Фокус объектива камеры - точная точка или диапазон?

Question

Я часто задавался вопросом, является ли фокус объектива на определенном фокусном расстоянии точной точкой или диапазоном в пределах нескольких миллиметров. Это становится все более важным, если фокусироваться вручную. Как далеко от точки фокусировки камеры может быть объект, и он может выглядеть четким?

Answer 1

Есть только одно расстояние, которое находится в самом резком фокусе. Все перед или за этим расстоянием размыто. Чем дальше мы удаляемся от расстояния фокусировки, тем более размытыми становятся вещи. Возникают вопросы: «Насколько это размыто? Это в пределах нашего приемлемого предела? Как далеко от расстояния фокусировки вещи становятся неприемлемо размытыми?»

То, что мы называем глубина резкости (DoF) - это диапазон расстояний до и после точки фокусировки, которые приемлемо размыты , так что все выглядит так, как будто они есть в фокусе.

Величина глубины резкости зависит от двух факторов: общего увеличения и апертуры. Общее увеличение включает в себя следующие факторы: фокусное расстояние, расстояние до объекта / фокусировки, коэффициент увеличения (который определяется как размером датчика, так и размером дисплея) и расстояние просмотра. Острота зрения зрителя также способствует тому, что приемлемо резкое достаточно, чтобы появиться в фокусе вместо размытого.

Распределение глубины резкости перед и за фокусным расстоянием зависит от нескольких факторов, в первую очередь фокусного расстояния и фокусного расстояния.

Соотношение объективов изменяется при изменении расстояния фокусировки. Большинство объективов приближаются к 1: 1 при минимальном фокусном расстоянии. По мере увеличения расстояния фокусировки задняя глубина резкости увеличивается быстрее, чем передняя глубина резкости. Существует одно расстояние фокусировки, при котором соотношение будет 1: 2, или одна треть впереди и две трети позади точки фокусировки.

На коротких дистанциях фокусировки соотношение приближается к 1: 1. Настоящий макрообъектив, который может проецировать виртуальное изображение на сенсор или пленку того же размера, что и объект, для которого он проецирует изображение, достигает соотношения 1: 1. Даже объективы, которые не могут достичь макрофокусировки, демонстрируют соотношение, очень близкое к 1: 1, на их минимальном фокусном расстоянии.

На более длинных расстояниях фокусировки задняя часть глубины резкости достигает всего бесконечности, и, таким образом, соотношение между передним и задним DoF приближается к 1: ∞. Кратчайшее фокусное расстояние, на котором задний DoF достигает бесконечности, называется гиперфокальным расстоянием. Ближняя глубина резкости будет очень близко приближаться к половине расстояния фокусировки. То есть ближайший край DoF будет на полпути между камерой и расстоянием фокусировки.

Мы также должны помнить, что гиперфокальное расстояние, как и концепция глубины резкости, на которой оно основано, действительно всего лишь иллюзия , хотя и довольно устойчивая. Только одно расстояние будет в резкой фокусировке. То, что мы называем глубиной резкости, - это области по обе стороны от самого острого фокуса, которые размыты настолько незначительно, что мы все еще видим их резкими. Обратите внимание, что гиперфокальное расстояние будет меняться в зависимости от изменения любого из факторов, которые влияет на DoF: фокусное расстояние, диафрагму, увеличение / размер дисплея, расстояние просмотра и т. д. Для объяснения причин см.

Почему производители перестали включать в объективы шкалы глубины резкости?
Существует ли «правило большого пальца», которое я могу использовать для оценки глубины резкости во время съемки?
Как вы определяете приемлемый круг замешательства для конкретной фотографии?
Найти гиперфокальное расстояние для разрешения HD (1920x1080)?
Почему я получаю различные значения для глубины резкости из калькуляторов и предварительного просмотра в камере DoF?
А также этот ответ до Простой быстрый метод оценки степени резкости для простого объектива

Answer 2

Представьте себе стену на некотором расстоянии от вашей камеры - плоскую стену без глубины, и вы смотрите прямо на нее. Фокус объектива таков: все в этой точной плоскости находится в фокусе.

(Это упрощение. Для объективов реального мира оно не совсем плоское. На самом деле, ряд неизбежных оптических аберраций держит совершенство в страхе, но для базового понимания идея плоская плоскость достаточно хороша.)

Итак, самый резкий фокус находится на этой плоскости. Точки фокусировки на камере используются для указания системе фокусировки, где искать повышенную контрастность, и (при условии, что автофокус работает) все в одной плоскости также должно быть четко сфокусировано. Если вы сосредоточитесь ближе, это все равно что приблизить «стену» к себе; фокусировка дальше отодвигает это назад. Камера не может сфокусироваться на нескольких точках, которые не находятся в одной плоскости. Там просто один фокусное расстояние. (Системы автофокусировки предлагают несколько точек фокусировки, но это просто разные возможные области кадра, на которые нужно сфокусироваться. Если объекты в этих точках находятся на разных расстояниях, только одна точка может быть в идеальном фокусе.)

Но резкий фокус не сразу переходит от этого к неузнаваемому размытию. Каждая точка, которая должна быть точной на вашем датчике, на самом деле представляет собой крошечный круг, и чем дальше от идеального, тем больше становится этот крошечный круг. (См. Что такое «Круг замешательства?» ).

Если круг меньше, чем вы можете обнаружить (например, меньше, чем пиксели на вашем датчике, или меньше, чем ваш глаз может видеть в конечном отпечатке), то, что может быть ближе или дальше от идеальной «стены» резкий фокус может быть буквально неотличим от идеальной резкости. Кроме того, даже вне ограничений вашей камеры и системы обработки изображений, есть некоторое количество очень слабого размытия, которое мы готовы принять как «достаточно хорошее». Здесь мы получаем понятие глубина резкости . Вместо плоскости без толщины, представьте себе воображаемую стену толщиной с глубиной, которая ближе и дальше, чем расстояние, на котором вы сфокусированы. Все в этом «в глубине поля», и поэтому рассматривается в фокусе.

(Но не заблуждайтесь, думая, что у этой воображаемой толстой стены жесткие границы - это действительно «мягкая» зона, где границы являются определенным суждением.)

Как правило, меньшие значения диафрагмы (большее число f) обеспечивают большую глубину резкости. (См. Технически, почему область вне фокуса более размыта при использовании большей диафрагмы? )

Answer 3

Геометрическая оптика учит нас тому, что объектив способен формировать четкое изображение объекта только в заданной точке фокусировки. Объекты ближе или дальше по расстоянию будут отображаться как нерезкие. Однако, как правило, объекты до и после расстояния, сфокусированного на, вероятно, выглядят резко сфокусированными. Причина в том, что существует промежуток до и после точки фокуса, который воспроизводит достаточно резкий. Этот промежуток называется «глубина резкости».

Объектив обрабатывает каждую точку объекта индивидуально. По сути, речь идет о таком крошечном пятне, которое не имеет измерения. Работа объектива состоит в том, чтобы спроецировать изображение этой точки на плоскость изображения. Из-за остаточных неисправленных аберраций и неадекватной фокусировки изображение точек никогда не воспроизводится в виде точек. Вместо этого все точки воспроизводятся в виде кругов. Это так называемые круги путаницы, потому что они имеют зубчатые границы и соседствуют с соседними кругами путаницы.

Именно размер этих кружков является определяющим фактором того, будем ли мы произносить изображение как липкое или размытое. Если круги крошечные и ниже нашей способности разрешить их в виде кругов, мы произносим изображение «острый». Если эти точки изображения видны как круги, а не безразмерные точки, мы объявляем изображение нерезким. Для обычного человека с хорошим зрением, смотрящего на фотографию при хорошем освещении, эти кружки путаницы должны быть не больше 2/100 дюймов (½ мм). при просмотре от 20 дюймов

Это материал «глубины резкости».

Answer 4

Для каждой конкретной длины волны и каждого радиуса передней линзы (при условии идеальной радиальной симметрии линз) фокус является точным расстоянием, учитывая, что датчик представляет собой идеальную сферическую поверхность с центром, находящимся в фокальной плоскости. Подожди, это не так. И мы не работаем с монохроматическим светом. И если расстояния фокусировки для различных радиусов передних линз не совпадают идеально, мы получаем разные характеристики при разных значениях диафрагмы.

Глубина резкости рассчитывается исходя из идеальной модели объектива и приемлемого «круга путаницы». Правда в том, что линзы не идеальны. Таким образом, «круг путаницы» будет затенен проблемами хроматической продольной (и боковой) аберрации и сферической аберрации и сходимости линз на практике, и все они определяют диапазон, в котором вы не можете различить значимые уровни резкости независимо от разрешения датчика. *

Преимущество вычисления глубины резкости на основе «круга путаницы» состоит в том, что он работает с хорошо определяемыми числами (по крайней мере, при использовании цифровых датчиков с фиксированным шагом пикселей), но при этом не учитывается качество оптики. Если бы оптика могла пропускать свет через всю апертуру на всех видимых длинах волн из одной точки на расстоянии фокусировки, сходилась к одной точке на датчике (которая фактически имеет ненулевую глубину своей поверхности, преобразующей фотоны, бросая другой гаечный ключ в работ), вы могли бы говорить о точных расстояниях фокусировки.