròn và Cảm biến là hình vuông (giống như các Cảm biến khổng lồ duy nhất được sử dụng trong Không gian, một Cảm biến trên mỗi wafer với các pixel chết được ánh xạ; giống như những ngày đầu của Màn hình LCD).

NHƯNG không khó để cắt Cảm biến hình chữ nhật (16: 9) giả sử bạn muốn cắt độ phân giải siêu cao đáng yêu, pixel lớn, Cảm biến thành các mảnh nhỏ (vì mọi người không muốn trả hơn 100 nghìn đô la cho Cảm biến trừ khi họ là Chính phủ).

Vì vậy, họ cắt hầu hết các Cảm biến thành hình dạng 16: 9 với số lượng nhỏ hơn được cắt thành 4: 3 (vì những Máy ảnh đó có Ống kính đắt tiền) và những người ở định dạng 16: 9 sống với một chút họa tiết (đôi khi rất nhiều) và lãng phí một phần của Kính có chi phí tương đối thấp để có được hình ảnh có tính thẩm mỹ (chỉ một hình vuông hoặc mọt sách muốn có Cảm biến hoạt động bên ngoài phổ khả kiến ​​hoặc tạo ra hình ảnh hoặc ma trận điểm dữ liệu).

Định dạng 16: 9 chỉ đơn giản là mở rộng tỷ lệ khung hình 3: 2 của phim 35 mm mà từ đó nhiếp ảnh hiện đại phát triển, các định dạng khác đến và đi hoặc không bao giờ trở nên phổ biến, ngay cả khi chúng 'tốt hơn' (nhưng có thể bị cấm ở một số của các định dạng lớn nhất).

Về cơ bản: Dòng dõi, Chi phí, Chất lượng. Đôi khi ý thức chung cũng đóng một vai trò.

Xem thêm: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size