Come funziona l'apertura senza "ritagliare" l'immagine colpendo il sensore?

Mi sono insegnato le varie impostazioni nelle fotocamere e ora ho una comprensione molto più completa di come utilizzare la fotocamera in modo efficace, ma una cosa mi sta ancora infastidendo.

Quando si modifica la dimensione dell'apertura, ci sono altri obiettivi che si stanno spostando per ricentrare i fasci di raggi sulla dimensione intera del fotogramma?

Quello che voglio dire è che, a mio avviso, il diaframma sembrerebbe "ritagliare" l'immagine in un cerchio sempre più piccolo (o piuttosto una forma a lato n). Mentre capisco che questo ovviamente significa meno luce, c'è qualcos'altro che riorienta il fascio di luce per adattarlo all'intero sensore quando viene regolato?

Le lenti non brillano direttamente attraverso la luce, la focalizzano, se perdoni il pessimo ray tracing:

Le linee verdi rappresentano il cono di luce che colpisce l'obiettivo con un'apertura stretta, il rosso è il cono di luce consentito da un'ampia apertura. In questo caso puoi immaginare l'apertura immediatamente davanti o immediatamente dietro l'obiettivo (non c'è molta differenza con un obiettivo semplice) Indipendentemente dall'apertura, la luce è ancora focalizzata sullo stesso punto.

È un obiettivo semplice, ma lo stesso vale per quelli complessi. È qui che la tua intuizione sul ritaglio (in genere chiamato vignettatura in questo contesto) entra in gioco l'immagine: in un obiettivo complesso, l'apertura deve essere in una posizione appropriata. Ostruzioni in altre parti dell'obiettivo causeranno la vignettatura.

Di recente stavo cercando di capirlo da solo, e ho trovato questa domanda. Non pensavo che la risposta accettata fosse abbastanza completa, quindi ecco il mio colpo (nessun gioco di parole previsto!) :

La prima cosa da capire è che la luce che si riflette su qualsiasi punto di una superficie non è un raggio di luce, ma molti, che arrivano da molti angoli diversi e si riflettono da molti angoli diversi. La maggior parte di questi raggi non colpirà mai l'obiettivo sulla fotocamera; tuttavia, alcuni lo fanno e saranno focalizzati su un singolo punto sul sensore di immagine (supponendo che quel punto sia a fuoco) .

Luce da un punto a fuoco che passa attraverso un obiettivo

Quindi cosa succede se mettiamo un'apertura dietro (o davanti) l'obiettivo?

Apertura dietro l'obiettivo

La luce dal punto colpisce ancora il sensore di immagine, quindi verrà comunque visualizzata nell'immagine. Tuttavia, ora abbiamo semplicemente meno luce da quel punto che colpisce il sensore. Ecco perché l'uso di un'apertura più piccola (o di un obiettivo più piccolo) richiede tempi di esposizione più lunghi; il sensore richiede più tempo per assorbire la stessa quantità di luce.

Quindi, se ridurre l'apertura del diaframma ti costringe a usare tempi di esposizione più lunghi, che senso ha avere un'apertura? Ridurre la luce esposta a volte può essere utile (ad esempio, è lo scopo della pupilla di un bulbo oculare, che è esattamente analogo a un'apertura) , ma il motivo principale per avere un'apertura in una fotocamera in realtà ha a che fare con punti che sono fuori di messa a fuoco.

Punto sfocato - troppo lontano

Punto fuori fuoco - troppo vicino

Si noti che, in entrambi i casi, i raggi di luce provengono tutti da un singolo punto, ma non colpiscono tutti il ​​sensore di immagine in un singolo punto. Piuttosto, sono sparsi in un cerchio. Questo è ciò che fa apparire sfocati i punti sfocati in una foto.

(Questo cerchio viene talvolta chiamato Cerchio di confusione . Per inciso, questo spiega anche perché i punti sfocati più luminosi dei punti circostanti appaiono come dischi circolari )

Quindi, cosa succede quando mettiamo un'apertura dietro (o davanti) l'obiettivo in questo caso?

Punto sfocato con apertura

Vediamo ancora una volta che meno luce colpisce il sensore, il che significa che avremo di nuovo bisogno di un'esposizione più lunga. Tuttavia, è successo qualcos'altro: il cerchio di luce (dal nostro punto) che colpisce il sensore è diventato più piccolo. Questo farà apparire il punto più a fuoco nell'immagine finale! Quindi, un'apertura più piccola aumenterà l'intervallo di profondità a cui gli oggetti appaiono a fuoco, ad es. aumenta la profondità di campo.

Pertanto, maggiore è l'apertura (o l'obiettivo), minore sarà il tempo di esposizione necessario (a causa della maggiore quantità di luce) , ma minore sarà la profondità di campo (a causa della luce sfocata punti che colpiscono un'area più ampia) . Inversamente, minore è l'apertura (o l'obiettivo), maggiore sarà la profondità di campo, ma maggiore sarà il tempo di esposizione.

Se potessimo avere un'apertura infinitamente piccola †, potremmo mettere a fuoco tutto in un colpo solo ... ma avremmo bisogno di un tempo di esposizione estremamente lungo o di un sensore estremamente sensibile! Questo è essenzialmente il modo in cui funziona una fotocamera a foro stenopeico .

^{† Bene, l'apertura dovrebbe comunque essere più grande della lunghezza d'onda della luce, ma questo è un altro argomento ...}

Ho generato le immagini sopra usando questo fantastico strumento .

Potrebbe aiutare a pensare al tuo occhio. Il tuo occhio è essenzialmente una macchina fotografica e l'iride nell'occhio svolge la stessa funzione dell'iride nell'obiettivo della tua macchina fotografica. Quando cammini fuori in una giornata luminosa, le tue iridi si restringono per ridurre la quantità di luce che colpisce la retina, ma hai ancora lo stesso campo visivo: l'immagine non viene ritagliata. La stessa cosa ovviamente accade con l'obiettivo della fotocamera.

Il motivo per cui l'immagine non è ritagliata è che i raggi dell'intera immagine cadono sull'intera superficie dell'obiettivo (sia la fotocamera che l'occhio). Puoi immaginare un cono di raggi che lascia ogni punto nel campo visivo, dove la punta del cono è nel punto e la base del cono è la lente. L'iride riduce il diametro della base di quel cono, quindi c'è meno luce, ma parte del cono passa comunque attraverso l'iride e viene focalizzata dall'obiettivo su un singolo punto del sensore (o retina).

No, non è necessario rifocalizzare quando si cambia l'apertura e l'apertura non ritaglia l'immagine.

Come forse saprai, l'immagine viene specchiata e capovolta quando colpisce il sensore. L'immagine è messa a fuoco in un singolo punto all'interno dell'obiettivo ed esce capovolta dall'altro lato. Questo punto in cui tutti i raggi luminosi si incontrano è l'apertura, ecco perché l'immagine può passare attraverso un foro così piccolo senza essere ritagliata.

Gli elementi dell'obiettivo in un obiettivo non sono effettivamente necessari per produrre l'immagine, è necessaria solo l'apertura. Una fotocamera a foro stenopeico non ha alcun obiettivo, ha solo un piccolo foro stenopeico che funziona da apertura e proietta l'immagine sulla pellicola.

L'effetto si chiama camera oscura ed è da dove la telecamera prende il nome.