レンズが常に丸い形をしているのはなぜですか？

イメージセンサーがそうではないのに、なぜレンズは丸い形をしているのですか？なぜ正方形やイメージセンサーの形状に合ったものにできないのですか？

センサーは、画像メディアの歴史的に伝統的な形状に基づいて、伝統的に長方形です。

しかし、テクノロジー/ビジネスの決定により、それらを長方形にすることもできます。センサーは、半導体製造技術を使用して作られているため、長方形です。これらの手法では、複数のセンサー回路をシリコンウェーハに「印刷」する必要があります。現在、これらのウェーハの直径は300 mmであり、メーカーは直径450 mmに向かっています（こちらを参照）。多くのセンサーは、その大きさのウェーハに印刷できます。

センサーは、利用可能なスペースを効率的に使用し、「ダイ」（またはこの場合は個々のセンサー）に簡単に分割できるように、ウェーハ上に並べられます。このプロセスはダイシングと呼ばれます。ダイの最も費用対効果の高い形状は長方形です。通常、ソーまたはスクライブを使用して、ウェーハを直線に切断します。ダイ（この場合のセンサー）が丸い（材料の無駄で費用のかかる使用）または六角形（材料の効率的な使用ですが、カットがウェーハ全体で真っ直ぐではない）であると想像してください。（詳細はこちらをご覧ください。）

B）高品質のガラスで作られたレンズは、一般に旋盤を使用して研磨されます。（これは、このビデオで見ることができます。特に7:00分前後を見てください。申し訳ありませんが、日本語で書かれていますが、ビデオは非常に魅力的で明らかになっています。）これらの機械は、レンズが回転するときに工具に引っかかるエッジがないためです。また、完成したレンズで達成しようとしている光学的対称性とも一致しています。

丸くないレンズは一般に丸いレンズからカットされますが、これはレンズアセンブリの製造にコストを追加するステップです。レンズは丸くする必要はありません。天国のために、ほとんどの眼鏡は丸くない！あなたの眼鏡が作られるとき、あなたはレンズメーカーが眼鏡フレームのすべての形のためにレンズをストックしていないことに注意しなければなりません。彼はフレームに合うように丸いレンズをカットまたは研削しています。

レンズ製造業者が丸いレンズを手に入れたら、それを別の形にカットする動機は何でしょうか？多くの人々がさまざまなフォーラムで指摘しているように、レンズの形状は画像の形状や品質を決定しません（軽減できるエッジや、おそらく二次収差の影響を除く）、そしてほとんどの場合、レンズのすべてのポイントは、オブジェクトのすべてのポイントから光を収集し、イメージプレーンの各ポイントに焦点を合わせることができます。レンズの形状を変えるとコストが増えることをすでに指摘しました。実際には、形状を変更する実用的な理由はありません（一般的に）。

レンズが丸く製造される理由はたくさんあります。

1. メーカー側からは、球面レンズの製造がより簡単で安価であり、異なるレンズを組み合わせてマクロ、望遠などのユニークな機能を実現すると、キャリブレーションが容易になります。

2. 一般ユーザーにとって、私たちのほとんどは、長方形よりも円形レンズを回転させる方が便利であると言うことに間違いなく同意するでしょう。カメラレンズ、特にズームレンズの内部では、一部の要素は、焦点を合わせたりズームしたりするときに、ほとんど回転させることで調整する必要があります（安価なレンズ）。収差と回折スパイクの方向を同時に制御しようとする場合、非円形レンズを回転させるのは難しいでしょう。

3. 何かを平らに曲げようとすることは、何かを丸くすることよりも困難です。

4. 広角レンズの場合、球形であるため、視野が広くなります。

5. さまざまな距離の光に焦点を合わせるには、すべての光点が同じ一般的な領域に焦点を合わせる必要があるため、円形レンズが必要です。

6. 最大解像度（シャープネス）を達成する画像を生成するには、レンズの表面が非常に高い精度で正確である必要があります。研削および研磨プロセスは、円形レンズに必要な精度のレンズの製造のみを保証します。他の形状でこの精度を達成することは不可能ではありませんが、非常に困難です。

7. レンズの最も望ましい特性は、アーティファクトのない鮮明な画像を形成する能力と、特に薄暗い照明での集光力です。これらの特性は両方とも円形レンズによって最大化されます。光学理論を完全に知らない人だけが、他の形状を設計しようとします。

もう1つの理由：集光能力はエリアによって大きく左右されますが、光学寸法の一部は最大寸法では低下します（または同じレベルに修正するのはより高価です）。円は、特定の領域の最大寸法を最小化します。

それにもかかわらず、製造上の懸念が最優先の理由です。幸いなことに、円形レンズは他の理由で必要なものです。

面白い点は、開口部の形状（レンズの形状）が焦点外れの光源（「ボケ」と呼ばれることが多い）の見かけの形状に影響することです。カスタムボケ画像を見るとわかります（http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh）。

まあ、レンズは常に形状が「丸い」とは限りません。しかし、それは写真とは関係ありません。ここではいくつかの例を示します。

1. シリンドリカルレンズは、1次元カメラやビーム非点収差補正、およびビームシェーピングの一部のアプリケーションに非常に役立ちます。

2. フレネルレンズは、さまざまな形状があり、ねじれのある光の焦点合わせに使用されます。例を参照してください：https : //commons.wikimedia.org/wiki/File : Magnifying-fresnel-lens.jpg

いくつかの難解なタイプのレンズ（レンズレットアレイ、キノフォームレンズなど）があります。しかし、覚えておくべき重要なことは、レンズを使用して光を曲げることです。素材のような伝統的なガラス。設計の理由は通常、機能と生産コストです。

円柱レンズではなく、長方形のレンズを使用するとします。まず、レンズの形状はまったく問題ではありません開口部が完全に開いている場合を除きます。より遅い設定では、ダイアフラムのほぼ円形の形状が決定要因になります。開口部を完全に開いていると仮定すると、主な効果は次のようになります。特定の被写界深度が得られます。オブジェクトポイントAが正しい距離にあり、ポイントのような画像を生成する場合、このポイントは、レンズの長方形の形状に関係なく、ポイントのままです。ただし、オブジェクトポイントBが他の距離にある場合、そのポイントのイメージとしてブラーが発生します。光線の束があるためにぼやけが発生し、その束はフィルムまたはチップと交差するある程度のサイズを持っています。レンズは長方形であるため、このバンドルはピラミッド型であり、ぼかしは通常の円形のものではなく長方形のぼかしになります。たとえば、誰かの写真を撮っていると言います」バックグラウンドで星空と顔。あなたは顔に焦点を合わせます。星は小さなあいまいな長方形として表示されます。

非常に高い倍率では（非常に長いレンズで実質的に小さな望遠鏡になる場合があります）、回折パターンも表示される可能性があります。星空の背景を持つ顔の例では、焦点を無限に変えて、顔の焦点を合わせないとします。波の光学系は、（収差がない場合）円形の開口部を使用するが、長方形の開口部を使用する場合、星の回折パターンはリング（一次フリンジ）に囲まれた中央（次数0）のフリンジになると予測します異なるパターンが得られます（縞模様の長方形のグリッドのように）。実際には、開口部が完全に開いた状態でカメラが回折限界に達するとは思いません。開口が広くなると回折は減少しますが、光線光学収差は増加し、

レンズは製造プロセスに最適であるため、常に丸みを帯びて生産されていました。それらを正方形にすることは、その後、少なくとも非常に正確な切断を伴うため、それらははるかに高価になります。（ただし、正方形のレンズはいくつかの特別な目的のために製造されています）

センサーが円形ではなく正方形である理由を尋ねることができますか？

それに対する答えは、スクリーン、フィルム、そして最終的には写真用紙の形が正方形であるということです。正方形の写真が必要な場合、円形センサーは必要ありません！

確かにポイントは

1. あらゆる方向から来る光に同じ「操作」を適用するには、着信画像の異なるポイント間の空間比を歪めないために、円対称の形状が必要です

2. レンズは一般に、表面に光が一点に集中することを目指しています。その点は、カメラのCMOSセンサーの「少し後ろ」にありますが、その同じ原理と物理学により、レンズの断面形状がそれを達成することが決まります。すべての方向でそれを繰り返すと、レンズのように回転してフラットドーム型になります

3. これは、衛星放送受信アンテナがドーム型でボックス型ではない理由と同様の理由です

しかし、製造が簡単だからではありません。雨滴とガラス玉にはレンズ効果があります。Windowsにはありません。屈折材料のキューブとボックスには、その効果はありません。

レンズは丸くする必要はありません。眼鏡フレームが表示されるさまざまな形を見てください。

ただし、これらのレンズはすべて、球面を備えたストックレンズから切り取られたセクションです（非点収差を補正するレンズを一瞬無視します）。

基本的に答えがあります。あらゆる種類の非対称性は、カメラに非点収差を与えます。つまり、ポイントを垂直と水平に同時に焦点を合わせることができないことです。

レンズは、回転軸に沿って一貫した焦点を提供する必要があります。水平方向に1 cm離れた2本の平行光線がレンズに当たる場合、垂直方向に1 cm離れた2本の平行光線と同じ距離で焦点を合わせる必要があります。

本当に奇妙なBokkehを作成するだけでなく、長方形のレンズはレンズの口径食を悪化させ、他の負の光学収差効果の中でも特に画像領域に非対称の解像度を作成します。センサーの特定のポイントに当たる光は、ガラスの広いスワスから来ています-センサーの角に当たる光は、センサーに向かう途中のレンズ要素の対応するコーナー領域のみを通過しませんでした（回折自体が画質を大幅に低下させるような小さな開口を一貫して選択しない限り）。レンズメーカーは、絞りを含め、すべてが目的の画像品質のために対称であることを保証するために多大な努力を払っています。低品質のレンズには、非常に角張った五角形または六角形の虹彩を作る平らなエッジを持ついくつかの絞り羽根があります... これは、画像の中央であっても、レンズのMTFチャート（レンズの解像度を測定する尺度）に測定可能なほどの悪影響を与える可能性があります。より高品質のレンズに移動すると、はるかに対称的な円形の開口部が見つかります...キヤノンとニコンが出したハイエンドの数千ドルのレンズの開口部は非常に円形の絞りを持っています-それは単なる開口部です...グラスに落とすと、画像がさらに劣化します。映画撮影の真のハイエンド（5桁）レンズは円形です。レンズ要素。これは、中央から隅までの画像領域全体の画像品質のためです。センサーが正方形、長方形、円形、さらには星形や三日月形であっても、レンズ-少なくとも本当に良いもの-は対称（円形）のままです。はい、

量子電気力学の完全な説明に入る前に説明することは困難ですが、センサーに到達するすべての光は、少なくともある意味では、単一の光子について話している場合でも、すべてのレンズを「通過」します。フォトンはたった1つのパスをたどりません（どのパスをたどったのかを間違えない限り）、考えられるすべてのパスを取ります。奇妙ですが、本当です。

つまり、丸いレンズからガラスを取り外して小さな長方形を作成しても、使用されていない「余分な」ガラスは削除されず、実際にはイメージング（および集光）に使用されるガラスが削除されます。同様に、純粋に美容上の理由でレンズを長方形にするために余分なガラスを追加すると、多くの追加費用がかかるだけでなく、その「余分な」ガラスもイメージング確率分布に寄与するため、正確にする必要がありますあなたが拡張している円形レンズと同様に作られ、修正されました。ここで説明したように、レンズを大きく（速く）すればするほど、より多くの補正が必要になり、より高い精度が必要になり、価格が上がります。

ただし、それとはまったく別に、ボケ（焦点が合っていない領域の性質、特にハイライト）は、本当にひどく見えます。

これは、画像の前面のすべての部分がすべてのピクセルの光線を収集するという論争の的となっているアイデアについてです。

拡散面は、あらゆる方向に光線を送ります。レンズに当たる小さな円弧内のほぼ無限の光線です。これらの無限光線は、点光源から単一のピクセルに向けられる必要があります。これは難しいので、シャープなレンズを見つけるのは難しいのです。これは別の話です。

大きく開いた3つの画像を撮影し、未使用の部分を長方形のカットペーパーで覆い、さらに3つを撮影しました。一番上の画像は覆われていない画像で、下の画像は覆われている画像です。フレームに覆われていないことがわかると、画像が15％暗くなります。

これは、幾何光学の最も単純なモデルで説明できます。オブジェクトでは、拡散反射が発生します。これは、すべての方向に異なる明るさの複数の光線として表される場合があります。レンズの直径を大きくすると（長方形が小さくなります）、明るい画像になります。

Q：「イメージセンサーが円形ではないのに、なぜレンズは円形なのですか？正方形やイメージセンサーの形状に合ったものにできないのはなぜですか？」

A：レンズやその他の丸いオブジェクトは、回転しやすいため丸くなっています（はい、Mythbustersの「Square Wheel Video」を知っています）。丸いレンズは、正方形のレンズ（アナモルフィックのような）と比較して、正確に研磨するのが簡単です。心配する（作成または整列する）次元が1つ少ないか、完全に正方形のレンズの場合は、イメージサークルが大きくなります。

安価なレンズは、安価なレンズとなるのに十分な精度で射出成形によって大量生産できるため、レンズは長いものから丸いものまで簡単に任意の形状にすることができます。

高価なGlassはそれだけで高価です。可視スペクトル外の光をキャプチャするために使用される一部のカメラには、ガラスではなくエキゾチックな素材で作られたレンズがあり、作業が困難です。品質を損なうことなく作業量を減らすと、費用を節約できます。

ほとんどのセンサー（今日）は長方形です（16：9）人間の視覚は左右に「動く」（地平線をスキャンする）ため、上下ではありません（かつては上に見えるものはほとんどなく、下には遠くなかったので、私たちの脳はそのように発展しました）-サイズ16：9は、好ましい「ワイドスクリーンフォーマット」を提供するため、標準として選択されました（16：9よりも幅が広く、通常はアナモルフィックレンズが使用されていたことがわかります）。

丸型レンズの使いやすさとコストの考慮事項に加えて、スクエアセンサーがあります。センサーのエッジは平らで、真っ直ぐに切断するのが簡単であるため、円形ではありません（センサーはレンズのように磨かれていません）。

センサーは、センサーが作られている丸いウエハーから最大限に引き出すため、正方形です。ウェーハはインゴットからスライスされるため、丸くなります。インゴットは、それが成長する方法であるため、管状です。

したがって、すべてのコストを最小限に抑えるため、レンズは丸く、センサーは正方形です（スペースで使用される単一の巨大なセンサー、デッドピクセルがマッピングされたウェーハごとに1つのセンサーのように、LCDスクリーンの初期のように）。

しかし、長方形のセンサー（16：9）をカットするのは難しくありません。素敵な超高解像度、大きなピクセルのセンサーを小さな断片に分割したい場合（人々がセンサーに10万ドル以上を支払いたくないため）政府でない限り）。

そのため、ほとんどのセンサーを16：9の形状に切り刻み、より少ない数を4：3にカットします（これらのカメラには高価なレンズが搭載されているため）。美的に美しい形状の画像を取得するための比較的低コストのGlassの一部（正方形またはオタクのみが、可視スペクトル外で動作するセンサー、または正方形の画像またはデータポイントのマトリックスを生成するセンサーを必要とする）。

16：9フォーマットは、35 mmフィルムの3：2アスペクト比を単純に拡大したものであり、現在の写真が発展し、他のフォーマットが出たり入ったりすることはありません。最大のフォーマットの）。

基本的に：系統、コスト、品質。時には常識も役割を果たしました。

参照：https : //en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size