Tecnicamente, por que a área fora de foco é mais embaçada quando se usa uma abertura maior?

Pergunto-me, tecnicamente, por que e como as áreas fora de foco ficam mais borradas ao usar uma abertura maior. Acho que ajudaria muito se eu apresentasse um problema que me deixa louco há muito tempo:

Eu li que o número f do olho humano varia de cerca de f / 8.3 em luz muito brilhante a cerca de f / 2.1 no escuro. Mas pelo que testei, sempre vejo áreas fora de foco com a mesma quantidade de desfoque.

O que me leva a perguntar: como essa coisa de abertura funciona, por que cria um borrão do ponto de vista técnico e também se aplica aos olhos, ou é apenas uma "falha" nas lentes das câmeras que viemos gostar e nunca quis "consertar"?

Vou seguir da minha resposta para uma pergunta anterior na abertura :

Quando a abertura é muito pequena, a luz admitida é altamente "colimada", o que é uma maneira elegante de dizer "todos os raios são bem paralelos um ao outro". Isso resulta em um foco nítido para toda a luz que entra. Quando a abertura é mais aberta, apenas os raios que se aproximam do ponto de foco são colimados - o que significa que o que você focou é nítido, mas mais distante ou mais próximo da cena será cada vez mais embaçada.

Basicamente, quanto menor a abertura, mais restrita a exatamente o foco da luz. Uma abertura maior deixa mais luz, mas o "preço" é que é menos controlado.

O diagrama a seguir da Wikimedia pode ajudar:

À esquerda, a ampla abertura resulta apenas no cartão central e focado ♡ renderizado com nitidez. A abertura mais estreita à direita exclui a luz menos colimada dos cartões fora de foco ♠ e,, resultando em uma imagem mais nítida.

Lembre-se de que as linhas pontilhadas de vermelho / verde / azul no diagrama traçam a parte externa de um cone de raios de luz. A luz mais focada também é incluída na imagem feita com a abertura maior à esquerda, mas o sensor de imagem (ou filme) não pode dizer qual era qual; portanto, o resultado é mais desfocado, exceto pelos raios precisamente no ponto focal.

Isso certamente acontece com o olho humano como uma lente também. Eu acho que é realmente difícil controlar o seu experimento, já que você não pode tirar uma foto para comparar lado a lado. No período entre a noite e o meio-dia - ou mesmo a meia hora que leva os seus olhos a se acostumarem a um quarto escuro - você perde a memória perfeita de quanto borrão havia. Isso é ainda mais complicado pelo fato de seu cérebro estar trabalhando muito para corrigir todos os defeitos dos olhos e apresentar um modelo mental do mundo inteiro em foco perfeito. (É isso que a parte do cérebro do sistema de visão humana faz .)

É muito difícil olhar apenas para um ponto; seu olho gira inconscientemente e cria uma imagem perfeita a partir de uma que é realmente apenas nítida no centro. Isso acrescenta outra grande complicação - as lentes do olho não são apenas um sistema relativamente simples, com muitas aberrações, o sensor é irregular. Ou melhor, é altamente especializado. A área central é chamada de fóvea , e tem apenas 1 mm de diâmetro - e a parte mais afiada , a foveola , tem apenas 0,2 mm. É daí que a visão realmente nítida vem. Mas essa área não contém hastes (as células sensíveis à luz fraca); portanto, essa área nítida não está envolvida quando você está com pouca luz. Isso torna a comparação simples com os sistemas de câmera basicamente impossível.

Além disso, há outra falha em suas suposições básicas - a idéia de que o olho humano vê a mesma quantidade de movimento borrar, não importa a quantidade de luz. Na verdade, a entrada é realmente integrada ao longo do tempo e a quantidade de tempo aumenta em níveis mais baixos de luz . E a "exposição" é realmente controlada de outra maneira: a sensibilidade é aumentada no escuro - o equivalente efetivo do auto-ISO.

Então, para chegar à pergunta direta: é a natureza da óptica e também se aplica aos nossos olhos. Mas nossos olhos são um tipo diferente de sistema que uma câmera e uma lente. O sistema de visão humana possui uma lente simples, um sensor complicado, pós-processamento instantâneo muito complicado e um sistema incrivelmente complicado de armazenamento e recuperação. Uma câmera geralmente usa uma lente sofisticada, uma matriz de sensor comparativamente direta e um pós-processamento comparativamente direto (até a fotografia computacional se desenvolver - se a Lytro obtém sucesso este ano ou alguém mais daqui a cinco anos). E o sistema de memória é pouco a pouco perfeito - nem um pouco como a memória humana.

Se essa diferença é algo que "gostamos" e não queremos corrigir é uma questão de interpretação. Certamente a idéia de profundidade de campo está em nosso vocabulário artístico / visual como sociedade; se permanecerá assim em cem anos é uma questão de especulação. Meu palpite é que sim , mesmo quando a tecnologia muda.

Uma câmera com um tipo diferente de sensor, como o usado no Lytro, pode gravar a direção dos raios de luz que chegam. Esses dados adicionais permitem que essas câmeras criem uma imagem totalmente nítida, mesmo com uma abertura muito grande. Mas não é assim que a empresa Lytro o vende: em vez disso, o truque deles são imagens nas quais você pode clicar para alterar o ponto de foco calculado em tempo real. Que eles escolheram essa rota em vez de tudo

Por que a abertura ampla desfoca mais o fundo

Deixe-me começar com a figura da Wikipedia:

Acima, temos uma grande abertura. Apenas o ponto 2 está em foco. Os pontos 1 e 3 estão fora de foco. Devido à ampla abertura, os raios provenientes deles através de diferentes partes da lente cruzam a tela 5 (um filme ou um sensor digital) em diferentes pontos. Também podemos dizer que esses raios formam um ponto (interseção) antes (vermelho) ou além (verde) da tela. Os cones de luz correspondentes se cruzam com a tela e formam uma imagem semelhante a uma elipse na tela. A abertura mais ampla permite um cone de luz mais amplo (permitindo coletar mais luz e desfocar mais).

Efetivamente, um ponto fora de foco produz um círculo de confusão. Isso é o que podemos chamar de desfoque ou bokeh.

Para uma abertura menor abaixo, os raios muito longe do centro são cortados, de modo que o círculo do ponto fora de foco é menor.

Se o círculo de confusão for menor que o grão do filme ou o subpixel de sensor, não podemos saber se está fora de foco, e o ponto aparece como foco, mesmo que não esteja. Assim, com a abertura finita, há uma variedade de distâncias que aparecem como em foco. A profundidade desse intervalo é chamada de profundidade de campo (DoF). É maior para aberturas menores.

Se a abertura é muito, muito pequena, apenas os raios centrais podem passar, e temos uma profundidade de campo infinita, não importa o quê. Cada ponto, próximo ou distante, é representado como um ponto na imagem. É assim que a câmera pinhole funciona. Abertura ajustável permite ter qualquer coisa no meio.

Como isso parece

Em uma abertura menor f / 32 :

Em uma abertura maior f / 5 , um fundo desfocado fica mais manchado:

(as imagens são novamente da Wikipedia)

Os raios de luz que chegam do objeto focado são refratados quando passam pela lente e atingem o sensor (filme). Os raios originários de um único ponto formam um cone cuja base é o círculo aberto na lente. Quanto maior a abertura, maior a base do cone. Então, um cone secundário é formado e os raios se encontram novamente no ponto focal.

Os raios originados em assuntos que estão a uma distância diferente da lente formam cones de diferentes comprimentos (alturas, para ser mais preciso). Para cones mais longos (objetos além do assunto focado), os cones secundários são mais curtos. Para cones mais curtos (objetos à sua frente), o cone secundário é mais longo. O comprimento do cone secundário é determinado pelo comprimento do cone primário.

Por esse motivo, quando a luz de um ponto no objeto não focalizado se aproxima do sensor, a imagem é um pequeno círculo, e não um ponto único (é realmente mais uma elipse, mas vamos negligenciar isso).

Quando a abertura aumenta, a base dos dois cones aumenta e, portanto, o ângulo da cabeça. Como o comprimento permanece inalterado, o círculo da imagem aumenta. É por isso que você obtém mais desfoque quando a abertura é maior.

Para referência e um esquema que realmente explica todo o mambo-jumbo acima, leia este artigo .

As outras respostas associam incorretamente o efeito de desfoque a algumas propriedades da lente. Você não precisa assumir nada sobre como a imagem é formada pela lente ou mesmo que ela existe.

A cena simplesmente parece um pouco diferente de diferentes locais na abertura.

Como você pode ver na figura, se você optar por manter o objeto vermelho na mesma posição para cada ponto de abertura, não há como o objeto verde permanecer na mesma posição. Isso cria desfoque, porque a imagem final combina todas as visualizações individuais.

Isso significa que, teoricamente (e ignorando a difração), o único caso em que tudo pode estar em foco é o furo, criando a imagem a partir de um único ponto. Na vida real, uma abertura pequena, mas não pontual, é melhor, por causa da difração e aumento da quantidade de luz, mas essa é outra questão.

Prosseguindo ainda mais o assunto, "quem" realmente seleciona o que está em foco?

Por que o objeto vermelho e não o verde? A geometria apenas determina que elas não podem estar no foco e a quantidade de desfocagem depende da abertura e esse é o motivo fundamental do efeito DOF.

Como na verdade a imagem final é combinada a partir de vistas parciais? Isso depende do dispositivo "caixa azul". Na vida real, a "caixa azul" é obviamente uma lente. Até agora, fingimos que não sabemos nada sobre como a imagem é combinada para mostrar que o fenômeno fora de foco emerge da geometria e não das propriedades da lente .

Mas não precisa ser lente. Em vez disso, podemos colocar milhares de gravadores de imagem pinhole na superfície da abertura e adquirir milhares de imagens individuais. Então, simplesmente sobrepondo essas imagens, obtemos o mesmo efeito DOF - dependendo puramente da abertura. E, diferentemente da lente, podemos então sobrepor as mesmas imagens de maneira diferente, mantendo o objeto verde estacionário (o que embaçaria o vermelho, obviamente).

Quando a luz atinge o sensor, ele cria um ponto com a mesma forma da abertura, mas com o tamanho dependente da distância do objeto de origem no mundo real a partir do plano de foco. Se a abertura é um círculo, você obtém um círculo; se a abertura é quadrada, você obtém um quadrado. Quanto maior a abertura, maior a forma; assim, ela se sobrepõe mais às formas vizinhas e oferece mais desfoque.

À medida que você se aproxima do plano focal, o tamanho da forma projetada no sensor é tão pequeno que é indistinguível de um ponto. Essas distâncias definem a profundidade se campo.

Seu olho funciona exatamente da mesma maneira, mas eu não confiaria no que você está vendo, pois o cérebro faz uma quantidade louca de processamento! Você só vê detalhes em um pequeno ponto no centro de cada olho. Seu cérebro move cada olho muito rapidamente para "escanear" a cena e juntar tudo sem que você saiba!

Olhe isto deste modo. Com uma abertura pequena o suficiente, você nem precisa de uma lente! Isso é chamado de câmera pinhole.

Uma lente focaliza objetos a uma distância específica, porque funciona dobrando a luz.

Um orifício (pelo menos o ideal) funciona mapeando pontos de luz de diferentes ângulos para os ângulos correspondentes no filme, independentemente da distância. (Os orifícios reais têm limitações. Um orifício muito pequeno simplesmente dispersa a luz devido à difração.)

Uma abertura na frente de uma lente traz algumas das características do orifício. Quanto menor a abertura, mais efetivamente você transforma sua câmera em uma câmera pinhole. Isso traz a vantagem do amplo foco na profundidade de campo, mas também algumas das desvantagens do orifício: menos poder de captação de luz, artefatos de difração com números de ponto f muito altos.

Esta não é uma explicação técnica, mas é um experimento. O texto a seguir é copiado do livro de Ben Long Complete digital photography:

Se você é míope o suficiente para precisar de óculos, tente este pequeno experimento rápido de profundidade de campo. Tire os óculos e enrole o dedo indicador contra o polegar. Você poderá dobrar o dedo com força suficiente para criar um pequeno orifício na curva do dedo indicador. Se você olhar pelo buraco sem os óculos, provavelmente descobrirá que tudo está em foco . Esse buraco é uma abertura muito pequena e, portanto, fornece uma profundidade de campo muito profunda - suficientemente profunda , de fato, para que possa corrigir sua visão. Por outro lado, não deixa passar muita luz; portanto, a menos que esteja sob a luz do dia, talvez você não consiga ver nada bem o suficiente para determinar se está em foco. Na próxima vez em que estiver confuso sobre como a abertura está relacionada à profundidade de campo, lembre-se deste teste

Eu tentei isso, e realmente funciona. Tente olhar para algum texto que esteja a cerca de 100 metros de você. Eu estou usando óculos míopes.

O desfoque é maior porque a resposta ao impulso do sistema óptico é modificada adversamente usando uma abertura maior. No entanto, se a abertura for menor (nominalmente f / 11 ou f / 16 em algumas lentes), a degradação devido aos efeitos de difração se tornará mais dominante. Portanto, existe uma abertura ideal, que fica entre a resposta ideal ao impulso e as limitações de difração de uma lente.

A função de dispersão pontual é a função de transferência óptica, que é a Transformada de Fourier da função de resposta de impulso óptico.

O MTF (função de transferência de modulação) é semelhante ao OTF, exceto pelo fato de ignorar a fase. Em aplicações fotográficas não coerentes, elas podem ser consideradas bastante semelhantes.

Essencialmente, a função de espalhamento de ponto OTF, MTF, descreve a capacidade de resposta do sistema óptico.

Quando uma lente está aberta, o caminho da luz tem mais variabilidade no caminho, de modo que, fora do ponto exato do foco, ele tem uma função de espalhamento de pontos maior que, conforme convolve com a imagem, torna-se desfocada.

Abaixo está uma resposta que eu forneci recentemente para uma pergunta semelhante. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

A profundidade de campo é um fenômeno de percepção que influencia o HVS (sistema visual humano). É realmente um jogo de "quanto borrão podemos ter até que se torne censurável?" Existe apenas um "plano" (geralmente realmente um segmento de uma esfera) que está em foco. Nesse ponto, o sistema de imagem funciona de acordo com perdas como a atmosfera e o MTF (função de transferência de modulação) da lente.

Quando um objeto se afasta desse plano, ele imediatamente fica "fora de foco" e há uma função de espalhamento pontual que descreve um disco crescente que está em alguns círculos (sem trocadilhos) chamado "círculo de confusão".

Aberturas menores que empregam porções centrais da lente fazem com que a luz percorra um caminho mais curto (e mais consistente) através da lente. Isso ajuda a reduzir a função de dispersão de pontos que descreve o círculo de confusão (e nem sempre um círculo). A função de espalhamento pontual de um sistema óptico também é chamada de resposta ao impulso.

A imagem resultante é aquela que é a convolução da imagem alvo e a função de dispersão pontual. Pelo menos para imagens não coerentes. Portanto, a percepção da profundidade de campo é linear com o f-stop e a distância focal.

Infelizmente, a profundidade de campo tem seus limites, e uma abertura muito pequena não fornece profundidade de campo quase infinita, porque a difração desempenha um papel maior, ao desfocar a imagem, à medida que a abertura fica menor.

Então, o que realmente acontece com a profundidade de campo é que os objetos não estão realmente focados no plano focalizado, mas o borrão é considerado insignificante. Pense da seguinte maneira: uma foto em miniatura pode parecer nítida, mas se expandida para uma foto de 8 x 10 ", pode ser inaceitavelmente confusa. A profundidade de campo aceitável é a determinação do efeito do impacto de uma imagem fora de foco na observador, considerando o sistema óptico (atmosferas, lentes, sensor / filme e processo de renderização / impressão) e a perspectiva da percepção (qual o tamanho da imagem visualizada).

Em aplicações práticas, a chamada configuração hiper-focal em uma lente pode fornecer uma imagem aceitável de uma cena quando visualizada em uma tela de pequeno formato ou impressão, mas quando gasta ou ampliada, produzirá uma aparência mais confusa, pois realidade não completamente em foco através da "profundidade de campo".

Comentários são bem-vindos, e talvez eu possa reescrever as duas respostas para que sejam mais universais para resolver essa pergunta comum.