Какова самая общая теоретическая причина того, что изображения не в фокусе выглядят размытыми?

Question

Не знаю, стоит ли мне спрашивать здесь или физику для оптики. Но мне интересно, как получаются размытые изображения из фокуса?

Мне кажется, что если заданная геометрия объектива имеет заданное фокусное расстояние, то датчик изображения, расположенный на этом фокусном расстоянии, будет просто иметь точку в центральном пикселе, поскольку весь коллимированный свет, поступающий в объектив, фокусируется в точку. Так что на самом деле датчик изображения должен быть расположен перед фокусной точкой.

Если это правда, тогда может показаться, что понятия фокуса на самом деле просто увеличивают изображение, может быть, изображение будет размытым из-за чрезмерного увеличения и несовершенства оптики или что-то еще?

Answer 1

Объектив камеры действует подобно объективу кинотеатра или бокового проектора в том смысле, что он проецирует изображение внешнего мира на поверхность чипа цифрового изображения или пленки. Теперь объектив работает, заставляя свет менять направление. Когда лучи света от объектов пересекают линзу, они вынуждены изгибаться внутрь. Это действие называется преломлением. Это форма линзы и плотность стекла, что делает этот трюк.

Новый путь лучей формирования изображения очерчивает форму конуса. Когда лучи света достигают вершины конуса (заостренный конец), они распространяются. Рисунок этого действия напоминает два конуса мороженого, расположенных вплотную.

Мы фокусируем камеру, перемещая объектив вперед или назад (в направлении или в сторону) от чипа или пленки. Это расстояние от объектива до чипа (пленки) является «задним фокусом». Изображение будет сфокусированным и, следовательно, четким и четким, когда вершина конуса просто поцеловает поверхность чипа формирования изображения. Это расстояние зависит от расстояния от объекта до объектива. Если фокусировка правильная, свет, формирующий изображение, создает очень маленький освещенный круг. Если задний фокус неправильный, круг света будет слишком большим. Чтобы сделать четкое и четкое изображение, круг должен быть очень маленьким. Оно должно быть около 0,5 мм (1/50 дюйма) или меньше. Другими словами, крошечные круги, составляющие изображение, должны быть настолько маленькими, чтобы восприниматься ими только как точки света. Если мы увидим их в виде кругов, изображение будет размытым. Таким образом, мы фокусируем камеру, чтобы получить наименьший возможный круг.

Поскольку каждая точка на каждом изображаемом объекте приводит к проецированию крошечного круга на чип или пленку, таких кругов будет множество. Если бы мы могли сделать идеальный объектив, круги были бы идеально круглыми и супер крошечными, когда камера правильно сфокусирована. Мы не можем сделать такой объектив. На самом деле круги несовершенны и перекрываются. Когда мы смотрим на них под микроскопом, мы видим перемешивание различных перекрывающихся форм. Мы называем эти «круги путаницы».

Изображение с камеры будет резко сфокусировано, только если круги путаницы настолько малы, что не могут быть разрешены нашим глазом. Если вы посмотрите на фотографии в газетах и ​​на картинках комиксов, они выглядят нерезкими. Это потому, что точки чернил, которые составляют картину, слишком велики. Мы видим их как точки, а не точки. Газета должна быть напечатана на недорогой бумаге, а чернила растекаются слишком сильно, чтобы сделать очень четкие снимки.

Answer 2

Звучит так, как будто вы имеете в виду формулу тонкой линзы , но ваша интерпретация геометрии привела к некоторым ошибочным выводам.

Мне кажется, что если заданная геометрия объектива имеет заданное фокусное расстояние, то датчик изображения, расположенный на этом фокусном расстоянии, будет просто иметь точку в центральном пикселе, поскольку весь коллимированный свет, поступающий в объектив, фокусируется в точку.

Здесь очень помогут диаграммы. Вы описываете стандартную диаграмму, которая объясняет, что фокусное расстояние объектива - это расстояние изображения до объектива, когда объектив сфокусирован на бесконечности:

Мне кажется, что вы истолковали эту диаграмму как означающую, что весь свет, попадающий в объектив, сфокусирован на одной точке в центре плоскости изображения (то есть в центре датчика / пленки). Это только частично верно: только коллимированные световые лучи, которые параллельны оптической оси линзы , фокусируются вниз до одной точки в центре датчика / пленки.

Следующая диаграмма показывает красный и зеленый коллимированный свет. Лучи, проходящие через центр линзы, называются главными лучами . Любой луч света, попадающий в линзу параллельно главному лучу, будет сфокусирован в том же месте на плоскости изображения, которое пересекает главный луч.

Возвращаясь к следующему предложению из вашего вопроса,

Так что действительно датчик изображения должен быть расположен перед фокусной точкой.

Затем вы изменяете расстояние до изображения . Перемещение плоскости изображения ближе к объективу смещает расстояние, на котором объекты находятся в фокусе ( фокусное расстояние ), дальше от объектива. В случае вышеприведенных диаграмм мы бы сфокусировались на мимо бесконечности, что означает, что ничто не в фокусе.

На изображении ниже мы фокусируемся на объекте на конечном расстоянии - в частности, на центре лица Инки, между глазами. Красные лучи фокусируются между его глазами. Если плоскость изображения будет перемещена ближе или дальше от объектива, центр лица Инки больше не будет в фокусе.

Зеленые линии перед и за плоскостью изображения («плоскости глаза») пересекают красные лучи большими кругами, а не точками. Вот почему области не в фокусе выглядят размытыми . Лучи, исходящие от частей Inky перед или позади плоскости фокуса (центр его лица), не сходятся в одной точке в плоскости изображения.