Mengapa lensa selalu bundar?

Mengapa lensa berbentuk bundar meskipun sensor gambarnya tidak? Mengapa mereka tidak bisa persegi atau sesuatu yang cocok dengan bentuk sensor gambar?

Sensor berbentuk persegi panjang oleh tradisi, berdasarkan pada bentuk tradisional media gambar.

Tetapi ada teknologi / keputusan bisnis yang mendorong mereka menjadi persegi panjang juga. Sensor berbentuk persegi panjang karena dibuat menggunakan teknik fabrikasi semikonduktor. Teknik-teknik ini membutuhkan "pencetakan" beberapa rangkaian sensor ke wafer silikon. Saat ini wafer ini dapat berdiameter 300 mm dan produsen bergerak ke arah diameter 450 mm ( lihat di sini ). Banyak sensor dapat dicetak pada wafer yang besar.

Sensor dipasang pada wafer untuk secara efisien menggunakan ruang yang tersedia dan dengan cara yang membuatnya mudah dipotong menjadi "mati" (atau sensor individu, dalam hal ini). Proses ini disebut dicing. Bentuk yang paling efektif untuk mati adalah persegi panjang. Biasanya gergaji atau juru tulis digunakan untuk memotong wafer dalam garis lurus. Bayangkan jika mati (sensor dalam kasus ini) seharusnya bulat (penggunaan bahan yang boros dan mahal) atau heksagonal (penggunaan bahan yang efisien tetapi potongannya tidak lurus di seluruh wafer). ( Lihat di sini untuk info lebih lanjut. )

B) Lensa yang terbuat dari kaca berkualitas tinggi umumnya digiling menggunakan mesin bubut. (Ini dapat dilihat di video ini . Tonton sekitar tanda 7:00 menit pada khususnya. Maaf, ini dalam bahasa Jepang, tetapi video ini sangat menarik dan mengungkapkan.) Lebih mudah untuk memutar, menggiling, dan memoles lensa bulat di mesin ini karena tidak ada tepian untuk menangkap perkakas saat lensa berputar. Ini juga konsisten dengan simetri optik yang mereka coba capai dalam lensa jadi.

Lensa yang tidak bulat umumnya akan dipotong dari lensa bulat, sebuah langkah yang menambah biaya produksi perakitan lensa. Lensa tidak perlu bulat. Demi Tuhan, sebagian besar kacamata tidak bulat! Saat kacamata Anda dibuat, Anda harus sadar bahwa pembuat lensa tidak menyediakan lensa untuk setiap bentuk bingkai kacamata. Dia memotong atau menggiling lensa bulat agar sesuai dengan bingkai.

Setelah produsen lensa memiliki lensa bulatnya, apa yang akan memotivasi dia untuk memotongnya menjadi bentuk yang berbeda? Seperti yang telah ditunjukkan oleh banyak orang di berbagai forum, bentuk lensa tidak menentukan bentuk atau kualitas gambar (terlepas dari difraksi yang disebabkan oleh tepian, yang dapat dikurangi, dan beberapa efek penyimpangan urutan kedua, mungkin), dan sebagian besar, setiap titik pada lensa dapat mengumpulkan cahaya dari setiap titik pada objek dan memfokuskan setiap titik pada bidang gambar. Saya sudah menunjukkan bahwa mengubah bentuk lensa menambah biaya. Sebenarnya tidak ada alasan praktis (umumnya) untuk mengubah bentuk.

Ada banyak alasan mengapa sebuah lensa diproduksi bulat:

1. Dari sisi pabrikan, lebih mudah dan lebih murah untuk membuat lensa bola dan lebih mudah untuk mengkalibrasi ketika Anda menggabungkan lensa yang berbeda untuk mencapai fitur yang unik, misalnya makro, telefoto dll ...

2. Untuk pengguna umum, kebanyakan dari kita pasti akan setuju untuk mengatakan bahwa lebih mudah untuk memutar lensa melingkar daripada persegi panjang. Di dalam lensa kamera, terutama lensa zoom, sebagian elemen harus menyesuaikan sebagian besar dengan memutar (lensa lebih murah) saat Anda memfokuskan atau memperbesarnya. Memutar lensa non-sirkular akan menjadi rumit jika Anda juga mencoba mengontrol orientasi aberasi dan paku difraksi pada saat yang bersamaan.

3. Mencoba untuk melengkungkan sesuatu yang datar lebih sulit daripada membuat kurva dari sesuatu yang bulat.

4. Untuk lensa sudut lebar, lensa ini memiliki bentuk bulat untuk memberikan perspektif yang lebih baik dan lebih luas.

5. Untuk fokus pada cahaya dengan jarak yang bervariasi, diperlukan lensa melingkar karena semua titik cahaya harus difokuskan pada area umum yang sama.

6. Untuk menghasilkan gambar yang mencapai resolusi maksimum (ketajaman) permukaan lensa harus akurat hingga sangat presisi agar lensa menghasilkan resolusi penuh - pecahan kecil dari panjang gelombang cahaya. Proses penggilingan dan pemolesan hanya dijamin menghasilkan lensa dengan akurasi yang diinginkan untuk lensa melingkar; sangat sulit meskipun bukan tidak mungkin untuk mencapai akurasi ini untuk bentuk lain.

7. Sifat paling diinginkan dari lensa adalah kemampuannya untuk membentuk gambar yang tajam tanpa artefak, dan kekuatan pengumpul cahaya terutama dalam pencahayaan redup. Kedua sifat ini dimaksimalkan oleh lensa melingkar; hanya seseorang yang sama sekali tidak tahu tentang teori optik yang akan mencoba mendesain bentuk lain.

Satu lagi alasan: Kemampuan mengumpulkan cahaya sebagian besar diatur oleh area, sedangkan beberapa kualitas optik turun (atau lebih mahal untuk dikoreksi ke tingkat yang sama) dengan dimensi maksimum. Lingkaran meminimalkan dimensi maksimum untuk area tertentu.

Meskipun demikian, kekhawatiran manufaktur adalah alasan utama. Untungnya, lensa melingkar adalah apa yang Anda inginkan untuk alasan lain.

Hal yang lucu adalah bahwa bentuk bukaan (dengan demikian dari lensa) memengaruhi bentuk nyata sumber cahaya yang tidak fokus (sering disebut "bokeh"). Anda dapat melihat bahwa melihat gambar bokeh khusus ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Nah, lensa tidak selalu berbentuk "bundar". Namun itu tidak ada hubungannya dengan fotografi. Berikut ini beberapa contohnya:

1. Lensa silinder sangat berguna untuk beberapa aplikasi kamera 1-D dan koreksi astigmatisme berkas, serta pembentukan balok.

2. Lensa Fresnel , bisa datang dalam berbagai bentuk, dan digunakan untuk memfokuskan cahaya dengan twist. lihat misalnya: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

ada beberapa jenis yang lebih esoteris lensa, ( array lenslet , lensa kinoform , dll ..) Tapi apa yang penting untuk diingat adalah bahwa lensa yang digunakan untuk membelokkan cahaya, dan ada banyak cara untuk melakukan itu menggunakan "diffractive" optik atau kaca seperti bahan tranditional. Alasan untuk desain biasanya adalah fungsionalitas dan biaya produksi.

Katakanlah Anda menggunakan lensa persegi panjang dan bukan lensa silinder. Pertama, bentuk lensa tidak masalah sama sekalikecuali jika Anda memiliki aperture terbuka; pada pengaturan yang lebih lambat, bentuk diafram yang kira-kira bundar akan menjadi faktor penentu. Dengan asumsi bahwa Anda memiliki aperture sepanjang jalan terbuka, efek utamanya adalah sebagai berikut. Anda akan memiliki kedalaman bidang tertentu. Jika titik objek A berada pada jarak yang benar untuk menghasilkan gambar seperti titik, maka titik ini masih merupakan titik terlepas dari bentuk persegi panjang lensa. Namun, jika titik objek B berada pada jarak lain, kita mendapatkan gambar yang kabur sebagai gambar titik itu. Kekaburan terjadi karena ada bundel sinar cahaya, dan bundel memiliki ukuran terbatas di mana ia memotong film atau chip. Karena lensa berbentuk segi empat, bundel ini berbentuk piramidal, dan blur akan menjadi blur persegi panjang daripada yang melingkar biasa. Misalnya, Anda memotret seseorang Wajah dengan langit berbintang di latar belakang. Anda fokus pada wajah. Bintang-bintang akan muncul sebagai persegi panjang fuzzy kecil.

Pada perbesaran yang sangat tinggi (mungkin dengan lensa yang sangat panjang yang secara efektif adalah sebuah teleskop kecil), mungkin saja Anda juga akan melihat pola difraksi. Dalam contoh wajah dengan latar belakang berbintang, misalkan kita mengubah fokus menjadi tak terbatas, menempatkan wajah tidak fokus. Gelombang optik sekarang akan memprediksi bahwa (dengan tidak adanya penyimpangan), pola difraksi untuk bintang akan menjadi pusat (urutan 0) pinggiran dikelilingi oleh cincin (pinggiran urutan pertama) jika Anda menggunakan aperture melingkar, tetapi aperture persegi panjang akan memberikan pola yang berbeda (lebih seperti kisi-kisi pinggiran). Dalam praktiknya, saya tidak berpikir kamera akan pernah terbatas difraksi dengan aperture terbuka. Difraksi berkurang ketika aperture menjadi lebih luas, sementara penyimpangan ray-optik meningkat,

Lensa selalu diproduksi bulat karena cocok dengan proses pembuatan yang terbaik. Membuatnya persegi akan melibatkan setidaknya pemotongan yang sangat tepat setelah itu, sehingga akan membuat mereka jauh lebih mahal. (Namun lensa persegi sedang diproduksi untuk beberapa tujuan khusus)

Anda bisa bertanya mengapa sensornya persegi daripada bulat?

Jawabannya adalah layar, film, dan pada akhirnya kertas foto kami berbentuk persegi. Kita tidak perlu sensor bulat jika kita membutuhkan foto persegi!

Tentunya intinya adalah

1. untuk menerapkan 'operasi' yang sama pada cahaya yang masuk pada orientasi apa pun, Anda memerlukan bentuk simetris sirkuler agar Anda tidak mengubah rasio spasial antara titik yang berbeda pada gambar yang masuk

2. Lensa umumnya bertujuan untuk memusatkan pendaratan cahaya pada permukaannya ke satu titik. Titik itu adalah 'sedikit di belakang' sensor CMOS dalam kamera, tetapi prinsipnya sama, dan fisika menentukan bahwa bentuk penampang lense mencapai itu. Ketika Anda mengulanginya dalam semua orientasi, Anda berputar dan mendapatkan bentuk kubah datar, seperti lense

3. Ini adalah alasan yang mirip dengan mengapa parabola dikubah dan tidak berbentuk kotak

tapi jelas bukan karena lebih mudah untuk diproduksi. Rintik hujan dan bola kaca memiliki efek lense. Windows tidak. Kubus dan kotak-kotak bahan bias tidak memiliki efek itu.

Lensa tidak harus bulat. Lihatlah beragam bentuk tempat bingkai kacamata muncul.

Namun, semua lensa tersebut adalah bagian yang dipotong dari lensa stok yang memiliki permukaan bulat (mengabaikan, sesaat, lensa yang mengoreksi astigmatisme).

Dan pada dasarnya ada jawabannya. Asimetri apa pun akan membuat astigmatisme kamera Anda: ketidakmampuan untuk mengarahkan suatu titik ke fokus secara vertikal dan horizontal pada saat yang bersamaan.

Lensa harus memberikan fokus yang konsisten di sepanjang sumbu rotasi apa pun. Jika dua sinar paralel yang terpisah satu cm secara horizontal mengenai lensa, mereka harus fokus pada jarak yang sama dengan dua balok paralel yang terpisah satu cm secara vertikal.

Selain membuat Bokkeh yang sangat aneh, lensa persegi panjang juga akan memperburuk vignetting lensa dan membuat resolusi asimetris pada area gambar di antara efek penyimpangan optik negatif lainnya. Cahaya yang mengenai titik tertentu pada sensor telah datang dari petak kaca yang luas - cahaya yang mengenai sudut sensor tidak bergerak secara eksklusif melalui area sudut yang sesuai dari elemen lensa dalam perjalanan ke sensor ( kecuali Anda secara konsisten memilih aperture kecil yang difraksi itu sendiri secara substansial menurunkan kualitas gambar). Produsen lensa berusaha keras untuk memastikan bahwa semuanya simetris untuk kualitas gambar tujuan, bahkan termasuk diafragma. Lensa berkualitas rendah mungkin memiliki beberapa bilah apertur dengan tepi datar yang membuat irisan pentagon atau ... ini dapat memiliki efek negatif terukur pada grafik MTF lensa (ukuran kemampuan penyelesaian lensa) bahkan di tengah gambar. Pindah ke lensa berkualitas lebih baik dan Anda akan menemukan pembukaan diafragma bundar yang jauh lebih simetris ... lubang pada lensa multi-ribu dolar kelas atas yang dikeluarkan Canon & Nikon memiliki diafragma yang sangat bundar - itu hanya bukaan ... lakukan itu ke kaca dan Anda akan merendahkan gambar lebih banyak. Lensa benar-benar high-end ($ 5-digit) dalam sinematografi memiliki lingkaran. Elemen lensa. Ini semua untuk kualitas gambar di seluruh area gambar dari tengah ke sudut. Terlepas dari apakah sensornya berbentuk persegi, persegi panjang, bulat, atau bahkan berbentuk bintang atau bulan sabit, lensa - setidaknya yang benar-benar bagus - akan tetap simetris (alias melingkar). Iya,

Sulit untuk menjelaskan tanpa meluncurkan penjelasan lengkap tentang elektrodinamika kuantum , tetapi semua cahaya yang mencapai sensor "melewati" semua lensa, setidaknya dalam arti tertentu, bahkan jika kita hanya berbicara tentang satu foton. Sebuah foton tidak hanya mengambil satu jalur (kecuali jika Anda membuat kesalahan dengan mencoba mencari tahu jalur mana yang diambil), foton mengambil semua jalur yang mungkin . Aneh, tetapi benar.

Itu berarti bahwa menghapus kaca dari lensa bulat untuk membuat persegi panjang yang lebih kecil tidak menghilangkan "ekstra" kaca yang tidak digunakan, itu akan benar-benar menghapus kaca yang digunakan untuk pencitraan (dan pengumpulan cahaya). Dengan cara yang sama, menambahkan kaca ekstra untuk membuat lensa persegi panjang karena alasan kosmetik murni tidak hanya akan melibatkan banyak biaya tambahan, bahwa gelas "ekstra" sekarang juga akan berkontribusi pada distribusi probabilitas pencitraan, sehingga harus seakurat mungkin. dibuat dan juga dikoreksi seperti lensa melingkar yang Anda kembangkan. Seperti yang saya jelaskan di sini , semakin besar (lebih cepat) Anda membuat lensa, semakin banyak koreksi diperlukan, semakin banyak akurasi yang dibutuhkan, dan semakin banyak harga akan naik.

Terlepas dari itu, bokeh (sifat dari area yang tidak fokus, terutama highlight) akan terlihat sangat, sangat buruk.

Ini tentang gagasan kontroversial bahwa semua bagian depan gambar akan mengumpulkan sinar untuk setiap piksel.

Permukaan difus mengirim sinar ke setiap arah, cukup banyak sinar tak terbatas dalam busur kecil yang mengenai lensa. Sinar tak terhingga ini harus diarahkan dari sumber titik ke satu piksel. Ini sulit dilakukan, itulah sebabnya lensa tajam sulit ditemukan. Ini adalah cerita lain.

Saya memotret 3 gambar dengan lebar terbuka dan kemudian menutupi bagian yang tidak terpakai dengan kertas persegi panjang dan mengambil 3 bagian lagi, dan melihat bagian tengahnya 15% lebih gelap ketika saya menutupi bagian yang tidak terpakai. gambar atas adalah yang tidak tertutup dan di bawah adalah yang tertutup dan seperti yang Anda lihat penutup tidak terlihat dalam bingkai, itu hanya membuat gambar 15% lebih gelap:

Ini dapat dijelaskan dalam model paling sederhana dari optik geometris. Pada objek terjadi refleksi difus yang dapat digambarkan sebagai beberapa sinar cahaya dengan kecerahan berbeda di semua arah. Diameter lensa yang lebih besar (bukan bentuk persegi yang lebih kecil) dapat menghasilkan gambar yang lebih terang.

T: "Mengapa lensa berbentuk bundar meskipun sensor gambarnya tidak? Mengapa lensa tidak bisa persegi atau sesuatu yang cocok dengan bentuk sensor gambar?".

A: Lensa dan objek bundar lainnya bulat karena lebih mudah untuk memutarnya (ya, saya tahu "Video Roda Persegi" oleh Mythbusters). Lensa bulat lebih mudah digiling dibandingkan dengan Lensa persegi (seperti Anamorphic). Ini memiliki satu dimensi lebih sedikit untuk dikhawatirkan (membuat atau menyelaraskan) atau dalam kasus Lensa persegi sempurna itu memiliki Lingkaran Gambar yang lebih besar.

Lensa murah dapat diproduksi secara massal oleh Injection Moulding dengan akurasi yang cukup untuk menjadi Lensa murah, sehingga Lensa dapat dengan mudah berupa bentuk apa saja dari panjang hingga bulat.

Hanya Kaca Mahal, mahal. Beberapa Kamera yang digunakan untuk menangkap cahaya di luar spektrum yang terlihat memiliki Lensa yang terbuat dari bahan eksotis, bukan kaca, dan sulit untuk dikerjakan. Lebih sedikit pekerjaan tanpa kehilangan kualitas menghemat uang.

Kebanyakan Sensor (hari ini) berbentuk persegi panjang (16: 9) karena penglihatan manusia 'bekerja' dari sisi ke sisi (memindai cakrawala) dan tidak naik-turun (dulu ke atas tidak banyak yang bisa dilihat dan di bawah Anda tidak pernah jauh jadi otak kita berkembang seperti itu) - ukuran 16: 9 dipilih sebagai Standar karena memberikan 'format layar lebar' yang disukai (saya tahu bahwa ada Film besar yang lebih lebar dari 16: 9 dan biasanya Lensa Anamorphic digunakan).

Seiring dengan pertimbangan kemudahan dan biaya Lensa bulat, kami memiliki Sensor Persegi. Sensor memiliki tepi datar dan tidak bulat karena lebih mudah untuk memotongnya lurus (dan Sensor tidak dipoles seperti Lensa).

Sensor berbentuk persegi karena mendapat hasil maksimal dari putaran Wafer dari mana mereka dibuat. Wafer bulat karena diiris dari Ingot. Ingot berbentuk tabung karena itulah cara mereka tumbuh.

Jadi untuk membuat semuanya menjadi lebih murah, Lensanya bulat dan Sensornya persegi (seperti satu Sensor besar yang digunakan dalam Space, satu Sensor per Wafer dengan pixel mati yang dipetakan; seperti hari-hari awal Layar LCD).

TETAPI tidak sulit untuk memotong Sensor persegi panjang (16: 9) dengan asumsi Anda ingin memotong resolusi super tinggi Anda yang indah, piksel besar, Sensor menjadi potongan-potongan kecil (karena orang tidak ingin membayar lebih dari $ 100K untuk Sensor) kecuali mereka adalah Pemerintah).

Jadi mereka memotong sebagian besar Sensor menjadi bentuk 16: 9 dengan jumlah yang lebih kecil dipotong menjadi 4: 3 (karena Kamera tersebut memiliki Lensa mahal) dan format 16: 9 orang hidup dengan sedikit vignetting (kadang-kadang banyak) dan membuang bagian dari Kaca yang berbiaya rendah untuk mendapatkan gambar berbentuk yang indah secara estetika (hanya kotak atau kutu buku yang menginginkan Sensor yang beroperasi di luar spektrum yang terlihat, atau menghasilkan gambar persegi atau matriks titik Data).

Format 16: 9 hanyalah pelebaran dari rasio aspek 3: 2 dari film 35 mm dari mana fotografi modern dikembangkan, format lain datang dan pergi atau tidak pernah mendapatkan popularitas, bahkan jika mereka 'lebih baik' (tetapi mungkin mahal di beberapa format terbesar).

Pada dasarnya: Silsilah, Biaya, Kualitas. Terkadang akal sehat juga berperan.

Lihat juga: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size