Là ống kính máy ảnh lấy nét một điểm chính xác hoặc một phạm vi?

Tôi thường tự hỏi liệu tiêu cự của ống kính ở một tiêu cự cụ thể là một điểm chính xác hay một phạm vi trong một vài mm. Điều này trở nên quan trọng hơn khi tập trung vào thủ công. Làm thế nào xa điểm lấy nét của máy ảnh có thể là một đối tượng và vẫn xuất hiện rõ nét?

Chỉ có một khoảng cách tập trung sắc nét nhất. Mọi thứ ở phía trước hoặc phía sau khoảng cách đó đều mờ mịt. Chúng ta càng di chuyển ra xa khoảng cách lấy nét, những thứ mờ hơn sẽ nhận được. Các câu hỏi trở thành: "Làm thế nào là mờ? Đó là trong giới hạn chấp nhận được của chúng tôi? Khoảng cách từ khoảng cách tập trung làm cho mọi thứ trở nên mờ không thể chấp nhận?"

Cái mà chúng ta gọi là độ sâu trường ảnh (DoF) là phạm vi khoảng cách ở phía trước và phía sau điểm lấy nét bị mờ chấp nhận được để mọi thứ vẫn trông như đang được lấy nét.

Độ sâu của trường phụ thuộc vào hai điều: tổng độ phóng đại và khẩu độ. Tổng độ phóng đại bao gồm các yếu tố sau: độ dài tiêu cự, khoảng cách chủ thể / tiêu cự, tỷ lệ phóng to (được xác định bởi cả kích thước cảm biến và kích thước hiển thị) và khoảng cách xem. Thị lực của người xem cũng góp phần vào những gì đủ sắc nét chấp nhận được để xuất hiện trong tiêu cự thay vì mờ.

Sự phân bố độ sâu của trường ở phía trước và phía sau khoảng cách lấy nét phụ thuộc vào một số yếu tố, chủ yếu là độ dài tiêu cự và khoảng cách lấy nét.

Tỷ lệ của bất kỳ ống kính đã cho nào thay đổi khi khoảng cách lấy nét được thay đổi. Hầu hết các ống kính tiếp cận 1: 1 ở khoảng cách lấy nét tối thiểu. Khi khoảng cách lấy nét được tăng, độ sâu trường phía sau tăng nhanh hơn độ sâu trường phía trước. Có một khoảng cách lấy nét tại đó tỷ lệ sẽ là 1: 2, hoặc một phần ba ở phía trước và hai phần ba sau điểm lấy nét.

Ở khoảng cách tập trung ngắn, tỷ lệ tiếp cận 1: 1. Một ống kính macro thực sự có thể chiếu hình ảnh ảo lên cảm biến hoặc phim có cùng kích thước với đối tượng mà nó đang chiếu hình ảnh đạt tỷ lệ 1: 1. Ngay cả các ống kính không thể đạt được tiêu cự macro sẽ thể hiện tỷ lệ rất gần với 1: 1 ở khoảng cách lấy nét tối thiểu của chúng.

Ở khoảng cách lấy nét dài hơn, phía sau độ sâu của trường đạt tới mức vô tận và do đó tỷ lệ giữa DoF phía trước và phía sau tiếp cận 1:. Khoảng cách lấy nét ngắn nhất mà tại đó các Sở Tài chính phía sau đạt vô cực được gọi là hyperfocal xa. Độ sâu gần của trường sẽ tiếp cận rất gần một nửa khoảng cách lấy nét. Nghĩa là, cạnh gần nhất của DoF sẽ nằm giữa camera và khoảng cách lấy nét.

Chúng ta cũng phải nhớ rằng khoảng cách siêu tiêu cự, giống như khái niệm về độ sâu của trường mà nó dựa vào, thực sự chỉ là một ảo ảnh , mặc dù là một thứ khá dai dẳng. Chỉ một khoảng cách duy nhất sẽ được tập trung sắc nét nhất. Cái mà chúng ta gọi là độ sâu trường ảnh là các khu vực ở hai bên của tiêu điểm sắc nét nhất bị mờ đi không đáng kể đến mức chúng ta vẫn thấy chúng là sắc nét. Xin lưu ý rằng khoảng cách siêu tiêu cự sẽ thay đổi dựa trên thay đổi đối với bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến DoF: độ dài tiêu cự, khẩu độ, độ phóng đại / kích thước hiển thị, khoảng cách xem, v.v ... Tại sao lại như vậy, vui lòng xem:

Tại sao các nhà sản xuất ngừng bao gồm các thang đo DOF trên ống kính?
Có "quy tắc ngón tay cái" nào mà tôi có thể sử dụng để ước tính độ sâu trường ảnh trong khi chụp không?
Làm thế nào để bạn xác định Circle of Confusion chấp nhận được cho một bức ảnh cụ thể?
Tìm khoảng cách hyperfocal cho độ phân giải HD (1920x1080)?
Tại sao tôi nhận được các giá trị khác nhau cho độ sâu trường từ máy tính so với xem trước DoF trong máy ảnh?
Cũng như câu trả lời này cho phương pháp ước tính DoF nhanh đơn giản cho ống kính một tiêu cự

Hãy tưởng tượng một bức tường cách máy ảnh của bạn một khoảng cách - một bức tường phẳng không có chiều sâu và bạn đang đối diện với nó. Lấy nét ống kính là như thế: mọi thứ trong mặt phẳng chính xác đó đều nằm trong tiêu cự.

(Đây là một việc đơn giản hóa. Đối với ống kính thực thế giới này là không hoàn toàn bằng phẳng. Trên thực tế, một số quang sai không thể tránh khỏi tiếp tục hoàn thiện tại vịnh, nhưng đối với một sự hiểu biết ý tưởng cơ bản của một chiếc máy bay bằng phẳng là đủ tốt.)

Vì vậy, trọng tâm sắc nét nhất là ở mặt phẳng đó. Các điểm lấy nét trên máy ảnh được sử dụng để báo cho hệ thống lấy nét nơi cần tìm độ tương phản tăng và (giả sử lấy nét tự động hoạt động) mọi thứ trong cùng một mặt phẳng cũng phải được lấy nét sắc nét. Nếu bạn tập trung gần hơn, nó giống như mang "bức tường" lại gần bạn hơn; tập trung xa hơn là đẩy nó trở lại. Máy ảnh không thể tập trung vào nhiều điểm không nằm trong cùng một mặt phẳng. Chỉ có một khoảng cách tập trung. (Hệ thống lấy nét tự động cung cấp nhiều điểm lấy nét, nhưng đây chỉ là các khu vực có thể khác nhau của khung để lấy nét. Nếu các đối tượng tại các điểm đó ở các khoảng cách khác nhau, chỉ có một điểm có thể nằm trong tiêu cự hoàn hảo.)

Nhưng, tiêu điểm sắc nét không ngay lập tức đi từ đó đến mờ không thể nhận ra. Mỗi điểm cần sắc nét trên cảm biến của bạn thực sự là một vòng tròn nhỏ, và càng xa hoàn hảo, vòng tròn nhỏ càng lớn. (Xem "Vòng tròn nhầm lẫn" là gì? ).

Nếu vòng tròn nhỏ hơn bạn có thể phát hiện (như, nhỏ hơn các pixel trên cảm biến của bạn hoặc nhỏ hơn mắt bạn có thể nhìn thấy trong bản in cuối cùng), một cái gì đó có thể ở gần hoặc xa hơn từ "bức tường" lý tưởng của tiêu cự sắc nét có thể nghĩa đen không thể phân biệt với độ sắc nét hoàn hảo. Ngoài ra, ngay cả ngoài những hạn chế của máy ảnh và hệ thống hình ảnh của bạn, có một số lượng mờ rất nhỏ mà chúng tôi sẵn sàng chấp nhận là "đủ tốt". Đây là nơi chúng ta có được khái niệm về độ sâu của trường . Thay vì một mặt phẳng không có độ dày, hãy nghĩ về một bức tường dày tưởng tượng với độ sâu gần hơn và xa hơn khoảng cách bạn tập trung vào. Tất cả mọi thứ trong đó là "trong chiều sâu của lĩnh vực", và do đó được xem xét tập trung.

(Nhưng đừng phạm sai lầm khi nghĩ rằng bức tường dày tưởng tượng này có đường viền cứng - đó thực sự là một khu vực "mềm" trong đó các đường viền là một lời kêu gọi phán đoán rõ ràng.)

Nói chung, khẩu độ nhỏ hơn (số f cao hơn) cung cấp độ sâu trường ảnh nhiều hơn. (Xem về mặt kỹ thuật, tại sao vùng ngoài tiêu cự bị mờ nhiều hơn khi sử dụng khẩu độ lớn hơn? )

Quang học hình học dạy chúng ta thể hiện rằng một thấu kính chỉ có thể tạo thành hình ảnh sắc nét của một vật thể tại một điểm lấy nét nhất định. Các đối tượng gần hoặc xa hơn về khoảng cách sẽ hình ảnh là unsharp. Tuy nhiên, như một vấn đề quan sát phổ biến, các đối tượng trước và sau khoảng cách tập trung vào có khả năng xuất hiện tập trung mạnh. Lý do là, tồn tại một khoảng trước và sau điểm lấy nét tái tạo sắc nét chấp nhận được. Khoảng này được gọi là độ sâu trường ảnh ".

Các ống kính xử lý từng điểm của đối tượng riêng lẻ. Bằng cách này, chúng ta đang nói về một điểm rất nhỏ, nó không có chiều. Công việc của ống kính là chiếu hình ảnh của điểm này lên mặt phẳng hình ảnh. Do quang sai còn sót lại và tập trung không đầy đủ, hình ảnh của các điểm không bao giờ được sao chép dưới dạng các điểm. Thay vào đó, tất cả các điểm sinh sản như vòng tròn. Chúng được gọi là các vòng tròn nhầm lẫn bởi vì chúng có ranh giới vỏ sò và được nối liền với các vòng tròn nhầm lẫn liền kề.

Chính kích thước của các vòng tròn này là yếu tố quyết định đến việc chúng ta phát âm một hình ảnh là sắc nét hay mờ. Nếu các vòng tròn nhỏ xíu và dưới khả năng của chúng tôi để giải quyết chúng thành các vòng tròn, chúng tôi sẽ phát âm hình ảnh. Nếu các điểm hình ảnh này được xem là các vòng tròn và không phải là các điểm không thứ nguyên, chúng ta sẽ phát âm hình ảnh một cách không rõ ràng. Đối với người bình thường có thị lực tốt, xem ảnh dưới ánh sáng tốt, các vòng tròn nhầm lẫn này phải không lớn hơn 2/100 inch (mm). khi nhìn từ 20 inch

Đây là công cụ của độ sâu trường lĩnh vực.

Đối với từng bước sóng cụ thể và từng bán kính ống kính phía trước (giả sử đối xứng xuyên tâm hoàn hảo của thấu kính), tiêu cự là một khoảng cách chính xác, với điều kiện cảm biến là một bề mặt hình cầu hoàn hảo với tâm nằm trong mặt phẳng tiêu cự. Đợi đã, không phải thế. Và chúng tôi cũng không làm việc với ánh sáng đơn sắc. Và nếu khoảng cách lấy nét cho các bán kính ống kính phía trước khác nhau không khớp hoàn hảo, chúng ta sẽ có các màn trình diễn khác nhau ở các khẩu độ khác nhau.

Độ sâu trường ảnh được tính toán giả sử một mô hình thấu kính hoàn hảo và "vòng tròn nhầm lẫn" chấp nhận được. Sự thật là ống kính không hoàn hảo. Vì vậy, "vòng tròn nhầm lẫn" sẽ bị lấn át bởi quang sai theo chiều dọc (và bên) và quang sai hình cầu và các vấn đề hội tụ thấu kính trong thực tế, tất cả đều xác định phạm vi mà bạn không thể phân biệt được mức độ sắc nét có ý nghĩa bất kể độ phân giải của cảm biến.

Tính toán độ sâu trường dựa trên "vòng tròn nhầm lẫn" có lợi thế là làm việc từ các số có thể xác định rõ (ít nhất là khi sử dụng cảm biến kỹ thuật số với cường độ điểm ảnh cố định) nhưng nó không tính đến chất lượng của quang học. Nếu quang học có thể cho ánh sáng xuyên qua toàn bộ khẩu độ ở tất cả các bước sóng khả kiến ​​từ một điểm duy nhất ở khoảng cách hội tụ hội tụ đến một điểm duy nhất trên cảm biến (bề mặt thực sự có độ sâu khác không của bề mặt chuyển đổi photon của nó, ném một cờ lê khác vào công trình), bạn có thể nói về khoảng cách lấy nét chính xác.