- प्रकाश को रिकॉर्ड करने के सिद्धांत से शुरुआत करते हुए, यह डिजिटल कैमरे के sensor·lens·aperture किस तरह चरणबद्ध तरीके से image बनाते हैं, उसका तकनीकी विज़ुअलाइज़्ड विवरण देता है
- यह समझाता है कि image sensor कैसे photons को electrical signals में बदलता है, और Bayer filter तथा demosaicing के जरिए रंगों को कैसे पुनर्स्थापित किया जाता है
- pinhole camera से शुरुआत कर, refraction·lens·focal length जैसी अवधारणाएँ प्रस्तुत की जाती हैं और वास्तविक कैमरे की optical संरचना बनाई जाती है
- aperture (f-number), depth of field, और bokeh के संबंध का गणितीय और दृश्यात्मक विश्लेषण किया गया है
- aberration और chromatic aberration जैसी वास्तविक lens सीमाओं पर चर्चा करते हुए, यह रेखांकित किया गया है कि optical design वास्तव में प्रकाश के मार्ग को नियंत्रित करने की तकनीक है
प्रकाश का रिकॉर्ड और digital sensor
- शुरुआती फ़ोटोग्राफ़ी में silver halide film का उपयोग होता था, लेकिन आधुनिक कैमरों में इसकी जगह image sensor ने ले ली है
- sensor, photodetector के array से बना होता है जो photons को current में बदलता है
- संग्रह समय (shutter speed) के अनुसार exposure की मात्रा बदलती है
- sensor सीधे रंगों को detect नहीं कर सकता, इसलिए Color Filter Array का उपयोग किया जाता है
- Bayer filter में 2 green, 1 red, और 1 blue filter होते हैं
- green की संख्या दोगुनी इसलिए होती है क्योंकि इंसान brightness को green क्षेत्र में सबसे अधिक संवेदनशीलता से महसूस करता है
- demosaicing प्रक्रिया में RGB values को interpolate करके पूरी color image पुनर्निर्मित की जाती है
- shutter speed photons के संग्रह समय को निर्धारित करती है; बहुत ज़्यादा होने पर overexposure, कम होने पर underexposure होता है
pinhole camera का सिद्धांत
- अगर sensor को खुला छोड़ दिया जाए तो हर दिशा से प्रकाश भीतर आएगा और अर्थहीन image बनेगी
- इसे हल करने के लिए छोटे छेद वाला डिब्बा (pinhole camera) इस्तेमाल किया जाता है
- छेद से आने वाला प्रकाश एक-दूसरे को काटते हुए ऊपर-नीचे और दाएँ-बाएँ उलटी image बनाता है
- छेद और sensor के बीच की दूरी बदलने से field of view बदलता है
- छेद जितना छोटा होगा image उतनी sharp होगी, लेकिन आने वाला प्रकाश कम होने से brightness घटेगी
- बहुत छोटा होने पर diffraction की वजह से image फिर धुंधली हो जाती है
- pinhole camera सरल है, लेकिन प्रकाश दक्षता कम होती है और focus control संभव नहीं होता
काँच और refraction
- प्रकाश काँच से गुजरते समय दिशा इसलिए बदलता है क्योंकि index of refraction अलग होता है
- refractive index n = c / vₚ (प्रकाश की गति का अनुपात)
- हवा 1.0003, पानी 1.33, काँच 1.53, हीरा 2.43
- Snell’s law: n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂
- प्रकाश जब अधिक refractive index वाले माध्यम में प्रवेश करता है तो normal की ओर मुड़ता है
- कुछ कोणों पर total internal reflection होता है
- यही प्रभाव हीरे की चमक का मूल सिद्धांत है
lens और focus
- समतल काँच की प्लेट प्रकाश की दिशा नहीं बदलती, लेकिन घुमावदार काँच (lens) प्रकाश को converge या diverge कर सकता है
- convex lens समांतर प्रकाश को एक बिंदु पर केंद्रित करता है
- focal length lens के केंद्र से focus तक की दूरी है
- thin lens equation: 1/sₒ + 1/sᵢ = 1/f
- object distance (sₒ), image distance (sᵢ), और focal length (f) का संबंध
- lens और sensor के बीच की दूरी बदलकर focus adjustment संभव है
- focus बदलने पर field of view में बदलाव (focus breathing) होता है
- zoom lens कई glass elements को हिलाकर focal length को ही बदल देता है
aperture और depth of field
- aperture lens से गुजरने वाले प्रकाश की मात्रा और light rays के कोण को नियंत्रित करता है
- छोटा aperture → गहरी depth of field
- बड़ा aperture → उथली depth of field और bokeh effect
- f-number (N = f / D) focal length और entrance pupil diameter का अनुपात है
- f/2 तब, जब f=50mm और D=25mm हो
- f-number जितना छोटा, lens उतना bright, और तेज़ shutter उतना संभव
- f-number 1.4 के गुणक से बढ़ता है, और एक stop बढ़ने पर प्रकाश की मात्रा आधी हो जाती है
- aperture छोटा होने पर diffraction के कारण resolution घटने लगता है
aberration और chromatic aberration
- वास्तविक lens परिपूर्ण नहीं होते, इसलिए aberration उत्पन्न होता है
- प्रमुख प्रकार: spherical aberration, coma, astigmatism, field curvature, distortion
- chromatic aberration वह घटना है जिसमें तरंगदैर्ध्य के अनुसार refractive index के अंतर से रंग अलग हो जाते हैं
- achromatic lens अलग-अलग glass materials को मिलाकर इसका correction करता है
- उच्च-स्तरीय lens कई optical elements को जोड़कर
aberration·vignetting·flare को न्यूनतम करते हैं
निष्कर्ष
- कैमरा और lens का मूल सार है प्रकाश के मार्ग को नियंत्रित करके image बनाना
- shutter दबाने के उसी क्षण, सटीक optical design और sensor मिलकर
प्रकाश के माध्यम से वास्तविकता को रिकॉर्ड करने का कार्य पूरा करते हैं
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