Як працює діафрагма без "обрізання" зображення, що потрапляє на сенсор?

Я викладав собі різні параметри камер, і тепер я розумію, як ефективно використовувати камеру, але одне все ще мене клопоче.

Коли розмір діафрагми змінюється, чи рухаються інші об'єктиви, щоб переорієнтувати пучки променів на повний розмір кадру?

Я маю на увазі те, що мені здається, що діафрагма могла б "обрізати" зображення на менший і менший круг (або скоріше n-однобічну форму). Хоча я розумію, що це, очевидно, означає менше світла, чи відбувається щось інше, що переорієнтовує світловий пучок назад, щоб він помістився над усім датчиком, коли він регулюється?

Лінзи не світять світло безпосередньо наскрізь, вони фокусують його, якщо ви прощаєте невдалий промінь проміння:

Зелені лінії являють собою конус світла, що вражає лінзу вузькою діафрагмою, червоний - конус світла, дозволений широкою діафрагмою. У цьому випадку ви можете уявити діафрагму безпосередньо перед або безпосередньо за лінзою (різниця у простому об'єктиві не велика) Незалежно від діафрагми, світло все ще фокусується до тієї ж точки.

Це простий об'єктив, але те саме стосується складних. Ось де ваша інтуїція щодо обрізання (як правило, називається віньєтування в цьому контексті) зображення починає грати: у складному об'єктиві діафрагма повинна знаходитись у відповідному місці. Перешкоди в інших частинах лінзи спричинить віньєтування.

Нещодавно я сам намагався це зрозуміти і знайшов це питання. Я не вважав, що прийнята відповідь була цілком повною, тому ось мій знімок (жоден каламбур не призначений!) :

Перше, що потрібно зрозуміти, це те, що світло, яке відбивається від будь-якої точки на поверхні, - це не один промінь світла, а багато, що потрапляє під різними кутами і відбивається під різними кутами. Більшість цих променів ніколи не потраплять в об'єктив камери; однак деякі з них і будуть зосереджені на одній точці датчика зображення (якщо припустити, що ця точка знаходиться у фокусі) .

Світло від точки фокусування, що проходить через лінзу

То що станеться, якщо ми поставимо діафрагму за (або перед) об'єктивом?

Діафрагма за об'єктивом

Світло від точки все ще потрапляє на датчик зображення, тому воно все одно відображатиметься на зображенні. Однак у нас зараз просто менше світла, що вражає датчик. Ось чому використання меншої діафрагми (або меншої лінзи) вимагає більшого часу експозиції; датчику потрібно більше часу, щоб поглинати однакову кількість світла.

Отже, якщо зменшення діафрагми примушує вас використовувати більш тривалий час експозиції, який сенс взагалі мати діафрагму? Зменшення опроміненого світла іноді може бути корисним (наприклад, така мета зіниці очного яблука, яка точно аналогічна діафрагмі) , але головна причина наявності діафрагми в камері насправді пов’язана з точками, які не входять фокус.

Поза зоною уваги - занадто далеко

Поза зоною фокусування - занадто близько

Зауважте, що в обох випадках світлові промені надходять з однієї точки, але всі вони не потрапляють на датчик зображення в одній точці. Швидше, вони розкладені по колу. Саме це призводить до того, що точки зору, що не фокусуються, на фотографії з’являються розмитими.

(Іноді це коло називають Колом плутанини . Між іншим, це також пояснює, чому точки поза фокусом, які яскравіші за навколишні точки, виглядають як кругові диски )

Отже, що станеться, коли в цьому випадку ми поставимо діафрагму за (або перед) об'єктивом?

Поза зоною фокусування з діафрагмою

Ми ще раз бачимо, що менше сенсу потрапляє на датчик, це означає, що нам знову потрібна тривала експозиція. Однак сталося щось інше: коло світла (з нашої точки), що вражає датчик, стало менше. Це призведе до появи точки зору в фокусі остаточного фокусу! Отже, менша діафрагма збільшить діапазон глибини, при якому об’єкти з’являються у фокусі, тобто. це збільшує глибину різкості.

Таким чином, чим більша діафрагма (або лінза), тим менший час експозиції вам знадобиться (через те, що там більше світла) , але чим менша буде ваша глибина різкості (за рахунок світла поза фокусом) точки, що вражають більшу площу) . І навпаки, чим менша ваша діафрагма (або лінза), тим більша буде ваша глибина різкості, але чим більше часу знадобиться експозиція.

Якби ми могли отримати нескінченно малу діафрагму †, ми могли б зробити все у фокусі за один знімок ... але нам знадобиться надзвичайно довгий час опромінення або надзвичайно чутливий датчик! Це, по суті, як працює дверна камера .

^{† Ну, отвір все одно повинен бути більшим за довжину хвилі світла, але це зовсім інша тема ...}

Я створив наведені вище зображення за допомогою цього дивовижного інструменту .

Це може допомогти подумати про ваше око. Ваше око - це по суті камера, а райдужна оболонка у вашому оку виконує ту ж функцію, що і райдужна оболонка в об'єктиві камери. Коли ви виходите на вулицю у світлий день, ваші райдужні оболонки обмежуються, щоб зменшити кількість світла, яке потрапляє на вашу сітківку, але у вас все одно таке поле зору - зображення не обрізається. Очевидно те саме відбувається і з об’єктивом камери.

Причиною того, що зображення не обрізано, є те, що промені від усього зображення потрапляють на всю поверхню об’єктива (будь то камера чи око). Можна уявити конус променів, що залишає кожну точку в полі зору, де кінчик конуса знаходиться в точці, а основа конуса - лінза. Райдужка зменшує діаметр основи цього конуса, тому менше світла, але частина конуса все-таки проходить через райдужку і фокусується лінзою до єдиної точки на датчику (або сітківці).

Ні, при зміні діафрагми не потрібно перефокусування, а діафрагма не обрізає зображення.

Як ви можете знати, зображення відображається дзеркально і догори ногами, коли потрапляє на сенсор. Зображення фокусується в одній точці всередині об'єктива і виходить перевернутою з іншого боку. Ця точка, де зустрічаються всі світлові промені, - це діафрагма, тому зображення може проходити через такий невеликий отвір, не обрізаючи його.

Елементи об'єктива в об'єктиві насправді не потрібні для отримання зображення, потрібна лише діафрагма. У камери-наконечника взагалі немає об'єктивів, вона має лише невеликий отвір, який працює як діафрагма і проектує зображення на плівку.

Ефект називається камера-обскура і саме там камера отримала свою назву.