Tecnicamente, perché l'area fuori fuoco è più sfocata quando si utilizza un'apertura più grande?

Mi chiedo, tecnicamente, perché e come le aree sfocate sfocano di più quando si usa un'apertura maggiore. Penso che sarebbe di grande aiuto se presentassi un problema che mi sta facendo impazzire da molto tempo:

Ho letto che il numero f dell'occhio umano varia da circa f / 8,3 in una luce molto intensa a circa f / 2,1 nel buio. Ma da quello che ho testato, vedo sempre aree sfocate con la stessa quantità di sfocatura.

Il che mi porta a chiedermi: come funziona questa apertura, perché crea una sfocatura dal punto di vista tecnico e si applica anche agli occhi, o è solo un "fallimento" negli obiettivi della fotocamera che siamo venuti piacere e non hai mai voluto "aggiustare"?

Ho intenzione di culla dalla mia risposta a una domanda precedente sull'apertura :

Quando l'apertura è molto piccola, la luce ammessa è altamente "collimata", il che è un modo elegante per dire "tutti i raggi sono ben paralleli tra loro". Ciò si traduce in una messa a fuoco nitida per tutta la luce che entra. Quando l'apertura è più aperta, vengono collimati solo i raggi che corrispondono strettamente al punto AF, il che significa che tutto ciò su cui hai messo a fuoco è nitido, ma parti più lontane o vicine della scena sarà sempre più sfocato.

Fondamentalmente, più piccola è l'apertura, più la luce è limitata alla precisione della messa a fuoco. Un'apertura più grande lascia entrare più luce, ma il "prezzo" è che è meno controllato.

Il seguente diagramma di Wikimedia può aiutare:

A sinistra, l'ampia apertura si traduce solo nel centro, focalizzato ♡ carta resa nitidamente. L'apertura più stretta a destra esclude la luce meno collimata dalle carte sfocate ♠ e ♣, ottenendo un'immagine più nitida in generale.

Ricorda, le linee tratteggiate rosse / verdi / blu nel diagramma tracciano l'esterno di un cono di raggi luminosi. La luce più focalizzata è anche inclusa nell'immagine fatta con l'apertura più ampia a sinistra, ma il sensore di immagine (o pellicola) non può dire quale fosse, quindi il risultato è più sfocatura eccetto i raggi che si verificano proprio nel punto focale.

Ciò accade sicuramente anche con l'occhio umano come obiettivo. Penso che sia davvero difficile controllare il tuo esperimento, dal momento che non puoi effettivamente scattare una foto da confrontare fianco a fianco. Nel periodo tra la sera e mezzogiorno - o anche nella mezz'ora ci vogliono gli occhi per acclimatarsi in una stanza buia - perdi il ricordo perfetto di quanta sfocatura ci fosse. Ciò è ulteriormente complicato dal fatto che il tuo cervello sta lavorando molto duramente per correggere tutti i difetti dagli occhi e presentare un modello mentale di tutto il mondo in perfetta concentrazione. (Questo è ciò che la parte del cervello del sistema di visione umano fa .)

È molto difficile guardare solo un punto; il tuo occhio si sposta inconsciamente e crea un'immagine perfetta da una che è davvero solo nitida al centro. Ciò aggiunge un'altra enorme complicazione: non solo la lente dell'occhio è un sistema relativamente semplice con molte aberrazioni, ma il sensore è irregolare. O meglio, è altamente specializzato. L'area centrale è chiamata fovea , con un diametro di circa 1 mm e la parte più affilata , la foveola , è solo 0,2 mm. Ecco da dove viene una visione davvero nitida. Ma quest'area non contiene aste (le cellule sensibili alla luce fioca), quindi questa area nitida non è affatto coinvolta quando sei in penombra. Ciò rende sostanzialmente impossibile un semplice confronto con i sistemi di telecamere.

Inoltre, c'è un altro difetto nelle tue assunzioni di base: l'idea che l'occhio umano veda la stessa quantità di movimento sfocare indipendentemente dalla quantità di luce. In realtà, l'ingresso è effettivamente integrato nel tempo e la quantità di tempo aumenta nei livelli di luce più bassi . E "l'esposizione" è effettivamente controllata in un altro modo: la sensibilità è aumentata nell'oscurità - l'equivalente effettivo di auto-ISO.

Quindi, per arrivare alla domanda diretta: è la natura dell'ottica, e quindi si applica anche ai nostri occhi. Ma i nostri occhi sono un tipo di sistema diverso rispetto a una fotocamera e un obiettivo. Il sistema di visione umana presenta una lente semplice, un sensore complicato, una post-elaborazione istantanea molto complicata e un sistema di archiviazione e recupero incredibilmente complicato. In genere una fotocamera utilizza un obiettivo sofisticato, una matrice di sensori relativamente semplice e una post-elaborazione relativamente semplice (fino a quando la fotografia computazionale non si presenta da sola, indipendentemente dal fatto che Lytro abbia successo quest'anno o qualcun altro tra cinque anni). E il sistema di memoria è perfetto bit per bit - non come la memoria umana in assoluto.

Se questa differenza sia qualcosa che "ci piace" e che non vogliamo correggere è una questione di interpretazione. Certamente l'idea di profondità di campo è nel nostro vocabolario artistico / visivo come società; se rimarrà tale in cento anni è una questione di speculazione. La mia ipotesi è sì , anche se la tecnologia cambia.

Una fotocamera con un diverso tipo di sensore, come quello usato nel Lytro, può effettivamente registrare la direzione dei raggi di luce in arrivo. Questi dati aggiuntivi consentono a queste telecamere di creare un'immagine completamente nitida anche con un'apertura molto grande. Ma non è così che la società Lytro lo sta vendendo: invece, il loro espediente sono le immagini in cui è possibile fare clic per cambiare il punto di messa a fuoco calcolato al volo. Che hanno scelto questa strada piuttosto che il tutto-

Perché la grande apertura sfoca di più lo sfondo

Vorrei iniziare con la figura di Wikipedia:

Sopra abbiamo un'apertura spalancata. Solo il punto 2 è a fuoco. I punti 1 e 3 sono fuori fuoco. A causa dell'ampia apertura, i raggi che provengono da loro attraverso diverse parti dell'obiettivo intersecano lo schermo 5 (un film o un sensore digitale) in punti diversi. Possiamo anche dire che questi raggi formano un punto (si intersecano) prima (rosso) o oltre (verde) dello schermo. I coni di luce corrispondenti si intersecano con lo schermo e formano un'immagine simile a un'ellisse sullo schermo. L'apertura più ampia consente un cono di luce più ampio (quindi consente di raccogliere più luce e sfocare di più).

In effetti, un punto sfocato produce un cerchio di confusione. Questo è ciò che possiamo chiamare sfocatura o bokeh.

Per un'apertura inferiore inferiore, i raggi troppo distanti dal centro vengono tagliati, quindi il cerchio del punto sfocato è più piccolo.

Se il cerchio di confusione è più piccolo della grana della pellicola o del subpixel del sensore, non possiamo dire se non è affatto a fuoco, e quindi il punto appare a fuoco anche se non lo è. Quindi, con un'apertura finita, c'è una gamma di distanze che appaiono tutte a fuoco. La profondità di questo intervallo è chiamata profondità di campo (DoF). È più grande per aperture più piccole.

Se l'apertura è molto, molto piccola, solo i raggi centrali possono passare e abbiamo una profondità di campo infinita, qualunque cosa accada. Ogni punto, vicino o lontano, è rappresentato come un punto sull'immagine. Ecco come funziona la fotocamera a foro stenopeico . L'apertura regolabile consente di avere qualcosa in mezzo.

Come sembra

Con apertura minore f / 32 :

Con un'apertura maggiore f / 5 , uno sfondo sfocato risulta più sfocato:

(le immagini sono di nuovo da Wikipedia)

I raggi luminosi che arrivano dal soggetto messo a fuoco vengono rifratti quando passano attraverso l'obiettivo e colpiscono il sensore (pellicola). I raggi originati da un singolo punto formano un cono la cui base è il cerchio aperto nella lente. Maggiore è l'apertura, maggiore è la base del cono. Quindi, si forma un cono secondario e i raggi si incontrano di nuovo nel punto focale.

I raggi provenienti da soggetti che si trovano a una distanza diversa dall'obiettivo formano coni di lunghezze diverse (altezze, per essere più precisi). Per coni più lunghi (oggetti oltre il soggetto focalizzato), i coni secondari sono più corti. Per coni più corti (oggetti davanti ad esso), il cono secondario è più lungo. La lunghezza del cono secondario è determinata dalla lunghezza del cono primario.

Per questo motivo, quando la luce proveniente da un punto sull'oggetto non focalizzato si avvicina al sensore, l'immagine è un piccolo cerchio, piuttosto che un singolo punto (è davvero più un'ellisse ma lascia trascurare quello).

Quando l'apertura si allarga, la base dei due coni si allarga, e quindi il loro angolo di testa. Poiché la lunghezza rimane invariata, il cerchio dell'immagine diventa più grande. Questo è il motivo per cui si ottiene più sfocatura quando l'apertura è più ampia.

Per riferimento e uno schema che spiega davvero tutto il mambo-jumbo sopra, leggi questo articolo .

Le altre risposte associano erroneamente l'effetto di sfocatura ad alcune proprietà dell'obiettivo. Non devi assumere nulla sul modo in cui l'immagine è formata dall'obiettivo o addirittura che esiste un obiettivo.

La scena sembra semplicemente leggermente diversa da diverse posizioni attraverso l'apertura.

Come puoi vedere nell'immagine, se scegli di mantenere l'oggetto rosso nella stessa posizione per ciascun punto di apertura, non è possibile che l'oggetto verde rimanga nella stessa posizione. Questo crea sfocatura, perché l'immagine finale combina tutte quelle singole viste.

Ciò significa che teoricamente (e ignorando la diffrazione) l'unico caso in cui tutto può essere messo a fuoco è lo stenopeico, creando l'immagine da un singolo punto. Nella vita reale un'apertura piccola ma non a punti è migliore, a causa della diffrazione e della maggiore quantità di luce, ma questa è un'altra domanda.

Perseguendo ulteriormente il soggetto, "chi" seleziona effettivamente ciò che è a fuoco?

Perché l'oggetto rosso e non quello verde? La geometria determina solo che non possono essere entrambi a fuoco e la quantità di sfocatura dipende dall'apertura e questa è la ragione fondamentale dell'effetto DOF.

In che modo effettivamente l'immagine finale viene combinata da viste parziali? Questo dipende dal dispositivo "scatola blu". Nella vita reale, la "scatola blu" è ovviamente l'obiettivo. Fino ad ora, abbiamo fatto finta di non sapere nulla sul modo in cui l'immagine è combinata per dimostrare che il fenomeno della sfuocatura emerge dalla geometria e non dalle proprietà dell'obiettivo .

Ma non deve essere obiettivo. Invece, potremmo posizionare migliaia di registratori di immagini stenopeiche sulla superficie dell'apertura e acquisire migliaia di singole immagini. Quindi, semplicemente sovrapponendo quelle immagini, otteniamo lo stesso effetto DOF, a seconda dell'apertura. E a differenza dell'obiettivo, potremmo quindi sovrapporre le stesse immagini in modo diverso, mantenendo fermo l'oggetto verde (che sfocerebbe quello rosso, ovviamente).

Quando la luce colpisce il sensore crea un punto della stessa forma dell'apertura ma a dimensioni dipendenti dalla distanza del mondo reale dell'oggetto sorgente dal piano di messa a fuoco. Se l'apertura è un cerchio ottieni un cerchio, se l'apertura è quadrata ottieni un quadrato. Maggiore è l'apertura, maggiore è la forma, quindi si sovrapporrà di più con le forme vicine e ti darà più sfocatura.

Man mano che ti avvicini al piano focale, la dimensione della forma proiettata nel sensore è così piccola che non si distingue da un punto. Queste distanze definiscono la profondità se il campo.

Il tuo occhio funziona esattamente allo stesso modo, ma non mi fiderei di quello che vedi mentre il cervello esegue una quantità folle di elaborazione! Vedi solo i dettagli in un piccolo punto al centro di ciascun occhio. Il tuo cervello muove ogni occhio molto rapidamente per "scansionare" la scena e mette tutto insieme senza che tu lo sappia!

Guardate in questo modo. Con un'apertura abbastanza piccola, non hai nemmeno bisogno di un obiettivo! Quella si chiama fotocamera stenopeica.

Una lente focalizza gli oggetti a una distanza particolare, perché funziona piegando la luce.

Un foro stenopeico (almeno ideale) funziona mappando i punti di luce da angoli diversi agli angoli corrispondenti sul film, indipendentemente dalla distanza. (I veri fori di spillo hanno dei limiti. Un foro stenopeico troppo piccolo disperderà semplicemente la luce a causa della diffrazione.)

Un'apertura di fronte a un obiettivo introduce alcune delle caratteristiche del foro stenopeico. Più piccola è l'apertura, più efficacemente si trasforma la fotocamera in una fotocamera a foro stenopeico. Ciò comporta il vantaggio di un'ampia messa a fuoco in profondità di campo, ma anche alcuni degli svantaggi del foro stenopeico: meno potenza di raccolta della luce, artefatti di diffrazione con numeri di stop molto elevati.

Questa non è una spiegazione tecnica, ma è un esperimento. Il testo seguente è copiato dal libro di Ben Long. Fotografia digitale completa:

Se sei abbastanza miope da aver bisogno degli occhiali, prova questo breve esperimento di profondità di campo. Togliti gli occhiali e piega l'indice contro il pollice. Dovresti essere in grado di arricciare il dito abbastanza forte da creare un piccolo foro nella curva dell'indice. Se guardi attraverso il buco senza gli occhiali, probabilmente scoprirai che tutto è a fuoco . Questo buco è un'apertura minuscola e quindi fornisce una profondità di campo molto profonda , abbastanza profonda , infatti, da poter correggere la tua visione. Il rovescio della medaglia, non lascia passare molta luce, quindi a meno che tu non sia in piena luce diurna, potresti non essere in grado di vedere qualcosa di abbastanza buono per determinare se è a fuoco. La prossima volta che sei confuso su come l'apertura si riferisce alla profondità di campo, ricorda questo test

Ho provato questo e funziona davvero. Prova a guardare del testo che si trova a circa 100 metri da te. Indosso occhiali miopi.

La sfocatura è maggiore perché la risposta all'impulso del sistema ottico viene modificata negativamente utilizzando un'apertura maggiore. Tuttavia, se l'apertura viene ridotta (nominalmente f / 11 o f / 16 in alcuni obiettivi), il degrado dovuto agli effetti di diffrazione diventa più dominante. Quindi esiste un'apertura ottimale, che si trova a metà strada tra una risposta all'impulso ideale e i limiti di diffrazione di un obiettivo.

La funzione di diffusione del punto è la funzione di trasferimento ottico, che è la trasformata di Fourier della funzione di risposta all'impulso ottico.

L'MTF (funzione di trasferimento della modulazione) è simile all'OTF, tranne per il fatto che ignora la fase. In applicazioni fotografiche non coerenti possono essere considerate abbastanza simili.

Essenzialmente OTF, MTF, funzione di diffusione dei punti, descrivono la reattività del sistema ottico.

Quando una lente è spalancata, il percorso della luce ha una maggiore variabilità nel percorso, in modo che al di fuori del punto di messa a fuoco esatto, abbia una maggiore funzione di diffusione del punto che, mentre si evolve con l'immagine, diventa la sfocatura.

Di seguito è una risposta che ho recentemente fornito a una domanda simile. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

La profondità di campo è un fenomeno di percezione che influenza l'HVS (sistema visivo umano). È davvero un gioco di "quanta sfocatura possiamo avere fino a quando diventa discutibile?" C'è solo un "piano" (di solito in realtà un segmento di una sfera) che è a fuoco. A quel punto il sistema di imaging funziona in conformità con perdite come l'atmosfera e l'MTF (funzione di trasferimento della modulazione) dell'obiettivo.

Quando un oggetto si allontana da quel piano, diventa immediatamente "fuori fuoco" e c'è una funzione di diffusione del punto che descrive un disco in crescita che si trova in alcuni cerchi (nessun gioco di parole inteso) chiamato "cerchio di confusione".

Aperture più piccole che impiegano porzioni centrali dell'obiettivo, hanno la luce che percorre un percorso più breve (e più coerente) attraverso l'obiettivo. Questo aiuta a ridurre la funzione di diffusione dei punti che descrive il cerchio di confusione (e non sempre un cerchio). La funzione di diffusione dei punti di un sistema di ottica è anche chiamata risposta all'impulso.

L'immagine risultante è quella che è la convoluzione dell'immagine target e la funzione di diffusione del punto. Almeno per imaging non coerente. Quindi la percezione della profondità di campo è lineare con il f-stop e la lunghezza focale.

Sfortunatamente, la profondità di campo ha dei limiti e un'apertura molto piccola non fornirà una profondità di campo quasi infinita, perché la diffrazione gioca un ruolo maggiore, nel rendere l'immagine sfocata, poiché l'apertura si riduce.

Quindi ciò che accade realmente con la profondità di campo è che gli oggetti non sono realmente messi a fuoco dal piano focalizzato, ma piuttosto la sfocatura è considerata trascurabile. Pensala in questo modo: una foto in miniatura potrebbe apparire chiara, ma se espansa per essere una foto 8x10 ", potrebbe essere inaccettabilmente sfocata. La profondità di campo accettabile è quindi una determinazione dell'effetto dell'impatto di un'immagine sfocata sul osservatore, dato il sistema ottico (atmosfera, obiettivo, sensore / pellicola e processo di rendering / stampa) e la prospettiva di percezione (quanto è grande l'immagine visualizzata).

Nell'applicazione pratica, una cosiddetta impostazione iper-focale su un obiettivo, può dare un'immagine accettabile di una scena quando viene visualizzata su un display o una stampa di piccolo formato, ma quando viene spesa o ingrandita, si otterrà un aspetto più sfocato come è in realtà non completamente a fuoco attraverso la "profondità di campo".

I commenti sono ben accetti e forse posso riscrivere entrambe le risposte per essere più universali per affrontare questa domanda comune.