Как работает диафрагма без «обрезки» изображения, попадающего на сенсор?

Question

Я обучал себя различным настройкам в камерах, и теперь у меня есть более полное понимание того, как эффективно использовать мою камеру, но одна вещь все еще беспокоит меня.

Когда размер диафрагмы изменяется, перемещаются ли другие объективы, чтобы перефокусировать пучки лучей до полного размера кадра?

То, что я имею в виду, для меня - это диафрагма, которая «обрезает» изображение до меньшего и меньшего круга (или, скорее, n-сторонней формы). Хотя я понимаю, что это, очевидно, означает меньше света, происходит ли что-то еще, что переориентирует световой пучок обратно, чтобы он помещался на весь датчик при его настройке?

Answer 1

Я недавно пытался выяснить это сам и нашел этот вопрос. Я не чувствовал, что принятый ответ был достаточно полным, поэтому вот мой выстрел (без каламбура!) :

Первое, что нужно понять, это то, что свет, который отражается от какой-либо одной точки на поверхности, - это не один луч света, а множество, приходящих под разными углами и отражающихся под разными углами. Большинство этих лучей никогда не попадут в объектив камеры; однако некоторые делают и будут фокусироваться на одной точке на датчике изображения (при условии, что эта точка находится в фокусе) .

Свет от точки фокусировки, проходящей через объектив

Так что же произойдет, если мы поместим апертуру позади (или перед) объектива?

Диафрагма за объективом

Свет от точки все еще попадает на датчик изображения, поэтому он все равно будет отображаться на изображении. Однако теперь у нас просто на 1023 * меньше света от этой точки, попадающей на датчик. Вот почему при использовании диафрагмы меньшего размера (или объектива меньшего размера) требуется большее время экспозиции; датчику требуется больше времени для поглощения того же количества света.

---

Итак, если уменьшение апертуры заставляет вас использовать более длительное время экспозиции, какой смысл вообще иметь апертуру? Уменьшение освещенности иногда может быть полезным (например, это цель зрачка глазного яблока, которая точно аналогична апертуре) , но основная причина наличия апертуры в камере на самом деле должна делать с точками, которые не в фокусе.

Вне точки фокусировки - слишком далеко

Вне точки фокусировки - слишком близко

Обратите внимание, что в обоих случаях все световые лучи исходят из одной точки, но не все попадают на датчик изображения в одной точке. Скорее они разбросаны по кругу. Это то, что приводит к тому, что нерезкие точки выглядят размытыми на фотографии.

(Этот круг иногда называют Круг неразберихи . Кстати, это также объясняет, почему не в фокусе точки, которые ярче окружающих точек , выглядят как круглые диски )

Итак, что происходит, когда мы помещаем диафрагму позади (или перед) объектива в этом случае?

Вне точки фокусировки с диафрагмой

Мы снова видим, что меньшее количество света попадает на датчик, а это значит, что нам снова понадобится более длительная экспозиция. Однако произошло еще кое-что: круг света (с нашей точки зрения), падающий на датчик, стал меньше. Это приведет к тому, что точка будет более сфокусированной на конечном изображении! Следовательно, меньшая апертура увеличит диапазон глубины, на котором объекты появляются в фокусе, т.е. это увеличивает глубину резкости.

Таким образом, чем больше диафрагма (или объектив), тем меньше время выдержки вам понадобится (из-за большего количества света) , но чем меньше ваша глубина резкости будет (из-за того, что лучи не в фокусе попадают на большую область) . И наоборот, чем меньше диафрагма (или объектив), тем больше будет ваша глубина резкости, но тем больше потребуется времени выдержки.

Если бы мы могли получить бесконечно малую диафрагму †, мы могли бы сфокусировать все в одном кадре ... но нам потребовалось бы очень большое время экспозиции или чрезвычайно чувствительный датчик! По сути, так работает камера-обскура .

^{† Что ж, отверстие все равно должно быть больше длины волны света, но это совсем другая тема ...}

---

Я сгенерировал вышеупомянутые изображения, используя этот замечательный инструмент .

Answer 2

Линзы не пропускают свет напрямую, они фокусируют его, если вы простите паршивую трассировку лучей:

Зеленые линии представляют конус света, падающий на объектив с узкой апертурой, красный - это конус света, пропускаемый широкой апертурой. В этом случае вы можете представить диафрагму непосредственно перед или сразу за объективом (с простой линзой разница невелика) Независимо от диафрагмы, свет все еще сфокусирован в одной точке. Это простой объектив, но то же самое относится и к сложным объективам. Вот где ваша интуиция об обрезке (обычно называемая виньетированием в этом контексте) изображения вступает в игру: в сложной линзе апертура должна быть в соответствующем месте. Препятствия в других частях объектива могут привести к виньетированию.

Answer 3

Это может помочь подумать о вашем глазу. Ваш глаз - это, по сути, камера, и диафрагма в ваших глазах выполняет ту же функцию, что и диафрагма в объективе вашей камеры. Когда вы выходите на улицу в яркий день, ваши радужные оболочки сужаются, чтобы уменьшить количество света, попадающего на сетчатку, но у вас все еще остается то же поле зрения - изображение не обрезается. Очевидно, то же самое происходит с объективом вашей камеры.

Причина, по которой изображение не обрезается, заключается в том, что лучи всего изображения падают на всю поверхность объектива (будь то камера или глаз). Вы можете вообразить конус лучей, покидающих каждую точку поля зрения, где кончик конуса находится в точке, а основание конуса - линза. Радужная оболочка уменьшает диаметр основания этого конуса, поэтому света становится меньше, но часть конуса, тем не менее, проходит через радужную оболочку и фокусируется линзой в одну точку на датчике (или сетчатке).

Answer 4

Нет, при смене диафрагмы перефокусировка не требуется, и диафрагма не обрезает изображение.

Как вы, возможно, знаете, изображение отражается и переворачивается при попадании на сенсор. Изображение сфокусировано в одной точке внутри объектива и перевёрнуто с другой стороны. Эта точка, где встречаются все световые лучи, является апертурой, поэтому изображение может проходить через такое маленькое отверстие без обрезки.

Элементы объектива в объективе фактически не нужны для получения изображения, необходима только диафрагма. У камеры-обскуры вообще нет линз, у нее есть только маленькая обскура, которая работает как апертура и проецирует изображение на пленку.

Эффект называется camera obscura и отсюда его имя получает камера.