Wie funktioniert die Blende, ohne das Bild zu "beschneiden", das auf den Sensor trifft?

Linsen scheinen das Licht nicht direkt durch, sie fokussieren es, wenn Sie das miese Raytracing verzeihen:

Die grünen Linien stellen den Lichtkegel dar, der bei einer schmalen Öffnung auf das Objektiv trifft, die roten Linien den Lichtkegel, der bei einer großen Öffnung zugelassen wird. In diesem Fall können Sie sich die Blende unmittelbar vor oder unmittelbar hinter dem Objektiv vorstellen (bei einem einfachen Objektiv ist das nicht viel Unterschied) . Unabhängig von der Blende wird das Licht immer noch auf den gleichen Punkt fokussiert.

Das ist ein einfaches Objektiv, aber dasselbe gilt für komplexe. Hier kommt Ihre Intuition zum Beschneiden des Bildes (in diesem Zusammenhang typischerweise als Vignettierung bezeichnet) ins Spiel: Bei einem komplexen Objektiv muss sich die Blende an einer geeigneten Stelle befinden. Hindernisse in anderen Teilen des Objektivs verursachen Vignettierung.

Ich habe kürzlich versucht, das selbst herauszufinden, und bin auf diese Frage gestoßen. Ich hatte nicht das Gefühl, dass die akzeptierte Antwort ganz vollständig war, also hier ist mein Schuss (kein Wortspiel beabsichtigt!) :

Das erste, was Sie verstehen müssen, ist, dass das Licht, das von einem Punkt auf einer Oberfläche reflektiert wird, nicht ein Lichtstrahl ist, sondern viele, die in vielen verschiedenen Winkeln einfallen und in vielen verschiedenen Winkeln reflektiert werden. Die meisten dieser Strahlen treffen niemals auf das Objektiv der Kamera; Einige tun dies jedoch und werden auf einen einzelnen Punkt auf dem Bildsensor fokussiert (vorausgesetzt, dieser Punkt ist scharfgestellt) .

Licht von einem fokussierten Punkt, das durch eine Linse geht

Was passiert also, wenn wir hinter (oder vor) dem Objektiv eine Blende platzieren?

Blende hinter Linse

Licht von diesem Punkt trifft immer noch auf den Bildsensor, sodass es immer noch im Bild zu sehen ist. Wir haben jetzt jedoch einfach weniger Licht von diesem Punkt, das auf den Sensor trifft. Aus diesem Grund erfordert die Verwendung einer kleineren Blende (oder eines kleineren Objektivs) eine längere Belichtungszeit. Der Sensor benötigt eine längere Zeit, um die gleiche Lichtmenge zu absorbieren.

Wenn Sie also eine kleinere Blende dazu zwingt, längere Belichtungszeiten zu verwenden, welchen Sinn hat es dann, überhaupt eine Blende zu haben? Das Reduzieren des belichteten Lichts kann manchmal nützlich sein (zum Beispiel ist dies der Zweck der Pupille eines Augapfels, die genau analog zu einer Blende ist) , aber der Hauptgrund für eine Blende in einer Kamera hat tatsächlich mit Punkten zu tun, die aus sind des Fokus.

Unscharfer Punkt - zu weit weg

Unscharfer Punkt - zu nah

Beachten Sie, dass in beiden Fällen die Lichtstrahlen alle von einem einzigen Punkt kommen, aber nicht alle an einem einzigen Punkt auf den Bildsensor treffen. Vielmehr sind sie im Kreis verteilt. Dies führt dazu, dass unscharfe Punkte auf einem Foto verschwommen erscheinen.

(Dieser Kreis wird manchmal als Kreis der Verwirrung bezeichnet. Dies erklärt übrigens auch, warum unscharfe Punkte, die heller sind als die umgebenden Punkte , als kreisförmige Scheiben erscheinen . )

Was passiert also, wenn wir in diesem Fall eine Blende hinter (oder vor) das Objektiv setzen?

Unschärfepunkt mit Blende

Wir sehen erneut, dass weniger Licht auf den Sensor trifft, was bedeutet, dass wir wieder eine längere Belichtungszeit benötigen. Allerdings ist etwas anderes passiert: Der Lichtkreis, der (aus unserer Sicht) auf den Sensor trifft, ist kleiner geworden. Dadurch erscheint der Punkt im endgültigen Bild fokussierter! Daher erhöht eine kleinere Apertur den Tiefenbereich, in dem Objekte fokussiert erscheinen, d. h. es erhöht die Schärfentiefe.

Je größer die Blende (oder das Objektiv), desto weniger Belichtungszeit benötigen Sie (da mehr Licht vorhanden ist) , desto geringer ist jedoch Ihre Schärfentiefe (aufgrund des Lichts aus dem Fokus) . Punkte, die einen größeren Bereich treffen) . Umgekehrt, je kleiner Ihre Blende (oder Ihr Objektiv), desto größer ist Ihre Schärfentiefe, aber desto mehr Belichtungszeit benötigen Sie.

Wenn wir eine verschwindend kleine Blende† bekommen könnten, könnten wir alles in einer einzigen Aufnahme scharfstellen ... aber wir bräuchten eine extrem lange Belichtungszeit oder einen extrem empfindlichen Sensor! So funktioniert im Wesentlichen eine Lochkamera .

^{† Nun, die Öffnung müsste immer noch größer sein als die Wellenlänge des Lichts, aber das ist ein ganz anderes Thema ...}

Ich habe die obigen Bilder mit diesem großartigen Tool erstellt .

Es könnte helfen, an dein Auge zu denken. Ihr Auge ist im Wesentlichen eine Kamera, und die Iris in Ihrem Auge erfüllt die gleiche Funktion wie die Iris im Objektiv Ihrer Kamera. Wenn Sie an einem hellen Tag nach draußen gehen, verengt sich Ihre Iris, um die Lichtmenge zu reduzieren, die auf Ihre Netzhaut trifft, aber Sie haben immer noch dasselbe Sichtfeld – das Bild ist nicht beschnitten. Dasselbe passiert offensichtlich mit dem Objektiv Ihrer Kamera.

Der Grund dafür, dass das Bild nicht beschnitten wird, ist, dass Strahlen aus dem gesamten Bild auf die gesamte Oberfläche des Objektivs fallen (egal ob Ihre Kamera oder Ihr Auge). Sie können sich einen Strahlenkegel vorstellen, der jeden Punkt im Sichtfeld verlässt, wobei die Spitze des Kegels am Punkt liegt und die Basis des Kegels die Linse ist. Die Iris reduziert den Durchmesser der Basis dieses Kegels, sodass weniger Licht vorhanden ist, aber ein Teil des Kegels geht dennoch durch die Iris und wird von der Linse auf einen einzelnen Punkt auf dem Sensor (oder der Netzhaut) fokussiert.

Nein, es ist keine Neufokussierung erforderlich, wenn Sie die Blende ändern, und die Blende beschneidet das Bild nicht.

Wie Sie vielleicht wissen, ist das Bild gespiegelt und auf dem Kopf, wenn es auf den Sensor trifft. Das Bild wird auf einen einzigen Punkt innerhalb der Linse fokussiert und kommt auf der anderen Seite umgedreht wieder heraus. Dieser Punkt, an dem sich alle Lichtstrahlen treffen, ist die Blende, deshalb kann das Bild durch ein so kleines Loch passieren, ohne beschnitten zu werden.

Die Linsenelemente in einem Objektiv werden eigentlich nicht benötigt, um das Bild zu erzeugen, nur die Blende wird benötigt. Eine Lochkamera hat überhaupt keine Linsen, sie hat nur eine kleine Lochblende, die als Blende fungiert und das Bild auf den Film projiziert.

Der Effekt heißt Camera Obscura und ist der Namensgeber der Kamera.