¿Cómo funciona la apertura sin "recortar" la imagen que golpea el sensor?

Las lentes no hacen brillar la luz directamente, la enfocan, si perdona el pésimo trazado de rayos:

Las líneas verdes representan el cono de luz que incide en la lente con una apertura estrecha, el rojo es el cono de luz permitido por una apertura amplia. En este caso, puede imaginar la apertura inmediatamente delante o detrás de la lente (no hay mucha diferencia con una lente simple). Independientemente de la apertura, la luz sigue enfocada en el mismo punto.

Esa es una lente simple, pero lo mismo ocurre con las complejas. Ahí es donde entra en juego su intuición sobre el recorte (normalmente llamado viñeteado en este contexto) de la imagen: en una lente compleja, la apertura debe estar en una ubicación adecuada. Las obstrucciones en otras partes de la lente causarán viñetas.

Recientemente estaba tratando de resolver esto por mí mismo, y encontré esta pregunta. No sentí que la respuesta aceptada fuera bastante completa, así que aquí está mi oportunidad (¡sin juego de palabras!) :

Lo primero que hay que entender es que la luz que se refleja en cualquier punto de una superficie no es un haz de luz, sino muchos, que entran en muchos ángulos diferentes y se reflejan en muchos ángulos diferentes. La mayoría de estos rayos nunca llegarán a la lente de la cámara; sin embargo, algunos lo hacen y se enfocarán en un solo punto en el sensor de imagen (suponiendo que ese punto esté enfocado) .

Luz de un punto enfocado que pasa a través de una lente

Entonces, ¿qué sucede si ponemos una apertura detrás (o delante) de la lente?

Apertura detrás de la lente

La luz del punto aún llega al sensor de imagen, por lo que seguirá apareciendo en la imagen. Sin embargo, ahora simplemente tenemos menos luz desde ese punto que incide en el sensor. Es por eso que usar una apertura más pequeña (o una lente más pequeña) requiere un tiempo de exposición más largo; el sensor requiere más tiempo para absorber la misma cantidad de luz.

Entonces, si hacer que la apertura sea más pequeña te obliga a usar tiempos de exposición más largos, ¿cuál es el punto de tener una apertura? Reducir la luz expuesta a veces puede ser útil (por ejemplo, ese es el propósito de la pupila de un globo ocular, que es exactamente análoga a una apertura) , pero la razón principal para tener una apertura en una cámara en realidad tiene que ver con los puntos que están fuera. de enfoque

Punto fuera de foco - demasiado lejos

Punto fuera de foco - demasiado cerca

Tenga en cuenta que, en ambos casos, todos los rayos de luz provienen de un solo punto, pero no todos golpean el sensor de imagen en un solo punto. Más bien, se distribuyen en un círculo. Esto es lo que hace que los puntos desenfocados aparezcan borrosos en una foto.

(Este círculo a veces se llama Círculo de Confusión . Por cierto, esto también explica por qué los puntos desenfocados que son más brillantes que los puntos circundantes aparecen como discos circulares )

Entonces, ¿qué sucede cuando colocamos una apertura detrás (o delante) de la lente en este caso?

Punto fuera de foco con apertura

Vemos una vez más que llega menos luz al sensor, lo que significa que nuevamente necesitaremos una exposición más prolongada. Sin embargo, ha sucedido algo más: el círculo de luz (desde nuestro punto) que incide en el sensor se ha vuelto más pequeño. ¡Esto hará que el punto aparezca más enfocado en la imagen final! Por lo tanto, una apertura más pequeña aumentará el rango de profundidad en el que los objetos aparecen enfocados, es decir. aumenta la profundidad de campo.

Por lo tanto, cuanto mayor sea la apertura (o lente), menos tiempo de exposición necesitará (debido a que hay más luz) , pero menor será su profundidad de campo (debido a la luz desenfocada). puntos que golpean un área más grande) . Inversamente, cuanto menor sea su apertura (o lente), mayor será su profundidad de campo, pero necesitará más tiempo de exposición.

Si pudiéramos obtener una apertura infinitesimalmente pequeña†, podríamos enfocar todo en una sola toma... ¡pero necesitaríamos un tiempo de exposición extremadamente largo o un sensor extremadamente sensible! Básicamente, así es como funciona una cámara estenopeica .

^{† Bueno, la abertura todavía tendría que ser más grande que la longitud de onda de la luz, pero ese es otro tema...}

Generé las imágenes de arriba usando esta increíble herramienta .

Podría ser útil pensar en su ojo. Su ojo es esencialmente una cámara, y el iris en su ojo funciona y realiza la misma función que el iris en la lente de su cámara. Cuando camina afuera en un día brillante, sus iris se contraen para reducir la cantidad de luz que llega a su retina, pero aún tiene el mismo campo de visión: la imagen no se recorta. Obviamente, lo mismo sucede con la lente de tu cámara.

La razón por la que la imagen no se recorta es que los rayos de toda la imagen caen sobre toda la superficie de la lente (ya sea su cámara o su ojo). Puedes imaginar un cono de rayos saliendo de cada punto en el campo de visión, donde la punta del cono está en el punto y la base del cono es la lente. El iris reduce el diámetro de la base de ese cono, por lo que hay menos luz, pero parte del cono, sin embargo, pasa a través del iris y la lente lo enfoca en un solo punto en el sensor (o retina).

No, no es necesario volver a enfocar cuando cambia la apertura, y la apertura no recorta la imagen.

Como sabrá, la imagen se refleja y se invierte cuando toca el sensor. La imagen se enfoca en un solo punto dentro de la lente y sale volteada por el otro lado. Este punto donde se encuentran todos los rayos de luz es la apertura, por eso la imagen puede pasar a través de un agujero tan pequeño sin ser recortada.

Los elementos de la lente en una lente en realidad no se necesitan para producir la imagen, solo se necesita la apertura. Una cámara estenopeica no tiene lentes, solo tiene un pequeño orificio que funciona como apertura y proyecta la imagen en la película.

El efecto se llama cámara oscura y es de donde la cámara recibe su nombre.