光圈如何工作而不将图像“裁剪”到传感器上？

我一直在自学相机中的各种设置，现在对如何有效使用相机有了更全面的了解，但是有一件事仍然困扰着我。

更改光圈大小时，是否还有其他镜头在移动以将光束重新聚焦到全帧尺寸？

我的意思是，对我而言，光圈似乎将图像“裁剪”为越来越小的圆圈（或者是n边形）。虽然我知道这显然意味着更少的光线，但是在进行调整时，是否还有其他事情会使光束重新聚焦以适合整个传感器？

如果您原谅糟糕的光线追踪，镜头不会直接发出光线，而是会聚焦它们：

绿线表示以较小的光圈入射到镜头的光锥，红色是较大的光圈所允许的光束。在这种情况下，您可以想象光圈直接位于镜头的前面或后面（与简单的镜头没有太大区别）。 无论光圈如何，光线仍然会聚焦到同一点。

那是一个简单的镜头，但复杂镜头也是如此。这就是您对裁剪的直觉（在这种情况下通常称为渐晕）起作用的地方：在复杂的镜头中，光圈必须在适当的位置。镜头其他部位的障碍物会导致渐晕。

我最近试图自己弄清楚这一点，并发现了这个问题。我觉得接受的答案还不完整，所以这是我的镜头（没有双关语！）：

首先要了解的是，从表面上任何一点反射的光不是一个光束，而是许多以不同角度入射并以许多不同角度反射的光束。这些光束中的大多数将永远不会撞击相机的镜头。但是，有些会这样做，并且会聚焦到图像传感器上的单个点上（假设该点已聚焦）。

来自焦点的光线穿过镜头

那么，如果我们在镜头后面（或前面）放一个光圈会怎样？

镜头后面的光圈

从该点发出的光仍会撞击图像传感器，因此仍会在图像中显示。但是，我们现在从该点发出的光很少会照射到传感器上。这就是为什么使用较小的光圈（或较小的镜头）需要更长的曝光时间的原因。传感器需要更长的时间才能吸收相同量的光。

因此，如果使光圈变小迫使您使用更长的曝光时间，那么完全有光圈的意义何在？减少曝光的光有时可能是有用的（例如，这是眼球瞳孔的目的，它与光圈完全相似），但是在相机中具有光圈的主要原因实际上与出点有关。的重点。

焦点不清晰-距离太远

焦点不清晰-距离太近

请注意，在两种情况下，光束都来自一个点，但是它们并没有全部到达单个点。相反，它们分散成一个圆圈。这就是导致散焦点在照片中显得模糊的原因。

（此圆有时称为混乱圆。顺便说一句，这也解释了为什么比周围点亮的离焦点会显示为圆盘）

那么，在这种情况下，当我们在镜头后面（或前面）放置一个光圈时会发生什么？

焦点对准光圈

我们再次看到更少的光照射到传感器上，这意味着我们将再次需要更长的曝光时间。但是，还发生了其他事情：撞击传感器的光圈（从我们的角度来看）变小了。这将使该点在最终图像中显得更加清晰！因此，较小的光圈将增加物体聚焦的深度范围，即。它增加了景深。

因此，光圈（或镜头）越大，所需的曝光时间就越少（由于光线更多），但是景深越浅（由于散焦的光线）点撞击更大的区域）。相反，光圈（或镜头）越小，景深越大，但所需的曝光时间就越长。

如果我们能够获得无限小的光圈†，我们就可以一口气把所有东西都对准焦点……但是我们需要非常长的曝光时间，或者需要非常灵敏的传感器！本质上，这就是针孔相机的工作方式。

^{† 嗯，开口仍然需要大于光的波长，但这是另一个主题...}

我使用这个很棒的工具生成了上面的图像。

考虑一下您的眼睛可能会有所帮助。眼睛本质上是一台相机，并且眼睛中的虹膜的功能与相机镜头中的虹膜相同。当您在晴朗的日子里走到外面时，虹膜会收缩以减少照射到视网膜上的光量，但是您仍然拥有相同的视野-图像没有被裁剪。相机镜头显然也会发生同样的事情。

无法裁剪图像的原因是整个图像发出的光线都落在镜头的整个表面上（无论是相机还是眼睛）。您可以想象一个视锥线离开视场中的每个点，视锥线的尖端在该点，而视锥线的基础是透镜。虹膜减小了该圆锥体底部的直径，因此光线较少，但是圆锥体的一部分仍然穿过虹膜，并被透镜聚焦到传感器（或视网膜）上的单个点。

不，更改光圈时无需重新聚焦，并且光圈不会裁剪图像。

如您所知，当图像撞击传感器时，它是镜像的并且上下颠倒。图像聚焦到镜头内部的单个点，然后翻转过来。所有光线在此相遇的地方就是光圈，这就是为什么图像可以穿过这么小的孔而不会被裁剪的原因。

实际上不需要透镜中的透镜元件来产生图像，仅需要光圈。针孔相机根本没有任何镜头，它只有一个小针孔，可以用作光圈并将图像投影到胶片上。

该效果被命名为“ camera obscura”，这是相机从中获取其名称的位置。