4.1. كاميرا الثقب الصغير

قبل وجود المستشعر، لا بد من تكوين صورة، وهندسة تلك الصورة تحددها العناصر البصرية الموجودة أمام المستشعر مهما كانت. وأبسط هذه العناصر هو الثقب الصغير -- فتحة صغيرة واحدة في جدار معتم بخلاف ذلك، وهو السلف المفاهيمي لكل عدسة كاميرا.

4.1.1. تكوين الصورة

يجب إضاءة المشهد حتى يكون هناك ما يُصوَّر. فالضوء القادم من الشمس أو مصباح أو أي مصدر آخر يصطدم بالأجسام في المشهد؛ وتمتص كل نقطة على كل جسم جزءًا من ذلك الضوء وتشتت الباقي في كل اتجاه. وهذه الأشعة المشتتة هي ما تجمعه الكاميرا.

معظم الأشعة المغادرة لأي نقطة واحدة في المشهد تصطدم بجدار الصندوق وتتوقف؛ أما القليل منها الذي يمر عبر الثقب الصغير فيسير كل شعاع منه في خط مستقيم ويصطدم بمؤخرة الصندوق عند نقطة واحدة تحددها هندسة الثقب الصغير.

تُسقط كل نقطة في المشهد عبر الثقب الصغير على نقطة فريدة على الجدار الخلفي. ولأن الأشعة تتقاطع عند الثقب الصغير، تكون الصورة مقلوبة.

يتبادل الأعلى والأسفل، ويتبادل اليمين واليسار معهما. وتُلغي الكاميرات هذا التبادل لاحقًا في أسفل المسار بحيث تبدو الصورة النهائية في وضعها الصحيح.

4.1.2. هندسة الإسقاط

ليكن \(f\) المسافة من الثقب الصغير إلى الجدار الخلفي و \(D\) المسافة من الثقب الصغير إلى نقطة في المشهد ذات ارتفاع حقيقي \(H\). فإن شعاعًا مستقيمًا من قمة نقطة المشهد عبر الثقب الصغير يصل إلى الجدار الخلفي عند ارتفاع صورة قدره

\[h = H \cdot \frac{f}{D}\]

جسم بارتفاع 1 m على بعد 5 m، يُرى عبر ثقب صغير على بعد 25 mm من الجدار الخلفي، يُسقَط إلى صورة بمقدار \(25 / 5000 = 1/200\) من حجمه الحقيقي -- سهم مقلوب بارتفاع 5 mm على الجدار.

المسافة \(f\) هنا هي البعد البؤري للكاميرا. ويساعد على فهم هذا المصطلح أن نلتقيه في سياق يكون فيه طولًا فعليًا حرفيًا -- العمق بين مستوى التصوير والعنصر الذي يبئر الضوء عليه. وكل عدسة تحل محل هذا الثقب الصغير لاحقًا سيكون لها بعد بؤري أيضًا، وسينطبق مقياس الإسقاط نفسه \(f / D\).

4.1.3. مقايضة الفتحة

الثقب الصغير الذي يكون رياضيًا نقطةً يُكوّن صورة حادة تمامًا لكل نقطة في المشهد، لكن النقطة لا تجمع أي ضوء -- فالصورة معتمة لدرجة عدم الرؤية. وتوسيع الثقب يسمح بمرور مزيد من الضوء، فتصبح الصورة أكثر سطوعًا، لكن كل نقطة في المشهد تُسقَط الآن إلى بقعة بحجم الثقب بدلًا من نقطة واحدة. فتصبح الصورة أكثر سطوعًا وأكثر ضبابية في الوقت نفسه، ولا يوجد حجم ثقب يعطي صورة حادة وساطعة في آنٍ معًا.

تزيل العدسة هذه المقايضة. فهي فتحة أوسع تعيد أيضًا تبئير كل شعاع يدخلها إلى نقطة واحدة على الجدار، فتكون الصورة ساطعة (لأن الفتحة واسعة) وحادة (لأن الأشعة ما زالت تلتقي عند نقطة واحدة). وتقدّم الصفحة التالية العدسة بهذه المصطلحات.