4.1. Kamera lubang jarum

Sebelum ada sensor, ada citra yang harus dibentuk, dan geometri citra tersebut ditentukan oleh elemen optik apa pun yang berada di depan sensor. Elemen paling sederhana seperti ini adalah lubang jarum -- sebuah bukaan kecil tunggal pada dinding yang sebaliknya buram, dan nenek moyang konseptual dari setiap lensa kamera.

4.1.1. Pembentukan citra

Sebuah adegan harus diterangi agar ada sesuatu yang bisa dicitrakan. Cahaya dari matahari, lampu, atau sumber lain mengenai objek-objek dalam adegan; setiap titik pada setiap objek menyerap sebagian cahaya tersebut dan menyebarkan sisanya ke segala arah. Sinar-sinar yang tersebar itulah yang dikumpulkan oleh kamera.

Sebagian besar sinar yang meninggalkan satu titik adegan mengenai dinding kotak dan berhenti; sejumlah kecil yang melewati lubang jarum masing-masing bergerak dalam garis lurus dan mengenai bagian belakang kotak pada satu titik yang ditentukan oleh geometri lubang jarum.

A vertical arrow on the left represents an object in the scene. Two rays leave its tip and base, pass through a pinhole in a wall, and continue in straight lines to land on a back wall on the right, where they form a smaller inverted arrow. The object distance D is labelled between the scene and the pinhole; the focal length f is labelled between the pinhole and the back wall.

Setiap titik adegan diproyeksikan melalui lubang jarum ke titik unik di dinding belakang. Karena sinar-sinar bertemu di lubang jarum, citranya terbalik.

Atas dan bawah bertukar, dan kiri dan kanan ikut bertukar bersamanya. Kamera membatalkan pertukaran keduanya lebih jauh di sepanjang pipeline sehingga citra akhir terlihat dalam posisi yang benar.

4.1.2. Geometri proyeksi

Misalkan \(f\) adalah jarak dari lubang jarum ke dinding belakang dan \(D\) adalah jarak dari lubang jarum ke titik adegan dengan tinggi nyata \(H\). Sebuah sinar lurus dari puncak titik adegan melalui lubang jarum mendarat di dinding belakang pada tinggi citra

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

Sebuah objek setinggi 1 m yang berjarak 5 m, dilihat oleh lubang jarum 25 mm dari dinding belakang, memproyeksikan ke citra \(25 / 5000 = 1/200\) dari ukuran nyatanya -- sebuah panah terbalik setinggi 5 mm di dinding.

Jarak \(f\) di sini adalah panjang fokal kamera. Sangat membantu untuk mengenal istilah ini dalam konteks di mana ia secara harfiah adalah sebuah panjang -- kedalaman antara bidang pencitraan dan elemen yang memfokuskan cahaya ke atasnya. Setiap lensa yang menggantikan lubang jarum ini nantinya juga akan memiliki panjang fokal, dan skala proyeksi \(f / D\) yang sama akan berlaku.

4.1.3. Pertukaran antara apertur

Sebuah lubang jarum yang secara matematis merupakan sebuah titik menghasilkan citra yang sangat tajam dari setiap titik adegan, tetapi sebuah titik tidak mengumpulkan cahaya -- citranya sangat redup sehingga tidak terlihat. Memperbesar lubang memungkinkan lebih banyak cahaya masuk sehingga citranya lebih terang, tetapi setiap titik adegan kini diproyeksikan ke bintik seukuran lubang daripada ke satu titik. Citranya menjadi lebih terang dan lebih buram sekaligus, dan tidak ada ukuran lubang yang memberikan citra yang sekaligus tajam dan terang.

Lensa menghilangkan pertukaran ini. Lensa adalah bukaan yang lebih lebar yang juga memfokuskan kembali setiap sinar yang memasukinya ke satu titik di dinding, sehingga citranya sekaligus terang (karena bukaannya lebar) dan tajam (karena sinar-sinar masih bertemu di satu titik). Halaman berikutnya memperkenalkannya dalam istilah-istilah tersebut.