Pourquoi les lentilles ont-elles toujours une forme ronde?

Pourquoi les lentilles ont-elles une forme arrondie alors que le capteur d'image ne l'est pas? Pourquoi ne peuvent-ils pas être carrés ou correspondre à la forme du capteur d'image?

Les capteurs sont rectangulaires par tradition, basés sur la forme historiquement traditionnelle des supports d’image.

Mais il existe une décision technologique / commerciale qui les pousse également à être rectangulaires. Les capteurs sont rectangulaires car ils sont fabriqués à l'aide de techniques de fabrication de semi-conducteurs. Ces techniques appellent à «imprimer» plusieurs circuits de capteurs sur une tranche de silicium. Aujourd'hui, ces plaquettes peuvent avoir un diamètre de 300 mm et les fabricants s’orientent vers un diamètre de 450 mm ( voir ici ). Beaucoup de capteurs peuvent être imprimés sur des plaquettes de cette taille.

Les capteurs sont disposés en mosaïque sur la plaquette afin d'utiliser efficacement l'espace disponible et de manière à pouvoir les découper facilement en «matrices» (ou les capteurs individuels, dans ce cas). Le processus s'appelle dés. La forme la plus économique pour les matrices est rectangulaire. Habituellement, une scie ou une pointe est utilisée pour couper les plaquettes en lignes droites. Imaginez si les matrices (les capteurs dans ce cas) étaient supposées être rondes (utilisation inutile et coûteuse du matériau) ou hexagonales (utilisation efficace du matériau, mais les coupes ne sont pas droites sur toute la tranche). ( Voir ici pour plus d'informations. )

B) Les lentilles en verre de haute qualité sont généralement broyées à l'aide de tours. (Ceci peut être vu dans cette vidéo . Regardez autour de 7:00 minutes en particulier. Désolé, c'est en japonais, mais la vidéo est très fascinante et révélatrice.) Il est plus facile de tourner, de moudre et de polir un objectif rond ces machines parce qu’il n’ya pas d’arêtes à prendre sur l’outillage lorsque l’objectif tourne. Cela correspond également à la symétrie optique qu’ils essaient d’atteindre dans l’objectif fini.

Les lentilles qui ne sont pas rondes seraient généralement coupées à partir de lentilles rondes, une étape qui ajoute un coût à la production de la lentille. Les lentilles n'ont pas besoin d'être rondes. Pour l'amour du ciel, la plupart des lunettes ne sont pas rondes! Lors de la fabrication de vos lunettes, vous devez savoir que le fabricant de verres ne stocke pas de verres pour chaque forme de monture de lunettes. Il coupe ou meule des lentilles rondes pour les adapter à la monture.

Une fois que le fabricant de lentilles a ses lentilles rondes, qu'est-ce qui l'inciterait à la transformer en une forme différente? Comme de nombreuses personnes l’ont souligné dans divers forums, la forme de la lentille ne détermine pas la forme ou la qualité de l’image (à part la diffraction causée par les contours, qui peut être atténuée, ainsi que certains effets d’aberration de second ordre, peut-être), et dans la plupart des cas, chaque point de la lentille peut capter la lumière de chaque point de l'objet et focaliser chaque point sur le plan de l'image. J'ai déjà souligné que changer la forme de la lentille augmente les coûts. Il n'y a vraiment aucune raison pratique (généralement) pour changer la forme.

Il y a beaucoup de raisons pour lesquelles un objectif est produit rond:

1. Du côté du fabricant, il est plus facile et moins coûteux de fabriquer un objectif sphérique et plus facile à calibrer lorsque vous combinez différents objectifs pour obtenir une fonction unique, par exemple un macro, un téléobjectif, etc.

2. Pour les utilisateurs généraux, la plupart d’entre nous conviendront certainement qu’il est plus pratique de faire pivoter un objectif circulaire que rectangulaire. À l’intérieur des objectifs de caméra, notamment les zooms, certains éléments doivent être ajustés principalement par rotation (objectifs moins chers) lors de la mise au point ou du zoom. Faire pivoter une lentille non circulaire sera difficile si vous essayez également de contrôler l'orientation des aberrations et des pics de diffraction en même temps.

3. Essayer de courber quelque chose de plat est plus difficile que de faire une courbe de quelque chose de rond.

4. Pour les objectifs grand angle, il a une forme sphérique pour donner une perspective meilleure et plus large.

5. Pour faire la lumière avec une distance variable, il faut un objectif circulaire car tous les points de lumière doivent être focalisés sur la même zone générale.

6. Pour produire des images offrant une résolution maximale (netteté), la surface de la lentille doit être précise à une précision très élevée pour permettre à l'objectif de fournir une résolution complète - de petites fractions d'une longueur d'onde de la lumière. Les processus de meulage et de polissage ne sont assurés que de produire des lentilles de la précision souhaitée pour les lentilles circulaires; Il est extrêmement difficile mais non impossible d'obtenir cette précision pour d'autres formes.

7. Les propriétés les plus souhaitables d'un objectif sont sa capacité à former des images nettes sans artefacts et son pouvoir de collecte de la lumière, notamment dans des conditions de faible éclairage. Ces deux propriétés sont maximisées par des lentilles circulaires; Seule une personne absolument ignorante de la théorie de l'optique tenterait de concevoir une autre forme.

Une raison de plus: la capacité de collecte de lumière dépend en grande partie de la zone, alors qu'une partie de la qualité optique diminue (ou il est plus coûteux de corriger au même niveau) avec la dimension maximale. Un cercle minimise la dimension maximale pour une zone particulière.

Malgré cela, la fabrication est la principale raison. Heureusement, une lentille circulaire est ce que vous voulez pour d'autres raisons.

Un point amusant est que la forme de l'ouverture (donc de l'objectif) affecte la forme apparente d'une source de lumière floue (souvent appelée "bokeh"). Vous pouvez voir cela en regardant les images personnalisées de bokeh ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Les lentilles ne sont pas toujours "rondes". Cependant, cela n'a rien à voir avec la photographie. Voici quelques exemples:

1. Les lentilles cylindriques sont très utiles pour certaines applications des caméras 1-D et la correction de l'astigmatisme du faisceau, ainsi que la mise en forme du faisceau.

2. Les lentilles de Fresnel peuvent prendre de nombreuses formes et sont utilisées pour focaliser la lumière avec torsion. voir par exemple: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

il existe plusieurs types plus ésotériques de lentilles, ( tableaux microlentilles , lentilles kinoformes , etc ..) Mais ce qui est important à retenir est qu'une lentille est utilisée pour courber la lumière, et il y a beaucoup de façons de le faire en utilisant l' optique « diffractives » ou verre comme matériau. La conception est généralement liée à la fonctionnalité et aux coûts de production.

Supposons que vous utilisiez une lentille rectangulaire plutôt que cylindrique. Tout d' abord, la forme de la lentille ne sera pas question du toutà moins que vous ayez l’ouverture entièrement ouverte; sur tout réglage plus lent, la forme approximativement circulaire du diaphram sera le facteur déterminant. En supposant que vous ayez l’ouverture entièrement ouverte, l’effet principal sera comme suit. Vous aurez une certaine profondeur de champ. Si le point d'objet A est à la bonne distance pour produire une image semblable à un point, ce point est toujours un point, quelle que soit la forme rectangulaire de la lentille. Cependant, si le point d'objet B est à une autre distance, l'image devient floue. Le flou se produit parce qu'il y a un faisceau de rayons lumineux et que celui-ci a une taille finie au point d'intersection du film ou de la puce. Comme la lentille est rectangulaire, ce faisceau est pyramidal et le flou sera un flou rectangulaire plutôt que circulaire. Par exemple, disons que vous photographiez quelqu'un ' s visage avec un ciel étoilé en arrière-plan. Vous vous concentrez sur le visage. Les étoiles apparaîtront sous forme de petits rectangles flous.

À très fort grossissement (peut-être avec une très longue lentille qui est en réalité un petit télescope), il est possible que vous voyiez aussi des diagrammes de diffraction. Dans l'exemple du visage avec l'arrière-plan étoilé, supposons que nous modifions la mise au point à l'infini, en mettant le visage hors de propos. L’optique des ondes prédirait maintenant que (en l’absence d’aberrations), le diagramme de diffraction d’une étoile serait une frange centrale (ordre 0) entourée d’un anneau (frange de premier ordre) si vous utilisiez une ouverture circulaire, mais une ouverture rectangulaire. donnerait un motif différent (plutôt comme une grille rectangulaire de franges). En pratique, je ne pense pas qu'un appareil photo serait jamais limité par la diffraction avec l'ouverture complètement ouverte. La diffraction diminue à mesure que l’ouverture s’élargit, tandis que les aberrations optiques augmentent.

Les lentilles étaient toujours produites de la même manière car elles s’adaptaient le mieux au processus de fabrication. Les rendre équitables impliquerait au moins une découpe très précise par la suite, ce qui les rendrait beaucoup plus onéreuses. (Cependant, les lentilles carrées sont produites à des fins spéciales)

Vous pourriez demander pourquoi le capteur est carré plutôt que rond?

La réponse à cela est que nos écrans, nos films et finalement notre papier photo ont une forme carrée. Nous n'avons pas besoin de capteur rond si nous avons besoin de photos carrées!

Le point est sûrement

1. pour appliquer la même opération à la lumière quelle que soit l'orientation, vous avez besoin d'une forme circulaire, afin de ne pas déformer les rapports d'espace entre différents points de l'image entrante.

2. Les lentilles ont généralement pour objectif de concentrer la lumière sur leur surface vers un seul point. Ce point est «légèrement en retard» par rapport au capteur CMOS d'une caméra, mais son principe est identique, et la physique indique qu'une forme de section transversale de lentille permet d'atteindre cet objectif. Lorsque vous le répétez dans toutes les orientations, vous effectuez une rotation et obtenez une forme de dôme plat, comme une lentille

3. C'est une raison similaire à celle des antennes paraboliques et non en forme de boîte.

mais ce n'est certainement pas parce que c'est plus facile à fabriquer. Les gouttes de pluie et les billes de verre ont un effet de lentille. Windows non. Les cubes et les boîtes de matériau réfractif n’ont tout simplement pas cet effet.

Les lentilles ne doivent pas nécessairement être rondes. Regardez la variété de formes dans lesquelles les montures de lunettes apparaissent.

Cependant, toutes ces lentilles sont une section découpée dans une lentille standard qui présente des surfaces sphériques (en ignorant pour un moment les lentilles qui corrigent l’astigmatisme).

Et il y a fondamentalement la réponse. N'importe quelle sorte d'asymétrie donnerait à votre appareil photo l'astigmatisme: l'incapacité de faire la mise au point d'un point à la fois verticalement et horizontalement.

Une lentille doit fournir une mise au point cohérente le long de tout axe de rotation. Si deux faisceaux de lumière parallèles espacés d'un cm horizontalement atteignent l'objectif, ils doivent effectuer la mise au point à la même distance que deux faisceaux parallèles espacés d'un cm verticalement.

En plus de créer un Bokkeh vraiment étrange, un objectif rectangulaire aggraverait également le vignettage de l'objectif et créerait une résolution asymétrique sur la zone de l'image parmi d'autres effets d'aberration optique négatifs. La lumière qui frappe un point particulier du capteur provient d'une large bande de verre. La lumière qui frappe un coin du capteur n'a pas traversé exclusivement la zone d'angle correspondante des lentilles avant de se rendre au capteur ( sauf si vous choisissez systématiquement une ouverture aussi petite que la diffraction dégrade sensiblement la qualité de l’image). Les fabricants d’objectifs s’efforcent de faire en sorte que tout soit symétrique par rapport à la qualité d’image recherchée, même le diaphragme. Les lentilles de faible qualité peuvent avoir quelques lames d’ouverture à bords plats qui forment un iris pentagonal ou hexagonal très anguleux ... Cela peut avoir un effet négatif mesurable sur le diagramme MTF d'un objectif (une mesure de sa capacité de résolution) même au centre de l'image. Passez à des objectifs de meilleure qualité et vous obtiendrez une ouverture de diaphragme bien plus symétrique et arrondie… les orifices de ces objectifs haut de gamme de plusieurs milliers de dollars vendus par Canon & Nikon ont des diaphragmes très ronds - ce n'est que l'ouverture… faites-le au verre et vous dégraderez l'image encore plus. Les objectifs véritablement haut de gamme (à 5 chiffres) en cinématographie ont une forme circulaire. Éléments de lentille. Tout cela pour la qualité de l'image sur toute la surface de l'image, du centre au coin. Que le capteur soit carré, rectangulaire, rond, voire en forme d'étoile ou de croissant, l'objectif - du moins un très bon objectif - continuera d'être symétrique (c'est-à-dire circulaire). Oui,

Il est difficile à expliquer sans se lancer dans une explication complète de l'électrodynamique quantique , mais toute la lumière qui parvient au capteur "traverse" tout l'objectif, du moins dans un sens, même s'il ne s'agit que d'un seul photon. Un photon ne prend pas qu'un seul chemin (à moins que vous ne commettiez l'erreur d'essayer de trouver quel chemin il a emprunté), il prend tous les chemins possibles . Bizarre, mais vrai.

Cela signifie que retirer du verre d'une lentille ronde pour obtenir un rectangle plus petit ne supprime pas le verre "supplémentaire" qui n'est pas utilisé, mais le verre utilisé pour la prise de vue (et la collecte de la lumière). De la même manière, ajouter du verre supplémentaire pour rendre la lentille rectangulaire pour des raisons purement cosmétiques impliquerait non seulement beaucoup de dépenses supplémentaires, mais le verre "supplémentaire" contribuerait également à la distribution de probabilité d'imagerie, il devrait donc être aussi précis fait et aussi bien corrigé que la lentille circulaire que vous prolongez. Comme je l'ai expliqué ici , plus un objectif est grand (rapide), plus la correction requise est importante, plus la précision requise est grande et plus le prix augmentera.

En dehors de cela, le bokeh (la nature des zones floues, en particulier les points saillants) aurait vraiment l'air vraiment mauvais.

C'est à propos de l'idée controversée que toutes les parties du front de l'image vont collecter des rayons pour chaque pixel.

Les surfaces diffuses envoient des rayons dans toutes les directions, des rayons assez infinis dans le petit arc qui frappe la lentille. Ces rayons infinis doivent être dirigés d'une source ponctuelle vers un seul pixel. C'est difficile à faire, c'est pourquoi les objectifs tranchants sont difficiles à trouver. Ceci est une autre histoire.

J'ai ouvert 3 images grand ouvert, puis j'ai recouvert les parties inutilisées d'un rectangle de papier découpé et en ai pris 3 autres. J'ai constaté que la partie centrale était 15% plus sombre lorsque j'ai recouvert la partie inutilisée. l'image du haut est celle qui est couverte et celle du dessous est celle qui est couverte et lorsque vous voyez que la couverture n'est pas visible dans le cadre, cela rend l'image 15% plus sombre:

Cela peut être expliqué dans le modèle le plus simple d'optique géométrique. La réflexion diffuse sur l'objet peut être représentée par plusieurs rayons lumineux de luminosité différente dans toutes les directions. Un diamètre de lentille plus grand (au lieu d'une forme rectangulaire plus petite) peut donner une image plus lumineuse.

Q: "Pourquoi les lentilles ont-elles une forme arrondie alors que le capteur d'image ne l'est pas? Pourquoi ne peuvent-elles pas être carrées ou avoir une forme identique à celle du capteur d'image?".

R: Les objectifs et autres objets ronds sont ronds car il est plus facile de les faire pivoter (oui, je connais la "Vidéo de la roue carrée" de Mythbusters). Une lentille ronde est plus facile à meuler avec précision qu'une lentille carrée (comme une anamorphique). Il a une dimension de moins à considérer (création ou alignement) ou, dans le cas d’un objectif parfaitement carré, il possède un cercle d’image plus grand.

Une lentille bon marché peut être produite en masse par moulage par injection avec suffisamment de précision pour être une lentille bon marché. Par conséquent, les lentilles peuvent facilement avoir n'importe quelle forme, qu'elle soit longue ou ronde.

Le verre cher est juste ça, cher. Certaines caméras utilisées pour capturer la lumière en dehors du spectre visible ont des objectifs en matériaux exotiques, et non en verre, et sont difficiles à utiliser. Moins de travail sans perte de qualité permet d'économiser de l'argent.

La plupart des capteurs (de nos jours) sont rectangulaires (16: 9), car la vision humaine "fonctionne" d'un côté à l'autre (en balayant l'horizon) et non de haut en bas (il a déjà été peu visible vers le haut et en dessous de vous. notre cerveau a été développé de cette façon) - la taille 16: 9 a été choisie comme norme car elle donne un format "écran large" préféré (je sais qu’il existe de grands films plus larges que 16: 9 et que des objectifs anamorphiques ont été utilisés).

Outre les considérations de facilité et de coût des objectifs ronds, nous avons le capteur carré. Les capteurs ont des bords plats et ne sont pas ronds car il est plus facile de les couper à la verticale (et les capteurs ne sont pas polis comme des objectifs).

Les capteurs sont carrés car ils tirent le meilleur parti de la plaquette ronde à partir de laquelle ils sont fabriqués. Les gaufrettes sont rondes car elles sont découpées dans un lingot. Les lingots sont tubulaires parce que c'est ainsi qu'ils se développent.

Donc, pour que tout coûte le moins cher, les objectifs sont ronds et les capteurs sont carrés (comme les énormes capteurs utilisés dans l’Espace, un capteur par tranche avec des pixels morts cartographiés; tout comme au tout début des écrans LCD).

MAIS il n’est pas difficile de découper des capteurs rectangulaires (16: 9) en supposant que vous souhaitiez découper votre pixel en capteur très haute résolution, haute résolution, en petits morceaux (parce que les gens ne veulent pas payer plus de 100 000 $ pour un capteur à moins qu'ils ne soient le gouvernement).

Ainsi, ils coupent la plupart des capteurs au format 16: 9 avec un nombre inférieur à 4: 3 (car ces caméras ont des objectifs coûteux) et le format 16: 9 est habité par un minuscule vignettage (parfois beaucoup) et partie du verre relativement peu coûteux pour obtenir des images de formes esthétiques (seul un carré ou un nerd souhaite un capteur fonctionnant en dehors du spectre visible ou produisant une image carrée ou une matrice de points de données).

Le format 16: 9 est simplement un élargissement du format 3: 2 du film 35 mm à partir duquel la photographie moderne s'est développée. des plus grands formats).

Fondamentalement: Lignage, coût, qualité. Parfois, le bon sens a également joué un rôle.

Voir aussi: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size