Pinhole kamera arba kam reikalinga apertūra

Ankstesniame įraše rašiau apie tai, kad mano galva svarbiausia fotoaparato detalė yra apertūra. Atėjo laikas panagrinėti, kuo gi ji tokia svarbi ir kokią įtaką turi fotografijai. Tuo tikslu pasitelksiu taip vadinamąją pinhole kamerą - mažiausiai detalių turintį fotoaparatą.

Taigi, kas tai yra pinhole kamera? Paprasčiausiai ją įsivaizduoti kaip aklinai juodą dėžutę, kurios vienoje sienelėje yra mažytė skylutė, o ant jai priešingos - projekcinė plokštuma. Schematiškai tai atrodytų maždaug taip, kaip parodyta šiame paveikslėlyje iš Wikipedia.org puslapio:

Pinhole camera,  Wikipedia

Kai buvau vaikas, man tėtis padarė tokią projekcinę kamerą iš balto plastikinio butelio kamščio: uždengė jo tūtą nepermatoma medžiaga - berods aliuminio folijos gabaliuku - ir pradūrė joje mikroskopinę skylutę. O aš baltame kamščio paviršiuje - jis buvo dalinai permatomas - pamačiau... paveikslėlį daiktų į kuriuos nukreipiau kamščio "objektyvą". Tai ilgai buvo kažkas stebuklingo. Niekaip negalėjau suprasti - kodėl žiūrint į kamštį su neuždengtu galu vaizdo nėra. O uždengiam ir padarom mažą skylutę - vaizdas yra. Dar keisčiau viskas atrodė, kai susipažinau su lęšiais: taip, jais galima fokusuoti vaizdą, bet... jų čia irgi nebuvo!

Nušvitimas aplankė po daugelio metų, kai pradėjau gilintis į fotografijos paslaptis. Ir pasirodė, kad viskas, galima sakyti, beveik elementaru. Taigi pradžioje pažvelkime į schemą, kuri parodo, kaip pinhole kamera formuoja vaizdą:

Ar matote? Kiekvienas taškelis projekcijoje (nuotraukoje) surenka šviesą nuo tam tikros fotografuojamo objekto paviršiaus srities. Ką tai reiškia? Jeigu pažiūrėtumėt į tą paviršiaus plotelį šiek tiek prisimerke - taip, kad vaizdas taptų neryškus, toks išplaukęs ir panašus į vienspalvę dėmę -  tokio šviesumo ir gautume taškelį nuotraukoje padarytoje su pinhole kamera. Tam tikru tikslumu tokį vaizdo išplaukimą matematiškai būtų galima paaiškinti visų pikselių papuolančių į dėmelę šviesumo vidurkio paskaičiavimu.
Iš schemos taip pat matyti, kad kuo didesnė apertūros anga, tuo nuo didesnio paviršiaus yra surenkama šviesa į nuotraukos taškelį. Norėdami suprasti, kokią ploto, nuo kurio surenkama šviesa į vieną tašką, dydžio įtaka fotografijai, padarykime eksperimentą. Tiesa, daugiau matematinį-teorinį, negu praktinį, bet pakankamai vaizdų.

Tarkime, kad turime su pinhole tipo kamera nufotografuoti štai tokį taikinį (dešinėje pridedu centrinės dalies iškarpą masteliu 1px:1px):

Taikinio dydis yra 2000x2000 taškų ir kiekvienas taškas yra 1mm dydžio, t.y. taikinys yra dviejų metrų aukščio ir pločio. Savo ruožtu nuo kameros iki taikinio taip pat yra dviejų metrų (2m) atstumas, o nuo apertūros iki projekcijos plokštumos yra dešimt centimetrų (10cm). Nesudėtingi geometriniai skaičiavimai mums parodo štai tokius sąryšius tarp apertūros angos pločio ir projektuojamos dėmelės taikinyje dydžio:

Apertūros skersmuo	Dėmelės taikinyje skersmuo
0.2 mm	4.2 mm
0.4 mm	8.4 mm
0.8 mm	16.8 mm

Nesunku pastebėti, kad projektuojama šviesos dėmelė yra net 21 kartą didesnę už taikomos apertūros angą! O kuo didesnė projektuojama šviesos dėmelė, tuo daugiau pradinių pikselių atspindžių vidurkinama projekcijoje. Ką gi, atėjo laikas pažiūrėti, kokias nuotraukas gausim kiekvienos apertūros atveju. Užbėgdamas už akių pasakysiu - esmė matosi taikinio centre, ten kur linijos yra ploniausios ir tankiausios. Todėl iškart parodysiu centro iškarpas visiems trims apertūros dydžiams:

Apertûros diametras 0.2 mm

Apertûros diametras 0.4 mm

Apertûros diametras 0.8 mm

O dabar atverkime apertūros angą iki tokio pat dydžio, kaip atstumas nuo jos iki projekcijos, t.y. padarykim 10cm. Nesunku paskaičiuoti, kad į kiekvieną tašką projekcijoje bus surenkama šviesa iš 2m 10cm skersmens ploto, t.y. nuo viso taikinio paviršiaus. Rezultatas gaunamas štai toks (visas taikinys):

Apertūros diametras 100 mm

Kitaip tariant: vietoj taikinio vaizdelio - pilka dėmė. Išvada manau daugiau negu akivaizdi: kuo platesnė apertūra, tuo mažiau detalumo lieka fotografijoje.

Natūraliai kyla klausimas: o kiek maža gali ir turi būti apertūra? Be galo maža negali būti, nes dėl šviesos banginės prigimties pradės reikštis difrakcijos efektas ir tai sumažins nuotraukos detalumą. Taip pat negali būti labai maža, nes dėl per mažo patenkančio šviesos srauto ekspozicija turės būti labai ilga, kas visiškai nepraktiška. Yra tam tikri šio klausimo empyriniai ir teorinia skaičiavimai, kuriuos galima rasti tame pačiame Wikipedia puslapyje apie Pinhole camera - ten ir nukreipsiu susidomėjusį skaitytoją. O sau šiuo kart keliu kitą klausimą: ar nuotraukos ryškumą lemia tik apertūros angos dydis? Ir ar tikrai apertūra matuojama angos dydžiu, kaip mes matavom šiame eksperimente milimetrais?

Iki sekančio karto.