Como a abertura funciona sem "cortar" a imagem que atinge o sensor?

Eu tenho me ensinado as várias configurações das câmeras e agora tenho uma compreensão muito mais completa de como usar minha câmera de maneira eficaz, mas uma coisa ainda está me incomodando.

Quando o tamanho da abertura é alterado, outras lentes estão se movendo para focar novamente os feixes de raios no tamanho de quadro completo?

O que quero dizer é que, para mim, a abertura pareceria "cortar" a imagem em um círculo cada vez menor (ou na forma de n lados). Embora eu entenda que isso obviamente significa menos luz, existe algo mais que redireciona o feixe de luz de volta para o sensor inteiro quando ele é ajustado?

As lentes não brilham a luz diretamente, elas a focalizam, se você perdoa o péssimo traçado de raios:

As linhas verdes representam o cone de luz que atinge a lente com uma abertura estreita; o vermelho é o cone de luz permitido por uma ampla abertura. Nesse caso, você pode imaginar a abertura imediatamente na frente ou atrás da lente (não há muita diferença com uma lente simples) Independentemente da abertura, a luz ainda está focada no mesmo ponto.

Essa é uma lente simples, mas o mesmo vale para lentes complexas. É aí que a sua intuição sobre o corte (geralmente chamada de vinheta neste contexto) entra em cena: em uma lente complexa, a abertura deve estar em um local apropriado. Obstruções em outras partes da lente causarão vinhetas.

Recentemente, eu estava tentando descobrir isso sozinho e encontrei esta pergunta. Não achei que a resposta aceita fosse completa, então aqui está minha chance (sem trocadilhos!) :

A primeira coisa a entender é que a luz que reflete em qualquer ponto da superfície não é um feixe de luz, mas muitas, entrando em muitos ângulos diferentes e refletindo em muitos ângulos diferentes. A maioria desses feixes nunca atinge a lente da câmera; no entanto, alguns o fazem e serão focados em um único ponto no sensor de imagem (supondo que esse ponto esteja em foco) .

Luz de um ponto em foco passando por uma lente

Então, o que acontece se colocarmos uma abertura atrás (ou na frente) da lente?

Abertura atrás da lente

A luz do ponto ainda atinge o sensor de imagem, por isso ainda será exibido na imagem. No entanto, agora temos menos luz a partir desse ponto, atingindo o sensor. É por isso que usar uma abertura menor (ou uma lente menor) requer mais tempo de exposição; o sensor requer um tempo maior para absorver a mesma quantidade de luz.

Portanto, se tornar a abertura menor obriga a usar tempos de exposição mais longos, qual é o sentido de ter uma abertura? Às vezes, reduzir a luz exposta pode ser útil (por exemplo, esse é o objetivo da pupila de um globo ocular, que é exatamente análogo a uma abertura) , mas a principal razão para ter uma abertura em uma câmera realmente tem a ver com pontos que estão fora de foco.

Ponto fora de foco - muito longe

Ponto fora de foco - muito perto

Observe que, em ambos os casos, todos os feixes de luz vêm de um único ponto, mas nem todos atingem o sensor de imagem em um único ponto. Em vez disso, eles estão espalhados em um círculo. É isso que faz com que os pontos fora de foco apareçam desfocados em uma foto.

(Esse círculo às vezes é chamado de Círculo de Confusão . Aliás, isso também explica por que os pontos fora de foco mais brilhantes que os pontos ao redor aparecem como discos circulares )

Então, o que acontece quando colocamos uma abertura atrás (ou na frente) da lente nesse caso?

Ponto fora de foco com abertura

Vemos mais uma vez que menos luz atinge o sensor, o que significa que precisaremos novamente de uma exposição mais longa. No entanto, algo mais aconteceu: o círculo de luz (do nosso ponto) atingindo o sensor ficou menor. Isso fará com que o ponto apareça mais em foco na imagem final! Portanto, uma abertura menor aumentará o alcance da profundidade em que os objetos aparecem em foco, ou seja. aumenta a profundidade de campo.

Assim, quanto maior a abertura (ou lente), menor será o tempo de exposição (devido à existência de mais luz) , mas menor será a profundidade de campo (devido à luz fora de foco) pontos atingindo uma área maior) . Inversamente, quanto menor sua abertura (ou lente), maior será a profundidade de campo, mas mais tempo de exposição será necessário.

Se pudéssemos obter uma abertura infinitamente pequena †, poderíamos focar tudo de uma só vez ... mas precisaríamos de um tempo de exposição extremamente longo ou de um sensor extremamente sensível! É essencialmente assim que uma câmera pinhole funciona.

^{† Bem, a abertura ainda precisaria ser maior que o comprimento de onda da luz, mas esse é outro assunto ...}

Eu gerei as imagens acima usando esta ferramenta incrível .

Pode ajudar a pensar no seu olho. Seu olho é essencialmente uma câmera, e a íris funciona com a mesma função que a íris na lente da câmera. Quando você sai de casa em um dia claro, suas íris se contraem para reduzir a quantidade de luz que atinge sua retina, mas você ainda tem o mesmo campo de visão - a imagem não é cortada. Obviamente, acontece o mesmo com a lente da sua câmera.

A razão pela qual a imagem não é cortada é que os raios de toda a imagem caem em toda a superfície da lente (seja sua câmera ou seus olhos). Você pode imaginar um cone de raios saindo de cada ponto no campo de visão, onde a ponta do cone está no ponto e a base do cone é a lente. A íris reduz o diâmetro da base desse cone, então há menos luz, mas parte do cone passa pela íris e é focada pela lente em um único ponto no sensor (ou retina).

Não, não é necessário focar novamente quando você altera a abertura, e a abertura não corta a imagem.

Como você deve saber, a imagem é espelhada e de cabeça para baixo quando atinge o sensor. A imagem é focada em um único ponto dentro da lente e sai do outro lado. Este ponto em que todos os raios de luz se encontram é a abertura, é por isso que a imagem pode passar por um buraco tão pequeno sem ser cortada.

Os elementos da lente na lente não são realmente necessários para produzir a imagem, apenas a abertura é necessária. Uma câmera pinhole não possui nenhuma lente, possui apenas uma pequena pinhole que funciona como abertura e projeta a imagem no filme.

O efeito é nomeado camera obscura e é de onde a câmera recebe esse nome.