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

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

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 задаться вопросом: 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, которые мы пришли любить и никогда не хотел "починить"?

Я собираюсь написать из своего ответа на более ранний вопрос об апертуре :

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 сфокусировались, является острым, но дальше или ближе сцены будут все более размытыми.

По сути, чем меньше диафрагма, тем более точно и точно сфокусирован свет. Большая апертура пропускает больше света, но «цена» в том, что она менее контролируема.

Следующая диаграмма из Викимедиа может помочь:

Слева широкая диафрагма приводит только к центру, сфокусированная ♡ карта отрисовывается резко. Более узкая апертура 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 свет также включается в изображение, полученное с более широкой апертурой слева, но датчик изображения (или пленка) не может определить, что было, поэтому в результате получается больше размытия, за исключением лучей, которые оказываются точно в фокусе.

Это, безусловно, происходит с человеческим глазом как с объективом. 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. (Это то , что часть мозга системы видения человеческого делает .)

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 - хрусталик глаза является не только относительно простой системой с большим количеством аберраций, но и нерегулярным датчиком . Вернее, это узкоспециализированный. Центральная площадь называется фовеа , и это только около 1 мм в диаметре - и самой острой части, в ямочки , только 0.2mm. Вот откуда действительно острое зрение. Но эта область не содержит никаких стержней (клетки, чувствительные к тусклому свету), поэтому эта острая область вообще не задействуется, когда вы находитесь в тусклом свете. Это делает простое сравнение с системами камер в принципе невозможным.

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. На самом деле, вход фактически интегрируется во времени, и количество времени увеличивается при более низких уровнях освещенности . И «экспозиция» фактически контролируется другим способом: чувствительность повышается в темноте - эффективный эквивалент auto-ISO.

Итак, чтобы перейти к прямому вопросу: это природа оптики, и поэтому она также относится 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 простую матрицу датчиков и сравнительно простую постобработку (пока вычислительная фотография не вступит в свои права - удастся ли Lytro в этом году или кому-то еще через пять лет). И система памяти идеальна - совсем не так, как человеческая память.

Является ли это различие чем-то, что мы «любим» и не хотим исправлять - вопрос 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 когда технология меняется.

Камера с датчиком другого типа, подобным тому, который используется в Lytro, может фактически записывать направление падающих 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 можно щелкнуть, чтобы изменить расчетную точку фокуса на лету. То, что они выбрали этот маршрут, а не все

Почему широкая диафрагма больше размывает фон

Позвольте мне начать с рисунка 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 апертура учитывает более широкий конус света (таким образом это позволяет собирать больше света и больше размывает).

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 круг не в фокусе меньше.

Если круг путаницы меньше зернистости пленки или субпикселя датчика, мы не можем определить, находится ли он вообще не 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, то только центральные лучи могут пройти, и мы имеем бесконечную глубину резкости, несмотря ни на что. Каждая точка, близкая или удаленная, представляется точкой на изображении. Вот так работает камера-обскура . Регулируемая апертура позволяет иметь что-нибудь между ними.

Как это выглядит

При меньшей диафрагме F / 32 :

При большей диафрагме f / 5 размытый фон размывается больше:

(изображения снова из Википедии)

Лучи света, приходящие от сфокусированного объекта, преломляются при прохождении через объектив и попадают на сенсор (пленку). Лучи, исходящие из одной точки, образуют конус, основой которого является открытый круг в линзе. Чем больше отверстие, тем больше основание конуса. Затем формируется 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 первичного конуса.

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

Когда апертура увеличивается, основание двух колбочек становится больше, 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 вышесказанное, прочитайте эту статью .

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 вы можете видеть на рисунке, если вы решите держать красный объект в одинаковом 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) единственным случаем, когда все может быть в фокусе, является крошечное отверстие, создающее изображение из одной точки. В реальной жизни маленькая, но не точечная апертура 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 объект, а не зеленый? 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 конечное изображение комбинируется из частичных просмотров? 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 самый 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).

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 апертура, тем больше форма, таким образом, она будет больше перекрываться с соседними формами и даст вам больше размытия.

Когда вы приближаетесь к фокальной плоскости, размер формы, проецируемой на сенсор, настолько мал, что неотличим 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!

Посмотрите на это с другой стороны. 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 точечных отверстий есть ограничения. Слишком малые точечные 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 приводит к преимуществу широкой фокусировки по глубине резкости, а также к некоторым недостаткам точечного отверстия: меньшая мощность сбора света, дифракционные артефакты при очень высоких значениях f-стопов.

Это не техническое объяснение, но это 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. Снимите очки и сверните указательный палец против большого пальца. Вы должны быть в состоянии сжать свой палец достаточно сильно, чтобы создать маленькое маленькое отверстие в изгибе вашего указательного пальца. Если вы посмотрите через дыру без очков, вы, вероятно, обнаружите, что все в фокусе . Это отверстие очень маленькое, поэтому оно обеспечивает очень большую глубину резкости - достаточно большую, чтобы фактически исправить ваше зрение. С другой стороны, он не пропускает много света, поэтому, если вы не находитесь при ярком дневном свете, вы не сможете увидеть достаточно хорошо, чтобы определить, находится ли он в фокусе. В следующий раз, когда вы запутаетесь в том, как диафрагма 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.

Размытость больше, потому что импульсный отклик оптической системы изменяется неблагоприятно с использованием 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 (передаточная функция 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 линза широко открыта, траектория света имеет большую изменчивость в траектории, так что от точной точки фокусировки она имеет большую функцию рассеивания точки, 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 - это феномен восприятия, который влияет на HVS (зрительную систему человека). На самом деле это игра о том, «сколько размытия мы можем иметь, пока оно не станет нежелательным?» Есть только один «план» (обычно действительно сегмент сферы), который находится в фокусе. В этот момент система формирования изображения работает в соответствии с такими потерями, как атмосферные явления и MTF (функция передачи модуляции) объектива.

Когда объект движется с этой плоскости, он сразу становится «не в фокусе», и появляется функция разброса точек, которая описывает растущий диск, который в некоторых кругах (без каламбура) называется «кругом путаницы».

Меньшие апертуры, использующие центральные части линзы, имеют свет, проходящий более короткий (и более последовательный) путь через линзу. Это помогает уменьшить функцию разброса точек, которая описывает круг путаницы (а не всегда круг). Функция разброса точек в оптической системе также называется импульсным откликом.

Результирующее изображение - это то, которое представляет собой свертку целевого изображения и функцию разброса точек. По крайней мере для некогерентных изображений. Таким образом, восприятие глубины резкости линейно с диафрагмой и фокусным расстоянием.

К сожалению, глубина резкости имеет свои пределы, и очень очень маленькая апертура не обеспечит почти бесконечную глубину резкости, потому что дифракция играет большую роль в размытии изображения, поскольку апертура становится меньше.

Итак, что действительно происходит с глубиной резкости, так это то, что объекты на самом деле не в фокусе от сфокусированной плоскости, а размытие считается незначительным. Подумайте об этом так: миниатюрная фотография может выглядеть четкой, но если увеличить ее до размера 8x10 ", она может быть неприемлемо нечеткой. Таким образом, приемлемая глубина резкости - это определение влияния воздействия расфокусированного изображения на наблюдатель, учитывая оптическую систему (атмосферные явления, объектив, сенсор / пленка и процесс рендеринга / печати) и перспективу восприятия (насколько велико видимое изображение).

При практическом применении, так называемая гиперфокальная настройка на объективе, может дать приемлемое изображение сцены при просмотре на небольшом экране или распечатке, но при расширении или увеличении даст более размытый вид, как в реальность не полностью в фокусе через «глубину резкости».

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