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

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?

Я имею в виду, что мне кажется, что диафрагма «обрезает» изображение до все 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?

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, красные - это конус света, допускаемый широкой апертурой. В этом случае вы можете представить диафрагму непосредственно перед или сразу за объективом (с простой линзой нет большой разницы). Независимо от диафрагмы, свет все еще фокусируется в одной и той же 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 вызвать виньетирование.

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

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 меньше света, попадающего на датчик. Вот почему использование меньшей диафрагмы (или объектива меньшего размера) требует более длительного времени экспозиции; датчик требует больше времени для поглощения того же количества света.

Итак, если уменьшение апертуры вынуждает вас использовать более длительное время экспозиции, какой смысл вообще иметь апертуру? Уменьшение экспонированного света иногда может быть полезным (например, это цель зрачка глазного яблока, которая в точности аналогична апертуре) , но основная причина наличия апертуры в камере на самом деле связана с точками, которые находятся вне фокус.

Не в фокусе - слишком далеко

Не в фокусе - 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 не сфокусированные точки выглядят размытыми на фотографии.

(Этот круг иногда называют Кругом замешательства . Кстати, это также объясняет, почему точки не в фокусе, которые ярче окружающих точек, отображаются в виде круглых дисков )

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

Не в фокусе с диафрагмой

Мы снова видим, что меньше света попадает на сенсор, а значит, 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 нужно времени выдержки (из-за большего количества света) , но тем меньше будет ваша глубина резкости (из-за света от не в фокусе) точки, поражающие большую площадь) . И наоборот, чем меньше диафрагма (или объектив), тем больше будет ваша глубина резкости, но вам потребуется больше 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 .

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

Я сгенерировал вышеупомянутые изображения, используя этот удивительный инструмент .

Это может помочь думать 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. То же самое, очевидно, 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).

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 « камера-обскура» и является тем, откуда камера получает свое имя.