Re: [問題] 光圈大小會不會影響視野大小?

[Furch (呼嚕嚕)]

※ 引述《oskens (摸魚)》之銘言：
: 各位版友們好
: 因為要帶孩子做科學探索研究
: 接續上次我在板上問到的光圈形狀問題
: 我現在有一些新的問題想在這邊求證看看
: 因為網路上查不太到明確的答案
: 就是這張圖:
: https://i.imgur.com/0GjWTlK.jpg
: (我上了藍色箭頭，好奇視野邊緣的光線是否會被光圈擋住)
: 我們知道光圈是控制進光亮的一個工具
:  光圈的大小可以決定非對焦物進入透鏡散射的發散角度
:                                 從而控制打在感光元件上的光影模糊半徑要多少
: 然後這邊我就有個問題了
: 如果光圈變小  是不是理論上投影在感光元件上的訊號光線也會範圍縮小?
: 不過這邊我就有點卡卡的了
: 我知道針孔成像的洞大小並不會影響視野  但是相機是搭配凸透鏡匯聚光線做成像
: 機制上複雜的多

當然不會XD

會有這樣的困擾是因為誤解了這個模型含義的緣故。在做理論分析的時候，我們會將變因減到最低來幫助理解，這個光學模型很常見也沒有錯，但是它並沒有完全符合現實的狀況。


我們先來重現這個問題：
https://imgur.com/VSJxPRg
左邊是平行光源、中間是透鏡，右邊是感光元件

然後再做一個光圈結構：
https://imgur.com/HWhYxNv
那麼，周邊的光線（高亮處）就被擋住無法成像了嗎？

要記得的是，感光元件是一個面，而不是一個點，在感光元件的中央成像的，就會是實際上在中央的物體，反推回去在在邊緣的物體，就會在感光元件的邊緣成像。然而我們回去看上面這張用光圈遮蔽的範例，焦點依然位於中央且依然能夠成像。

那邊角的東西去哪了？
這就要說到這模型沒有完全符合現實的部分：
「平行光」

絕大多數物體所發出的光線並不會完全直挺挺的全部以平行光的方式直射進鏡頭內，因此斜射光也是必須要考慮的因素。

因此實際狀況是，在邊角的光線還是能夠以稍稍不同的入射角度，透過鏡頭的光學玻璃而成像：
https://imgur.com/eF39fco

透過這個模型也印證了我們上面提到的重點：
「在邊角的物體就會在感光元件的邊角成像」

因此你可以看到，有三個光源就會有三處成像，它們在感光元件上的位置也反映了它們的相對位置。（至於為什麼邊角沒有完全聚焦在一個點上，是因為球面像差的緣故）


如果還是卡在「不然被光圈擋住的光線去哪了？」的話，我們重新建立一個比較符合現實的模型：

「點光源」
https://imgur.com/JUv39bD
避免球面相差干擾判讀，這次我們改用理想鏡片來取代剛剛的球面鏡。

你可以把這個點光源視作是一個物體，例如人、樹、花草...

然後除了中央的物體之外，我們再增加左右兩個邊緣物體：
https://imgur.com/MMvx6O5

這時候感光元件上有三個成像對吧？
因為邊緣兩個成像就是你看到的邊角畫面

我們再重現剛剛做的事情，用光圈結構來擋住一部分光線：
https://imgur.com/ayWj61T

我們可以看到，在左右兩邊的邊緣物體依然可以成像，同時，它們在感光元件上面的相對位置也沒有任何改變。

確實感光元件接收到的光線變少了，所以它變得更暗了，但是邊角並不會因此被光圈遮蔽，也依然可以成像。


因此得證，縮光圈是不會影響鏡頭視野的:P


: 我的想法是實際上光圈較小確實外面就要有一圈黑邊
:                                 然後數位相機會自動擷取適當的放為做成像
: 但如果是傳統相機好像就說不通了
: 希望能有高手解惑一下

當然，縮光圈不會有黑邊，也不會擷取裁切

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推 ferrinatice: Furch大是否可以順便解釋一下為什麼縮光圈，暗角的狀
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如果是邊角失光的狀況，要用一個鏡組的概念去理解，
舉例來說，這是一個經過球面像差校正過的
Planar 結構鏡頭：
https://imgur.com/R3R1wTE

在一個點光源的狀況下，
這顆鏡頭能夠正常成像：
https://imgur.com/NmmkW5w

如果我們把點光源移至畫面邊緣，
這時候雖然依然能夠成像，
但感光元件接收到的光線（圖中的線段）明顯變少了：
https://imgur.com/dSkaMYm

中央與邊角並列比較會更明顯：
https://imgur.com/rtn2Iq0

局部放大比較看看：
https://imgur.com/07gByYq

以量化數據來看，在這個例子中，
感光元件總共從畫面中央的被攝物接收到 12 個線段，
但在畫面邊緣的被攝物則只收到 4 個線段。

若不考慮其他因素，
這邊緣目標的亮度總共暗了約 1又1/2 EV，
那麼理論上邊角失光的程度就是 -1.5EV。

至於為什麼縮光圈會緩解邊角失光呢？
如果我們在鏡組中央加入光圈結構的話：

https://imgur.com/MoAMqAe

這時候中央的線段是 6，邊角則維持 4
雖然邊角失光的狀況仍在，但失光程度則只有 1/3EV
而如果再縮小光圈的話，
就可以讓中央和邊角的曝光值達到幾乎相同的程度。

另外，如果把光圈移到鏡尾的話，
會發現它反而會遮蔽邊角光線，邊角失光可能會更嚴重：

https://imgur.com/9vxGHYx

這也是為什麼光圈結構必須放在鏡組中間的原因之一。

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※ 編輯: Furch (220.129.193.99 臺灣), 01/26/2022 22:12:32
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