Технически, почему область вне фокуса более размыта при использовании большей диафрагмы?

Question

Технически, мне интересно, почему и как размытые области больше размываются при использовании большей диафрагмы. Я думаю, что это очень помогло бы, если бы я представил проблему, которая долго сводила меня с ума:

Я читал, что число f человеческого глаза варьируется от около f / 8,3 в очень ярком свете до около f / 2,1 в темноте. Но из того, что я тестировал, я всегда вижу не в фокусе области с одинаковым количеством размытия.

Что заставляет меня спросить: как работает эта апертура, почему она создает размытие с технической точки зрения, и это также относится к глазам, или это просто «провал» в объективах камер Вам понравилось и никогда не хотелось «исправлять»?

Answer 1

Я собираюсь написать с мой ответ на предыдущий вопрос о диафрагме :

Когда апертура очень мала, пропускаемый свет сильно «коллимируется», что является причудливым способом сказать «все лучи хорошо параллельны друг другу». Это приводит к четкой фокусировке для всего входящего света. Когда диафрагма более открыта, коллимируются только лучи, которые близко соответствуют точке фокусировки - это означает, что все, на чем вы фокусировались, является острым, но дальше или ближе сцены будут все более размытыми.

По сути, чем меньше диафрагма, тем более ограничено точное фокусирование света. Большая апертура пропускает больше света, но «цена» в том, что она менее контролируема.

Следующая диаграмма из Викимедиа может помочь:

Слева от широкой диафрагмы получается только центральная, сфокусированная ♡ карта, отрисованная резко. Более узкая диафрагма справа исключает менее коллимированный свет от расфокусированных карт ♠ и ♣, что приводит к более четкому изображению в целом.

Помните, что красные / зеленые / синие пунктирные линии на диаграмме отслеживают внешнюю сторону конуса световых лучей. Более сфокусированный источник света также включен в изображение, полученное с более широкой апертурой слева, но датчик изображения (или пленка) не может определить, какой из них был, поэтому в результате получается более размытое изображение, кроме лучи, которые оказываются точно в фокусе.

Это, безусловно, происходит и с человеческим глазом в качестве линзы. Я думаю, что просто очень сложно контролировать свой эксперимент, так как вы не можете сделать снимок для сравнения. В период между вечером и полуднем - или даже в течение получаса вам нужно привыкнуть к темной комнате - вы теряете прекрасную память о том, сколько было размытия. Это еще более осложняется тем, что ваш мозг очень усердно работает, чтобы исправить все дефекты глаз и представить идеальную модель всего мира в идеальном фокусе. (Вот что делает мозговая часть системы человеческого зрения .)

Очень сложно посмотреть только на одно место; ваш глаз вращается подсознательно и создает идеальное изображение из того, которое действительно только острое в центре. Это добавляет еще одно огромное осложнение - не только линза глаза является относительно простой системой с большим количеством аберраций, но и датчик нерегулярный. Вернее, это узкоспециализированный. Центральная область называется фовеа , диаметр которой составляет всего около 1 мм, а самая острая часть, фовеола , составляет всего 0,2 мм. Вот откуда действительно острое зрение. Но эта область не содержит никаких стержней (клеток, чувствительных к тусклому свету), поэтому эта острая область вообще не задействуется, когда вы находитесь в тусклом свете. Это делает невозможным простое сравнение с системами камер.

Кроме того, есть еще один недостаток в ваших основных предположениях - идея о том, что человеческий глаз видит одинаковое количество размытия движения независимо от количества света. Фактически, вход фактически интегрируется во времени, и количество времени увеличивается при более низких уровнях освещенности . И «экспозиция» фактически контролируется по-другому: чувствительность повышается в темноте - эффективный эквивалент auto-ISO.

Итак, гПрямо к прямому вопросу: это природа оптики, и поэтому она относится и к нашим глазам. Но наши глаза - это система, отличная от камеры и объектива. Система человеческого зрения имеет простую линзу, сложный датчик, очень сложную мгновенную постобработку и невероятно сложную систему хранения и поиска. Камера обычно использует сложный объектив, сравнительно прямую матрицу датчиков и сравнительно прямую постобработку (пока вычислительная фотография не вступит в свои права - преуспеет ли Lytro в этом году или кто-то еще пять лет с этого момента). И система памяти совершенна побитно - совсем не так, как человеческая память.

Является ли это различие чем-то, что мы "любим" и не хотим исправлять, является вопросом интерпретации. Конечно, идея глубины резкости находится в нашем художественном / визуальном словаре как общества; останется ли он таким в течение ста лет - вопрос домыслов. Я думаю, да , даже если технологии меняются.

Камера с датчиком другого типа, например, используемым в Lytro , на самом деле может записывать направление входящих лучей света. Эти дополнительные данные позволяют этим камерам создавать полностью четкое изображение даже с очень большой апертурой. Но это не то, как продает компания Lytro: вместо этого уловка - это изображения, на которых вы можете нажать, чтобы изменить расчетную точку фокуса на лету. То, что они выбрали этот маршрут, а не все-

Answer 2

Почему широкая диафрагма размывает фон больше

Позвольте мне начать с цифры из Википедии:

Выше у нас широко открытое отверстие. Только точка 2 находится в фокусе. Точки 1 и 3 не в фокусе. Благодаря широкой апертуре лучи, выходящие из них через разные части линзы, пересекают экран 5 (пленку или цифровой датчик) в разных точках. Мы также можем сказать, что эти лучи образуют точку (пересекаются) перед (красным) или за (зеленым) экраном. Соответствующие световые конусы пересекаются с экраном и образуют на экране эллиптическое изображение. Более широкая диафрагма обеспечивает более широкий конус света (поэтому она позволяет собирать больше света и больше размыть).

По сути, не в фокусе точка создает круг путаницы. Это то, что мы можем назвать размытием или боке.

При меньшем значении диафрагмы ниже лучи, находящиеся слишком далеко от центра, обрезаются, поэтому окружность точки не в фокусе меньше.

Если круг путаницы меньше зернистости пленки или субпикселя сенсора, мы не можем сказать, находится ли он вообще в фокусе, и тогда точка отображается как в фокусе, даже если это не так. Таким образом, с конечной диафрагмой, существует диапазон расстояний, которые выглядят как в фокусе. Глубина этого диапазона называется глубиной резкости (DoF). Это больше для меньших отверстий.

Если апертура действительно очень мала, тогда могут проходить только центральные лучи, и мы имеем бесконечную глубину резкости, несмотря ни на что. Каждая точка, близкая или удаленная, представляется точкой на изображении. Вот как работает камера-обскура . Регулируемая апертура позволяет иметь что-нибудь между ними.

Как это выглядит

При меньшей диафрагме f / 32 :

При увеличении диафрагмы f / 5 размытый фон размывается больше:

(изображения снова из Википедии)

Answer 3

Лучи света, приходящие от сфокусированного объекта, преломляются при прохождении через объектив и ударяются о датчик (пленку). Лучи, исходящие из одной точки, образуют конус, основой которого является открытый круг в линзе. Чем больше отверстие, тем больше основание конуса. Затем образуется вторичный конус, и лучи снова встречаются в фокусе.

Лучи, исходящие от предметов, находящихся на разном расстоянии от линзы, образуют конусы разной длины (точнее, высоты). Для более длинных колбочек (объектов за сфокусированным предметом) вторичные колбочки короче. Для более коротких конусов (объекты перед ним), вторичный конус длиннее. Длина вторичного конуса определяется длиной основного конуса.

Из-за этого, когда свет от точки на не сфокусированном объекте приближается к датчику, изображение представляет собой небольшой круг, а не одну точку (это действительно больше эллипса, но давайте пренебрегаем этим).

Когда апертура увеличивается, основание двух конусов увеличивается, и, следовательно, их угол наклона головки. Поскольку длина остается неизменной, круг изображения становится больше. Вот почему вы получаете больше размытия, когда диафрагма шире.

Для справки и схемы, которая действительно объясняет все вышеперечисленное мамбо-джамбо, прочитайте эту статью .

Answer 4

Другие ответы неправильно связывают эффект размытия с некоторыми свойствами объектива. Вам не нужно ничего предполагать о том, как изображение формируется линзой или даже что линза существует.

Сцена просто выглядит немного по-разному в разных местах апертуры.

Как видно на рисунке, если вы решите держать красный объект в одном и том же положении для каждой точки диафрагмы, зеленый объект не сможет оставаться в одном и том же положении. Это создает размытие, потому что конечное изображение объединяет все эти отдельные виды.

Это означает, что теоретически (и без учета дифракции) единственный случай, когда все может быть в фокусе, это крошечная дыра, создающая изображение из одной точки. В реальной жизни маленькая, но не точечная диафрагма лучше из-за дифракции и увеличения количества света, но это другой вопрос.

Продолжая тему, "кто" на самом деле выбирает то, что находится в фокусе?

Почему красный, а не зеленый объект? Геометрия только определяет, что они не могут быть одновременно в фокусе, а степень расфокусировки зависит от диафрагмы, и это является основной причиной эффекта DOF.

Как на самом деле окончательное изображение комбинируется из частичных представлений? Это зависит от устройства «синей коробки». В реальной жизни «голубая коробка» - это, конечно, объектив. До сих пор мы делали вид, что ничего не знаем о том, как комбинируется изображение, чтобы показать, что явление не в фокусе возникает из геометрии, а не из свойств линзы .

Но это не обязательно должен быть объектив. Вместо этого мы могли бы разместить тысячи регистраторов изображений с точечными отверстиями по поверхности апертуры и получить тысячи отдельных изображений. Затем, просто накладывая эти изображения, мы получаем тот же эффект DOF - в зависимости только от апертуры. И в отличие от объектива, мы можем по-разному наложить одно и то же изображение, оставляя зеленый объект неподвижным (что, очевидно, будет размыть красный объект).

Answer 5

Посмотрите на это так. С достаточно малой диафрагмой вам даже не нужен объектив! Это называется камера-обскура.

Объектив фокусирует объекты на определенном расстоянии, потому что он работает, изгибая свет.

Пинхол (по крайней мере, идеальный) работает путем отображения точек света под разными углами на соответствующие углы на пленке, независимо от расстояния. (У настоящих крошечных отверстий есть ограничения. Слишком малые крошечные отверстия просто рассеивают свет из-за дифракции.)

Апертура перед линзой привносит некоторые характеристики точечного отверстия. Чем меньше диафрагма, тем эффективнее вы превращаете камеру в камеру-обскуру. Это дает преимущество, заключающееся в широкой фокусировке на глубину резкости, а также в некоторых недостатках точечного отверстия: меньшая мощность сбора света, дифракционные артефакты при очень высоких числах f-стопов.

Answer 6

Когда свет попадает на датчик, он создает пятно той же формы, что и апертура, но с размером, зависящим от реального расстояния объекта-источника до плоскости фокуса. Если апертура - это круг, вы получаете круг, если апертура - квадрат, вы получаете квадрат. Чем больше диафрагма, тем больше форма, поэтому она больше будет перекрываться с соседними формами и даст вам больше размытия.

Когда вы приближаетесь к фокальной плоскости, размер проецируемой на сенсор формы настолько мал, что ее невозможно отличить от точки. Эти расстояния определяют глубину поля.

Твой глаз работает точно так же, но я бы не стал доверять тому, что ты видишь, поскольку мозг выполняет сумасшедшую обработку! Вы видите детали только в крошечном пятне в центре каждого глаза. Ваш мозг очень быстро перемещает каждый глаз, чтобы «отсканировать» сцену и соединить все вместе, даже не подозревая об этом!

Answer 7

Размытость больше, потому что импульсный отклик оптической системы неблагоприятно изменяется при использовании большей апертуры. Однако, если диафрагма становится меньше (номинально f / 11 или f / 16 в некоторых объективах), то ухудшение из-за дифракционных эффектов становится более доминирующим. Таким образом, существует оптимальная апертура, которая находится где-то между идеальной импульсной характеристикой и дифракционными ограничениями линзы.

Функция рассеяния точки - это оптическая передаточная функция, которая является преобразованием Фурье функции оптической импульсной характеристики.

MTF (функция передачи модуляции) аналогична OTF за исключением того, что она игнорирует фазу. В приложениях некогерентной фотографии их можно считать довольно похожими.

По сути, OTF, MTF, функция рассеяния точки, описывают чувствительность оптической системы.

Когда объектив широко открыт, траектория света имеет большую изменчивость в траектории, поэтому вне точной точки фокусировки она имеет большую функцию разброса точек, которая при свертывании с изображением становится размытым.

Ниже приведен ответ, который я недавно дал на аналогичный вопрос. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

Глубина резкости - феномен восприятия, который влияет на HVS (зрительная система человека). Это действительно игра о том, сколько мы можем размыть есть, пока не станет нежелательным? »Есть только один« самолет » (обычно действительно сегмент сферы), который находится в фокусе. При этом Точка системы формирования изображения выполняет в соответствии с потерями, такими как Атмосферные и MTF (функция передачи модуляции) объектива.

Когда объект движется с этой плоскости, он сразу же становится "из фокус "и есть функция разброса точек, которая описывает растущий диск, который в некоторых кругах (без каламбура) называется "кругом спутанность сознания. "

Меньшие апертуры, использующие центральные части объектива, имеют свет, проходящий через линзу по более короткому (и более последовательному) пути. Это помогает уменьшить функцию разброса точек, которая описывает круг путаницы (и не всегда круг). Функция разброса точек Оптическая система также называется импульсным откликом.

Результирующее изображение - это свертка цели изображение и функция разброса точек. По крайней мере, для непоследовательных изображения. Таким образом, восприятие глубины резкости является линейным с диафрагма и фокусное расстояние.

К сожалению, глубина резкости имеет свои пределы, и очень очень мала диафрагма не обеспечит почти бесконечную глубину резкости, потому что дифракция играет большую роль в размытии изображения, так как диафрагма становится меньше.

Итак, что действительно происходит с глубиной резкости, так это то, что объекты не являются на самом деле в фокусе от сфокусированной плоскости, а скорее размытие считается незначительным. Подумайте об этом так: миниатюрная фотография может выглядит ясно, но если увеличить до 8x10 "фото, это может быть недопустимо нечетко. Таким образом, приемлемая глубина резкости является определением эффект воздействия несфокусированного изображения на наблюдателя, с учетом оптической системы (атмосфера, объектив, датчик / пленка, и процесс рендеринга / печати) и перспектива восприятия (насколько велика просмотренное изображение).

В практическом применении, так называемая гиперфокальная настройка на объективе, может дать приемлемое изображение сцены при просмотре в небольшом формате отображать или распечатывать, но при расширении или увеличении вы получите более нечеткий вид, как это на самом деле не полностью в фокусе через «глубина резкости».

Комментарии приветствуются, и, возможно, я смогу переписать оба ответа, чтобы они были более универсальными для решения этого общего вопроса.

Answer 8

Это не техническое объяснение, а эксперимент. Следующий текст скопирован из книги Бена Лонга. Полная цифровая фотография:

Если вы достаточно близоруки, чтобы нуждаться в очках, попробуйте этот небольшой эксперимент с глубиной резкости. Снять ваши очки и сверните указательный палец против большого пальца. Вы должны быть в состоянии скрутить палец достаточно плотно, чтобы создать крошечное маленькое отверстие в кривой вашего указательного пальца. Если вы посмотрите через отверстие без очков вы, вероятно, обнаружите, что все в фокусе . Это отверстие очень маленькое, поэтому оно обеспечивает очень большую глубину резкости - достаточно большую , что фактически может исправить вашу видение. С другой стороны, он не пропускает много света, поэтому, если вы не находитесь в ярком дневном свете, вы может быть не в состоянии увидеть что-либо достаточно хорошо, чтобы определить, находится ли оно в фокусе. В следующий раз, когда вы запутаетесь в том, как апертура связана с глубиной резкости, запомните этот тест

Я попробовал это, и это действительно работает. Попробуйте посмотреть какой-нибудь текст, который находится на расстоянии около 100 метров от вас. Я ношу близорукие очки.