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

Линзы не пропускают свет прямо насквозь, они его фокусируют, если простить паршивую трассировку лучей:

Зеленые линии представляют конус света, падающий на объектив с узкой апертурой, красные — конус света, допускаемый широкой апертурой. В этом случае вы можете представить себе апертуру сразу перед или сразу за линзой (нет большой разницы с простой линзой) . Независимо от апертуры, свет по-прежнему фокусируется в одной и той же точке.

Это простой объектив, но то же самое относится и к сложным. Вот где ваша интуиция об кадрировании (обычно называемом виньетированием в этом контексте) изображения вступает в игру: в сложном объективе диафрагма должна быть в соответствующем месте. Препятствия в других частях объектива вызывают виньетирование.

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

Первое, что нужно понять, это то, что свет, отражающийся от любой точки на поверхности, — это не один луч света, а множество лучей, входящих под разными углами и отражающихся под разными углами. Большинство этих лучей никогда не попадут на объектив камеры; однако некоторые из них делают это и будут сфокусированы на одной точке на датчике изображения (при условии, что эта точка находится в фокусе) .

Свет от точки фокусировки, проходящий через линзу

Так что же произойдет, если мы поместим диафрагму позади (или перед) линзой?

Диафрагма за объективом

Свет от точки по-прежнему попадает на датчик изображения, поэтому он все равно будет отображаться на изображении. Однако теперь у нас просто меньше света из этой точки, попадающего на датчик. Вот почему использование меньшей диафрагмы (или меньшего объектива) требует более длительного времени экспозиции; датчику требуется больше времени, чтобы поглотить такое же количество света.

Итак, если уменьшение диафрагмы вынуждает вас использовать более длительную выдержку, какой смысл вообще иметь диафрагму? Уменьшение выставленного света иногда может быть полезным (например, для этого предназначен зрачок глазного яблока, который в точности аналогичен апертуре) , но основная причина наличия апертуры в камере на самом деле связана с точками, которые находятся снаружи. фокуса.

Точка не в фокусе - слишком далеко

Точка не в фокусе - слишком близко

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

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

Итак, что произойдет, если в этом случае мы поместим диафрагму позади (или перед) линзой?

Точка не в фокусе с диафрагмой

Мы снова видим, что меньше света попадает на датчик, а это значит, что нам снова понадобится более длинная выдержка. Однако произошло кое-что еще: круг света (с нашей точки), падающего на датчик, стал меньше. Это приведет к тому, что точка будет выглядеть более сфокусированной на финальном 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 экспозиции вам потребуется (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 ваша диафрагма (или объектив), тем больше будет глубина резкости, но тем больше времени выдержки вам потребуется.

Если бы мы могли получить бесконечно малую апертуру†, мы могли бы сфокусировать все на одном снимке… но нам потребовалась бы чрезвычайно большая выдержка или чрезвычайно чувствительный сенсор! По сути, так работает камера-обскура .

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

Я сгенерировал приведенные выше изображения с помощью этого замечательного инструмента .

Это может помочь подумать о вашем глазу. Ваш глаз — это, по сути, камера, и радужная оболочка вашего глаза выполняет ту же функцию, что и радужная оболочка объектива вашей камеры. Когда вы выходите на улицу в ясный день, ваши радужки сужаются, чтобы уменьшить количество света, попадающего на сетчатку, но вы сохраняете то же поле зрения — изображение не обрезается. То же самое, очевидно, происходит и с объективом вашей камеры.

Причина того, что изображение не кадрируется, заключается в том, что лучи от всего изображения падают на всю поверхность объектива (будь то ваша камера или ваш глаз). Можно представить себе конус лучей, выходящих из каждой точки поля зрения, где вершина конуса находится в точке, а основание конуса — в линзе. Радужная оболочка уменьшает диаметр основания этого конуса, поэтому света меньше, но часть конуса, тем не менее, проходит через радужную оболочку и фокусируется линзой в одной точке на датчике (или сетчатке).

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

Как вы, возможно, знаете, изображение зеркально отражается и переворачивается, когда попадает на сенсор. Изображение фокусируется в одной точке внутри объектива и выходит перевернутым на другую сторону. Эта точка, где встречаются все световые лучи, является апертурой, поэтому изображение может пройти через такое маленькое отверстие, не обрезаясь.

Элементы объектива в объективе на самом деле не нужны для создания изображения, нужна только диафрагма. Камера-обскура вообще не имеет линз, у нее есть только маленькая дырочка, которая работает как диафрагма и проецирует изображение на пленку.

Эффект называется камера-обскура , отсюда и название камеры.