4.1. A câmara de orifício

Antes de existir um sensor, existe uma imagem a formar, e a geometria dessa imagem é determinada pelo elemento ótico que se encontra à frente do sensor. O elemento mais simples é um orifício – uma pequena abertura numa parede opaca, e o antepassado conceptual de todas as objetivas de câmara.

4.1.1. Formação de imagem

Para que haja algo a capturar, a cena tem de estar iluminada. A luz do sol, de uma lâmpada ou de qualquer outra fonte atinge os objetos da cena; cada ponto de cada objeto absorve parte dessa luz e dispersa o restante em todas as direções. São esses raios dispersos que a câmara capta.

A maioria dos raios que partem de qualquer ponto da cena atinge a parede da caixa e para; o pequeno número que passa pelo orifício percorre uma linha reta e incide no fundo da caixa num único ponto determinado pela geometria do orifício.

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.

Cada ponto da cena projeta-se através do orifício num ponto único na parede traseira. Como os raios se cruzam no orifício, a imagem fica invertida.

O topo e a base trocam entre si, assim como a esquerda e a direita. As câmaras desfazem ambas as trocas mais à frente no processo, de modo a que a imagem final apareça com a orientação correta.

4.1.2. Geometria de projeção

Seja \(f\) a distância do orifício à parede traseira e \(D\) a distância do orifício a um ponto da cena com altura real \(H\). Um raio reto desde o topo do ponto da cena através do orifício incide na parede traseira a uma altura de imagem

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

Um objeto com 1 m de altura a 5 m de distância, visto por um orifício a 25 mm da parede traseira, projeta-se numa imagem com \(25 / 5000 = 1/200\) do seu tamanho real – uma seta invertida de 5 mm na parede.

A distância \(f\) aqui é o comprimento focal da câmara. É útil encontrar o termo num contexto em que é literalmente um comprimento – a profundidade entre o plano de imagem e o elemento que foca a luz nele. Cada objetiva que substitua este orifício terá também um comprimento focal, e a mesma escala de projeção \(f / D\) aplicar-se-á.

4.1.3. O compromisso da abertura

Um orifício matematicamente pontual produz uma imagem perfeitamente nítida de cada ponto da cena, mas um ponto não capta luz – a imagem fica invisível de tão escura. Alargar o orifício deixa passar mais luz, tornando a imagem mais brilhante, mas cada ponto da cena projeta-se agora numa mancha do tamanho do orifício em vez de num ponto único. A imagem torna-se ao mesmo tempo mais brilhante e mais desfocada, e não existe nenhum tamanho de orifício que proporcione ao mesmo tempo uma imagem nítida e brilhante.

Uma objetiva elimina este compromisso. É uma abertura mais larga que também refoca todos os raios que nela entram de volta a um único ponto na parede, pelo que a imagem é simultaneamente brilhante (porque a abertura é larga) e nítida (porque os raios continuam a convergir num único ponto). A página seguinte apresenta-a nesses termos.