Qual é a forma do plano focal?

Isso é algo que eu acabei de perceber que não sei totalmente a resposta, então vou perguntar aqui porque acho interessante.

Na maioria dos escritos não científicos sobre profundidade de campo, os diagramas geralmente mostram a câmera e os assuntos como sendo perfeitamente paralelos, por exemplo,

No entanto, essa é uma representação mais precisa do plano focal?

Existem maneiras de alterar opticamente a forma do plano focal?

Nota: Obviamente, esses diagramas são bidimensionais, mas estou assumindo que no segundo diagrama a forma seria esférica com o sensor no centro.

O efeito é chamado de curvatura de campo . Uma boa discussão vem da Nikon . É uma aberração da lente que pode reduzir a resolução da lente quando acoplada a um sensor plano. Antigamente, o filme podia ser dobrado um pouco para tentar seguir o plano da imagem e reduzir o efeito, mas hoje nossos sensores são rígidos. Pode ser reduzido com o design da lente.

Uma única lente convergente com espessura real possui um campo de foco curvo. A maioria das lentes oferecidas pelos fabricantes inclui elementos corretivos para achatar o campo de foco mais próximo de um plano focal plano em um grau ou outro. Existem algumas lentes bem conhecidas e altamente desejadas, conhecidas por achatar o plano focal particularmente bem: a série Zeiss Planar, por exemplo. Também existem lentes conhecidas e desejadas por não corrigir parte ou a totalidade de sua curvatura de campo e as fotos de "aparência" tiradas com essas lentes são exibidas. A Canon EF 85mm f / 1.2L II é uma dessas lentes.

Qual é a forma do plano focal?

Uma lente de elemento único com superfícies normais usando fórmulas ópticas matematicamente simples demonstrará a curvatura do campo. Quando projetadas em um sensor / filme plano, as diferentes distâncias entre o centro da lente e o meio vs. cantos do sensor causarão perda de foco nas bordas e nos cantos, se o centro estiver adequadamente focado. Se um filme ou sensor pudesse ser construído de forma que todas as partes fossem equidistantes do centro óptico da lente, tudo estaria em igual foco. Esse sensor cobriria a mesma porção (expressa em graus angulares) de um arco de uma esfera que a quantidade de arco coberto pela lente no campo de visão da câmera. O raio de curvatura varia de acordo com o índice de refração da lente.

Na prática moderna, existem poucas, se houver, lentes de elemento único simples sendo oferecidas pelos fabricantes e usadas para fotografia, conforme definido no escopo de photo.stackexchange.com. A forma do plano focal, mais apropriadamente chamada de campo de foco, depende inteiramente do design da lente. A aberração esférica / curvatura do campo pode ser deixada totalmente não corrigida ou pode ser altamente corrigida, dependendo das decisões tomadas pelos projetistas das lentes e da eficácia de seu design.

Ao discutir a óptica do ponto cardinal, deve-se ter em mente que as lentes com espessura zero não existem realmente. Eles são teóricos. No artigo da wikipedia sobre o ponto cardinal (óptica) :

O único sistema ideal que foi alcançado na prática é o espelho plano.

Com uma lente opticamente perfeita, o plano focal é paralelo ao seu sensor e tem a mesma forma que ele, ou seja, é realmente um plano. Com uma lente da vida real, acho que você pode obter um pouco de distorção do avião, mas ele permanecerá essencialmente um plano. Tem que ser assim para a fotografia de paisagem onde você deseja que toda a imagem seja focada no infinito ao mesmo tempo, e é o caso de qualquer lente decente.

Seu primeiro diagrama está mais correto que o segundo. No segundo diagrama, você está negligenciando o fato de que os cantos do sensor estão mais distantes do centro óptico da lente do que o centro do sensor.

Isso é algo a ser levado em consideração ao usar a técnica usual "foco e recomposição": girando sua câmera para recompor, você está movendo o plano focal sem alterar a distância para o motivo e pode realmente tirar o foco do objeto. Isto é especialmente verdade com uma lente grande angular em uma ampla abertura.

Veja, por exemplo, Como fotografar objetos em movimento com a Panasonic FZ 70/72 para obter mais detalhes.

A forma do plano focal depende da fórmula óptica. Em particular, o Zeiss Planar recebeu o nome de seu plano focal particularmente plano, que o tornava bom para a fotografia de livros, mas em geral parece mais com o seu segundo desenho.

Penso que um elemento que falta às respostas obviamente corretas dadas está se conectando à intuição errada na pergunta.

A intuição na pergunta está vindo (acredito) não de alguma pergunta sobre a aberração da lente, mas de uma sensação errada de que o plano focal é baseado na distância da lente.

Talvez essa pergunta possa ser parafraseada como

"as coisas que estão nitidamente focadas estão todas a uma distância específica da lente - estão todas situadas em uma curva com o raio da distância focal?"

A resposta é "não, não é assim que o foco funciona". Como afirma Matthew Moy, o plano focal para uma lente perfeita é paralelo ao sensor.