چرا لنز دوربین گرد است، اما عکس‌ها مستطیل؟

آیا تا به حال با نگاه کردن به دوربین خود، از خود پرسیده‌اید که چرا لنز دوربین شما گرد است، اما عکس‌هایی که می‌گیرید مستطیلی هستند؟ شاید در نگاه اول به نظر برسد که این یک انتخاب تصادفی است، اما قضیه عمیق‌تر از این حرف‌هاست. این تفاوت ظاهری، نتیجه‌ی یک توازن هوشمندانه بین قوانین فیزیک نور و طراحی کاربردی دوربین است.

لنز گرد بهترین راه برای جمع‌آوری یکنواخت نور از محیط اطراف است و کمک می‌کند تا پرتوهای نور به شکل واضح و بدون اعوجاج به سمت سنسور هدایت شوند و خطاهای تصویری به حداقل برسد.

اما در سوی دیگر، این سنسورهای مستطیلی دوربین هستند که این دایره‌ی نور را به یک قاب آشنای مستطیلی تبدیل می‌کنند. سنسور مستطیلی، به طور هوشمندانه، بهترین و واضح‌ترین قسمت مرکزی تصویرِ دایره‌ای لنز را برش می‌دهد و همچنین از نظر اقتصادی، تولید و استفاده از آن بسیار بهینه‌تر از یک سنسور گرد است.

برای کسب اطلاعات کامل تر در مورد این دلیل علمی و عملی، ادامه‌ی مقاله را بخوانید و بفهمید که چگونه شکل گرد لنز و شکل مستطیلی سنسور با هم همکاری می‌کنند تا عکس‌هایی با کیفیت به دست شما برسد.

فهرست محتوا

• فرمانروایی دایره: چرا عدسی‌ها گرد هستند؟
• قلب دیجیتال دوربین: پلی بین نور و پیکسل
• برش هوشمندانه: وقتی سنسور مستطیلی، بهترین بخش دایره‌ی نور را انتخاب می‌کند
• چرا لنزها و سنسورها هم‌شکل ساخته نمی‌شوند؟
• قاب آشنا: چطور مستطیل بر دید ما حکومت می‌کند؟
• آیا ترکیب دایره و مستطیل همیشگی است؟
• کلام آخر
• سوالات متداول

 

فرمانروایی دایره: چرا عدسی‌ها گرد هستند؟

برای فهمیدن دلیل گرد بودن لنز دوربین، باید به سرچشمه‌ی همه‌چیز، یعنی خودِ نور، بازگردیم. نور، این پدیده‌ی بنیادی فیزیک، وقتی از منبعی منتشر می‌شود، رفتاری بی‌طرفانه دارد و به‌صورت کروی و در تمام جهات به طور کاملاً یکسان پخش می‌شود.

مهم‌ترین وظیفه‌ی عدسی همگرا، مهار کردن همین پرتوهای پراکنده، خم کردن آن‌ها و متمرکز ساختن دقیقشان در یک نقطه‌ی مشخص روی سنسور دوربین است. پس، بهترین شکل هندسی برای مهار کردن چیزی که ذاتاً کروی پخش می‌شود چیست؟ طبیعت و علم فیزیک یک پاسخ قاطع دارند: دایره.

یک لنز دوربین دایره‌ای از مزیت کلیدی «تقارن شعاعی» بهره می‌برد، به این معنی که تمام نقاط لبه‌ی لنز، فاصله‌ای یکسان از مرکز دارند. این تقارن بی‌نقص باعث می‌شود همه‌ی پرتوهای نور، چه از وسط وارد شوند و چه از گوشه، با زاویه‌ای دقیق و هماهنگ بشکنند و به یک نقطه‌ی کانونی مشترک برسند.

این هماهنگی، نه‌تنها کلید دستیابی به تصویری شفاف و واضح است، بلکه نقش حیاتی در توزیع یکنواخت نور روی سطح حسگر دارد. اگر لنز شکل دیگری داشت، نور در مرکز آن بسیار شدیدتر متمرکز می‌شد و پدیده‌ای آزاردهنده به نام «وینیِتینگ» (تیرگی گوشه‌ها) به وجود می‌آمد، درحالی‌که شکل گرد لنز این مشکل را به حداقل می‌رساند و تضمین می‌کند که تمام سطح حسگر، به میزان یکسانی از نور بهره‌مند شود.

همچنین، لنزهای گرد با دشمنان ذاتی کیفیت تصویر، یعنی «خطاهای اپتیکی» (مانند ابیراهی رنگی و کروی) نیز مبارزه می‌کنند. طراحی دایره‌ای، به‌ویژه در ترکیب با چند عدسی، به مهندسان اجازه می‌دهد این خطاها را به شکل مؤثری خنثی کنند. در واقع، شکل گرد لنز دوربین، نقطه‌ی شروعی ایده‌آل برای ساختن ابزاری است که بتواند نور را با حداکثر وفاداری و حداقل خطا به تصویر تبدیل کند.

اگر به دنبال نکات مهم در عکاسی هستید، مطالعه مقاله «عکاسی از محصول و 5 نکته مهمی که برای شروع باید بدانید» می‌تواند برای شما مفید باشد.

قلب دیجیتال دوربین: پلی بین نور و پیکسل (مترجم نور به زبان صفر و یک)

بین لنز دایره‌ای که نور را با دقت جمع‌آوری می‌کند و عکس نهایی که روی نمایشگر می‌بینیم، یک قطعه‌ی حیاتی قرار دارد که کمتر به چشم می‌آید و بیشترین کار را انجام می‌دهد: سنسور تصویر. این قطعه‌ی هوشمند، نورِ جمع‌آوری‌شده توسط لنز را می‌گیرد، آن را می‌سنجد و به زبان قابل فهم برای کامپیوتر، یعنی صفر و یک دیجیتال، ترجمه می‌کند. در واقع، سنسور همان نقشی را دارد که فیلم عکاسی در نسل آنالوگ ایفا می‌کرد؛ فقط بسیار هوشمندتر و سریع‌تر.

شبکه‌ای از چشم‌های کوچک: چگونه شدت نور ثبت می‌شود؟

سطح این سنسور از شبکه‌ای میلیونی از سلول‌های بسیار کوچک و حساس به نور، یا همان فتودیودها، پوشیده شده است که هر کدام نماینده‌ی یک پیکسل در تصویر نهایی هستند.

هنگامی که پرتوهای نور از لنز دوربین عبور کرده و به این فتودیودها برخورد می‌کنند، یک بار الکتریکی متناسب با شدت نور دریافتی در آن‌ها ایجاد می‌شود. هرچه نور قوی‌تر باشد، بار الکتریکی تولیدی قوی‌تر است. به‌این‌ترتیب، سنسور یک نقشه‌ی دقیق و خام از روشنایی و تاریکی صحنه را به زبان الکتریسیته ثبت می‌کند.

کشف رنگ‌ها با ترفند هوشمندانه: موزاییک فیلتر بِیِر

فتودیودها ذاتاً کوررنگ هستند و فقط شدت نور را می‌سنجند. برای دیدن رنگ‌ها، مهندسان ترفندی هوشمندانه به کار می‌برند: استفاده از «موزاییک فیلتر بِیِر» (Bayer filter).

این یک شبکه‌ی میکروسکوپی از فیلترهای قرمز، سبز و آبی است که روی هر فتودیود قرار گرفته و به آن اجازه می‌دهد فقط یکی از سه رنگ اصلی را ببیند (نیمی از فیلترها سبز هستند، زیرا چشم ما به سبز حساسیت بیشتری دارد).

سپس، پردازشگر قدرتمند دوربین با استفاده از الگوریتم‌های پیچیده‌ای به نام «دموزاییکینگ» (Demosaicing)، اطلاعات خام و تکه‌تکه از رنگ‌ها را از پیکسل‌های مجاور دریافت کرده و رنگ واقعی هر پیکسل را حدس می‌زند و بازسازی می‌کند تا تصویر نهایی، زنده و تمام‌رنگی شود.

برش هوشمندانه: وقتی سنسور مستطیلی، بهترین بخش دایره‌ی نور را انتخاب می‌کند

وقتی نور از لنز گرد دوربین عبور می‌کند، تصویری که روی صفحه‌ی کانونی شکل می‌گیرد، در واقع دایره‌ای است. به این دایره، «دایره‌ی تصویر» (Image Circle) می‌گویند که شامل تمام اطلاعات نوری ثبت‌شده از صحنه است. لنزها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که قطر این دایره همیشه از قطر سنسور دوربین بزرگ‌تر باشد تا تضمین شود نور به‌طور کامل، حتی به گوشه‌های سنسور هم برسد.

اینجا است که سنسور مستطیلی وارد عمل می‌شود. سنسور، درست در مرکز این دایره‌ی تصویر قرار می‌گیرد و عملاً بهترین و باکیفیت‌ترین بخش آن را «برش» می‌زند و ثبت می‌کند. چرا این برش مرکزی مهم است؟ زیرا کیفیت تصویر در لبه‌های دایره‌ی تصویر معمولاً پایین‌تر است؛ این نواحی بیشتر دچار افت وضوح، تیرگی (وینیِتینگ) و خطاهای اپتیکی می‌شوند. با قرار دادن سنسور مستطیلی در قلب این دایره، ما هوشمندانه تیزترین، روشن‌ترین و بی‌خطاترین قسمت تصویر را انتخاب می‌کنیم و لبه‌های مشکل‌دار را نادیده می‌گیریم.

بنابراین، عکس مستطیلی که ما در نهایت می‌بینیم، یک برش هوشمندانه از یک واقعیت اپتیکیِ دایره‌ای است؛ یک سازش زیبا میان قوانین فیزیک (لنز گرد) و الزامات کارایی و کیفیت (سنسور مستطیلی) است.

چرا لنزها و سنسورها هم‌شکل ساخته نمی‌شوند؟

حالا که با کارکرد منحصر به فرد لنز گرد و سنسور مستطیلی آشنا شدیم، شاید این سؤال به ذهن خطور کند که اگر سنسورها مستطیلی هستند، چرا لنزها را مربعی نمی‌سازیم تا با هم جور دربیایند؟

یا برعکس، چرا سنسورها را گرد نمی‌سازیم تا کاملاً با تصویر دایره‌ای لنز هماهنگ باشند؟ پاسخ اینجاست: این دو شکل متفاوت، حاصل یک سازش هوشمندانه بین فیزیک نور و منطق اقتصادی-عملی هستند که هر کدام در قلمرو خود فرمانروایی می‌کنند و هر تلاشی برای تغییر شکل یکی، دیگری را دچار مشکل جدی می‌کند.

بن‌بست اپتیکی: چرا لنز مربعی یک فاجعه است؟

ایده‌ی لنز دوربین مربعی شاید در نگاه اول منطقی به نظر برسد، اما در عمل یک فاجعه‌ی اپتیکی خواهد بود. همان‌طور که گفتیم، جادوی لنز در تقارن شعاعی آن است که توزیع یکنواخت نور را تضمین می‌کند.

لنز مربعی این تقارن را به‌کلی از بین می‌برد. گوشه‌های تیز و لبه‌های صاف آن، نور را به شکل‌های نامنظم و غیرقابل‌پیش‌بینی می‌شکنند و باعث می‌شوند گوشه‌های تصویر نور را بسیار متفاوت‌تر از مرکز خم کنند، که نتیجه‌اش تصویری پر از اعوجاج و بی‌نظمی خواهد بود.

به‌علاوه، لبه‌های تیز یک مربع باعث تشدید پدیده‌ای به نام «پراش» (Diffraction) می‌شوند که وضوح و شارپنس تصویر را به‌شدت پایین می‌آورد. ساخت چنین لنزی از نظر فنی بسیار پیچیده و پرهزینه است و حتی استفاده از اکسسوری‌هایی مانند فیلترها را نامتعارف می‌کند. بنابراین، لنز دوربین گرد تنها راه مؤثر برای تمرکز دقیق و یکنواخت نور و حداقل کردن خطاهای اپتیکی باقی می‌ماند.

منطق اقتصادی: چرا سنسور گرد ساخته نمی‌شود؟

اگرچه سنسور گرد از نظر فیزیکی می‌توانست تمام دایره‌ی تصویری لنز را ثبت کند، اما این ایده در مقابل دو نیروی بزرگ شکست می‌خورد:

1. اقتصاد تولید
2. استانداردهای نمایش

سنسورهای دوربین از ویفرهای سیلیکونی گرد ساخته می‌شوند. برای به‌دست‌آوردن بیشترین تعداد سنسور از یک ویفر و به‌حداقل‌رساندن ضایعات، بهترین راه برش‌دادن آن به شکل شبکه‌ای از مستطیل‌ها یا مربع‌ها است.

اگر سنسورهای گرد ساخته می‌شد، فضای زیادی بین آن‌ها هدر می‌رفت و هزینه‌ی تولید سر به فلک می‌کشید و هیچ توجیه اقتصادی نداشت . از سوی دیگر، دنیای ما برای محتوای مستطیلی طراحی شده است؛ صفحه‌ی تلویزیون، مانیتور کامپیوتر و صفحه‌ی گوشی، همگی مستطیل هستند.

یک عکس دایره‌ای روی این نمایشگرها فضای زیادی را هدر می‌دهد و درنهایت برای سازگاری، مجبور می‌شدیم همان عکس دایره‌ای را برش بزنیم و به یک مستطیل تبدیل کنیم. پس، سنسور مستطیلی بهترین انتخاب برای استفاده بهینه و سازگاری با نمایشگرها باقی می‌ماند.

قاب آشنا: چطور مستطیل بر دید ما حکومت می‌کند؟

و حالا به بخش نهایی این معمای بصری می‌رسیم: چرا از میان تمام اشکال هندسی، این مستطیل است که بر تمام جهانِ تصویر فرمانروایی می‌کند؟ این انتخاب، ریشه‌هایی عمیق در تاریخ، هنر و حتی ساختار بینایی خود ما دارد.

تاریخ تثبیت‌کننده: از شیشه تا فیلم

ریشه‌های این انتخاب به اولین روزهای عکاسی بازمی‌گردد. در ابتدا، عکاسان تصاویر را روی صفحات شیشه‌ای ثبت می‌کردند و برش‌دادن شیشه به شکل مستطیل، بسیار ساده‌تر و کاربردی‌تر از هر شکل دیگری بود.

وقتی فیلم عکاسی جایگزین صفحات شیشه‌ای شد، این سنت ادامه یافت. استفاده از فیلم‌های نواری و رول کردن آن‌ها، ذاتاً فرمت مستطیلی را به‌عنوان استاندارد تحمیل کرد؛ شکلی که از هر سانتی‌متر سطحش می‌شد بیشترین استفاده را برد و کمترین دورریز را داشت.

به این ترتیب، از شیشه‌های نخستین دوربین تا فیلم‌های رول‌شده، فناوری عکاسی به‌طور عملی مستطیل را به‌عنوان قالب طبیعی تصویر تثبیت کرد.

همخوانی با هنر و دید انسان

این فرمت با سنت‌های هنری دیرینه نیز همخوانی داشت. قرن‌ها پیش از اختراع دوربین، نقاشان آثار خود را روی بوم‌های مستطیلی می‌کشیدند و آن‌ها را در قاب‌های چهارگوش به نمایش می‌گذاشتند. دیوارها، گالری‌ها و خانه‌ها، همه بر اساس زوایای قائمه ساخته می‌شدند؛ بنابراین مستطیل، شکلی آشنا، پایدار و راحت بود، هم برای چشم و هم برای محیط اطراف ما.

شاید دلیل عمیق‌تر، ساختار بینایی خود ما باشد. ما دو چشم داریم که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و این ترکیب، به ما میدان دیدی می‌دهد که عرضش از ارتفاعش بیشتر است؛ یک نمای پانورامیک و افقی از جهان. به همین دلیل عکس‌های مستطیلی، به‌خصوص با نسبت ابعاد $\text{3:2}$ یا $\text{16:9}$، حسی طبیعی‌تر و نزدیک‌تر به تجربه‌ی بصری ما از دنیا دارد.

آیا ترکیب دایره و مستطیل همیشگی است؟

آیا این ترکیب هوشمندانه میان لنزهای دایره‌ای که از فیزیک تبعیت می‌کنند و سنسورهای مستطیلی که از منطق اقتصادی پیروی می‌کنند، تا ابد در دنیای عکاسی پابرجا خواهد ماند؟ احتمالاً نه. دنیای فناوری همیشه در حال دگرگونی است و نوآوری‌هایی مانند «عکاسی محاسباتی» که امروزه فناوری کلیدی دوربین گوشی‌های هوشمند است، در حال تغییردادن قواعد بازی هستند.

الگوریتم‌های نرم‌افزاری هوشمند می‌توانند بسیاری از خطاهای نوری ذاتی لنزها (مانند وینیِتینگ یا ابیراهی‌ها) را به‌صورت دیجیتالی اصلاح کنند. این پیشرفت‌ها ممکن است در آینده دست طراحان را برای ساخت لنزها و سنسورهایی با اشکال نامتعارف‌تر بازتر کند، زیرا دیگر نیازی نیست تمام تصحیحات تنها توسط اپتیک سخت‌افزاری انجام شود.

از سوی دیگر، با ظهور فزاینده‌ی فناوری‌هایی مانند واقعیت مجازی (VR) و واقعیت افزوده (AR)، ممکن است تقاضا برای دوربین‌هایی با میدان دید بسیار وسیع‌تر و فراگیرتر افزایش یابد. در چنین دنیایی، ثبت تصاویر کروی یا ۳۶۰ درجه که تمام دایره‌ی تصویر لنز دوربین  را پوشش می‌دهند، می‌تواند به یک استاندارد جدید تبدیل شود و ارزش سنسورهای گرد (در صورت رفع موانع اقتصادی) یا لنزهای خاص را بالا ببرد.

بااین‌حال، تا زمانی که آن انقلاب بزرگ فرا برسد، هر بار که عکسی مستطیلی می‌گیرید، به یاد این داستان شگفت‌انگیز بیفتید. به یاد بیاورید که چگونه قوانین سخت‌گیرانه‌ی فیزیک، محدودیت‌های تولید انبوه و حتی شیوه‌ی دیدن طبیعی ما، همگی دست‌به‌دست هم داده‌اند تا این قاب مستطیلی کوچک را از دل یک دایره‌ی نورانی بیرون بکشند و خاطره‌ای ماندگار برای شما خلق کنند.

کلام آخر

در پایان، معمای تضاد میان لنز  دوربین گرد و عکس مستطیلی، نه یک اشتباه در طراحی، بلکه یک شاهکار مهندسی است. لنز گرد، تحت فرمانروایی فیزیک، بهترین و تنها راه برای جمع‌آوری یکنواخت نور، کاهش خطاها و تضمین وضوح تصویر است.

در سوی دیگر، سنسور مستطیلی، پاسخ هوشمندانه‌ی صنعت به نیازهای اقتصادی، کارایی تولید و استانداردهای نمایش در دنیای ماست. عکس مستطیلی شما، در واقع برشی است از بهترین و باکیفیت‌ترین قسمت دایره‌ی نوری که لنز دوربین  ایجاد کرده است.

این وصلت ناممکن بین دایره و مستطیل، در نهایت به ما اجازه می‌دهد تصاویری شفاف، استاندارد و متناسب با قاب آشنای دید انسان داشته باشیم. این سازش بزرگ، گواهی است بر این نکته که چگونه دوربین‌های ما، هم به علم دقیق اپتیک و هم به منطق کاربردی، احترام می‌گذارند.

سوالات متداول

1. چرا لنزها باید گرد باشند؟ آیا نمی‌شد لنز را هم مربعی ساخت؟

لنزها به دلیل قوانین فیزیک نور و برای حفظ «تقارن شعاعی» گرد ساخته می‌شوند. شکل دایره‌ای تنها راهی است که می‌تواند نور را به صورت یکنواخت متمرکز کند و خطاهای اپتیکی (مانند ابیراهی‌ها و وینیِتینگ) را به حداقل برساند. لنز دوربین مربعی باعث شکست نامنظم نور و افت شدید وضوح تصویر می‌شود.

2. اگر لنز تصویر دایره‌ای ایجاد می‌کند، پس عکس مستطیلی چگونه به دست می‌آید؟

سنسور دوربین که مستطیلی است، دقیقاً در مرکز دایره‌ی تصویر تشکیل‌شده توسط لنز قرار می‌گیرد و عملاً بهترین، واضح‌ترین و کم‌خطاترین بخش مرکزی آن دایره را برش می‌زند و ثبت می‌کند. لبه‌های دایره‌ای که کیفیت پایین‌تری دارند، نادیده گرفته می‌شوند.

3. چرا سنسورها را گرد نمی‌سازند تا کاملاً با تصویر لنز هماهنگ باشند؟

ساخت سنسورهای گرد از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست. سنسورها از ویفرهای سیلیکونی گرد بریده می‌شوند و برش مستطیلی بیشترین تعداد سنسور را با کمترین ضایعات ایجاد می‌کند. همچنین، تمام نمایشگرها (تلویزیون، موبایل، مانیتور) مستطیلی هستند و عکس دایره‌ای فضای زیادی را در آن‌ها هدر می‌دهد.

4. منظور از «تقارن شعاعی» در لنز چیست و چرا برای کیفیت تصویر مهم است؟

تقارن شعاعی یعنی هر نقطه‌ای روی لبه‌ی لنز دایره‌ای، فاصله‌ی یکسانی از مرکز دارد. این تقارن تضمین می‌کند که تمام پرتوهای نور، بدون توجه به زاویه‌ی ورود، با زاویه‌ای یکسان و هماهنگ بشکنند و دقیقاً به یک نقطه‌ی کانونی مشترک برسند که برای دستیابی به وضوح و شفافیت یکنواخت در کل تصویر حیاتی است.

5.چرا مستطیل شکل استاندارد نمایش عکس‌ها در جهان است؟

ریشه‌های آن به دلایل تاریخی (ساده‌تر بودن برش شیشه و ساخت فیلم‌های نواری مستطیلی) و کاربردی برمی‌گردد. مهم‌تر از همه، دید انسان به‌طور طبیعی افقی (عریض‌تر از ارتفاع) است و فرمت مستطیلی (مانند $\text{3:2}$ یا $\text{16:9}$) حسی طبیعی‌تر و متناسب با میدان دید ما از جهان ایجاد می‌کند.