4.1. กล้องรูเข็ม

ก่อนที่จะมีเซนเซอร์ก็ต้องมีภาพที่จะสร้างขึ้นก่อน และเรขาคณิตของภาพนั้นถูกกำหนดโดยองค์ประกอบเชิงแสงที่อยู่ด้านหน้าเซนเซอร์ องค์ประกอบที่ง่ายที่สุดคือรูเข็ม ซึ่งเป็นช่องเปิดขนาดเล็กเพียงช่องเดียวในกำแพงทึบแสง และเป็นต้นแบบทางความคิดของเลนส์กล้องทุกชนิด

4.1.1. การสร้างภาพ

ฉากต้องได้รับแสงสว่างจึงจะมีสิ่งที่สามารถบันทึกเป็นภาพได้ แสงจากดวงอาทิตย์ หลอดไฟ หรือแหล่งกำเนิดแสงอื่นใดส่องไปยังวัตถุในฉาก แต่ละจุดบนแต่ละวัตถุจะดูดซับแสงบางส่วนและกระจายส่วนที่เหลือออกไปในทุกทิศทาง รังสีที่กระจายออกมาเหล่านั้นคือสิ่งที่กล้องรวบรวม

รังสีส่วนใหญ่ที่ออกจากจุดหนึ่งในฉากจะไปกระทบผนังกล่องและหยุดอยู่ที่นั่น เฉพาะรังสีเพียงไม่กี่เส้นที่ผ่านรูเข็มเท่านั้นที่จะเดินทางเป็นเส้นตรงและไปตกกระทบที่ผนังด้านหลังของกล่องที่จุดเดียว ซึ่งถูกกำหนดโดยเรขาคณิตของรูเข็ม

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.

แต่ละจุดในฉากฉายผ่านรูเข็มไปยังจุดเฉพาะบนผนังด้านหลัง เนื่องจากรังสีตัดกันที่รูเข็ม ภาพจึงกลับหัว

บนและล่างสลับกัน และซ้ายและขวาก็สลับตามไปด้วย กล้องจะแก้ไขการสลับทั้งสองในขั้นตอนถัดไปของ pipeline เพื่อให้ภาพสุดท้ายดูถูกด้านบน

4.1.2. เรขาคณิตการฉายภาพ

ให้ \(f\) คือระยะห่างจากรูเข็มถึงผนังด้านหลัง และ \(D\) คือระยะห่างจากรูเข็มถึงจุดในฉากที่มีความสูงจริง \(H\) รังสีเส้นตรงจากยอดของจุดในฉากผ่านรูเข็มจะไปตกกระทบผนังด้านหลังที่ความสูงของภาพ

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

วัตถุสูง 1 เมตรที่อยู่ห่างออกไป 5 เมตร เมื่อมองผ่านรูเข็มที่อยู่ห่างจากผนังด้านหลัง 25 มม. จะฉายเป็นภาพขนาด \(25 / 5000 = 1/200\) ของขนาดจริง ซึ่งเป็นลูกศรกลับหัวสูง 5 มม. บนผนัง

ระยะทาง \(f\) ที่นี่คือ ความยาวโฟกัส ของกล้อง การได้รู้จักคำนี้ในบริบทที่มันเป็นความยาวจริงๆ ช่วยให้เข้าใจได้ดี นั่นคือความลึกระหว่างระนาบสร้างภาพและองค์ประกอบที่โฟกัสแสงไปยังระนาบนั้น เลนส์ทุกตัวที่มาแทนรูเข็มนี้ในภายหลังก็จะมีความยาวโฟกัสด้วย และสเกลการฉายภาพ \(f / D\) เดิมก็ยังคงใช้ได้

4.1.3. การแลกเปลี่ยนของช่องรับแสง

รูเข็มที่เป็นจุดทางคณิตศาสตร์จะสร้างภาพที่คมชัดสมบูรณ์แบบของทุกจุดในฉาก แต่จุดหนึ่งจุดไม่รวบรวมแสงได้เลย ภาพจึงมืดจนมองไม่เห็น การเจาะรูให้ใหญ่ขึ้นช่วยให้แสงผ่านได้มากขึ้น ทำให้ภาพสว่างขึ้น แต่แต่ละจุดในฉากจะฉายผ่านไปเป็น จุดวงกลม ที่มีขนาดเท่ากับรู แทนที่จะเป็นจุดเดียว ภาพจะสว่างขึ้นและเบลอมากขึ้นพร้อมกัน และไม่มีขนาดรูใดที่ให้ทั้งภาพคมชัดและสว่างในเวลาเดียวกัน

เลนส์ช่วยขจัดการแลกเปลี่ยนนี้ มันเป็นช่องเปิดที่กว้างกว่าซึ่ง ยังสามารถ รวมรังสีทุกเส้นที่เข้ามากลับไปยังจุดเดียวบนผนัง ทำให้ภาพทั้งสว่าง (เพราะช่องเปิดกว้าง) และคมชัด (เพราะรังสียังมาบรรจบที่จุดเดียว) หน้าถัดไปจะแนะนำมันในแง่มุมเหล่านั้น