4.1. Neulanreikäkamera

Ennen kuin on sensori, on muodostuva kuva, ja tuon kuvan geometrian määrää se optinen elementti, joka sijaitsee sensorin edessä. Yksinkertaisin tällainen elementti on neulanreikä – yksi pieni aukko muuten läpinäkymättömässä seinässä, ja jokaisen kameran objektiivin käsitteellinen esi-isä.

4.1.1. Kuvan muodostuminen

Kohtauksen on oltava valaistu, jotta kuvattavaa ylipäätään olisi. Auringosta, lampusta tai jostakin muusta lähteestä tuleva valo osuu kohtauksen kohteisiin; jokainen piste jokaisessa kohteessa imee osan tuosta valosta ja sirottaa loput joka suuntaan. Nuo sironneet säteet ovat sitä, mitä kamera kerää.

Useimmat yhdestä kohtauspisteestä lähtevät säteet osuvat laatikon seinään ja pysähtyvät; ne harvat, jotka pääsevät neulanreiän läpi, kulkevat kukin suoraviivaisesti ja osuvat laatikon takaseinään yhteen pisteeseen, jonka neulanreiän geometria määrää.

Jokainen kohtauspiste projisoituu neulanreiän kautta takaseinän ainutkertaiseen pisteeseen. Koska säteet ristevät neulanreiässä, kuva on ylösalaisin.

Ylä ja ala vaihtavat paikkaa, ja vasen ja oikea niiden mukana. Kamerat oikaisevat molemmat myöhemmin putkessa, jotta lopullinen kuva näyttää oikein päin.

4.1.2. Projektiogeometria

Olkoon \(f\) etäisyys neulanreiästä takaseinään ja \(D\) etäisyys neulanreiästä kohtauspisteeseen, jonka todellinen korkeus on \(H\). Suora säde kohtauspisteen yläosasta neulanreiän kautta laskeutuu takaseinälle kuvankorkeudelle

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

1 m korkea kohde 5 m päässä, neulanreiän läpi katsottuna takaseinän ollessa 25 mm päässä, projisoituu kuvaksi, jonka koko on \(25 / 5000 = 1/200\) sen todellisesta koosta – 5 mm korkea ylösalainen nuoli seinällä.

Etäisyys \(f\) on tässä kameran polttoväli. On hyödyllistä kohdata termi tilanteessa, jossa se on kirjaimellisesti pituus – syvyys kuvatason ja sen elementin välillä, joka tarkentaa valon siihen. Jokaisella objektiivilla, joka myöhemmin korvaa tämän neulanreiän, on myös polttoväli, ja sama \(f / D\) projektiosuhde pätee.

4.1.3. Aukon kompromissi

Neulanreikä, joka on matemaattisesti piste, muodostaa täydellisen terävän kuvan jokaisesta kohtauspisteestä, mutta piste ei kerää lainkaan valoa – kuva on näkymättömän himmeä. Reiän porauttaminen suuremmaksi päästää enemmän valoa läpi, joten kuva on kirkkaampi, mutta jokainen kohtauspiste projisoituu nyt reiän kokoiseksi läiskäksi yhden pisteen sijaan. Kuvasta tulee kirkkaampi ja sumeampi samaan aikaan, eikä ole olemassa reiän kokoa, joka antaisi sekä terävän että kirkkaan kuvan.

Objektiivi poistaa kompromissin. Se on leveämpi aukko, joka myös kohdistaa jokaisen siihen tulevan säteen takaisin yhteen pisteeseen seinällä, joten kuva on sekä kirkas (koska aukko on leveä) että terävä (koska säteet kohtaavat silti yhdessä pisteessä). Seuraava sivu esittelee sen näillä termeillä.