Về mặt kỹ thuật, tại sao vùng ngoài tiêu cự bị mờ nhiều hơn khi sử dụng khẩu độ lớn hơn?

Về mặt kỹ thuật, tại sao và làm thế nào để vùng ngoài tiêu cự mờ hơn khi sử dụng khẩu độ lớn hơn. Tôi nghĩ rằng nó sẽ giúp ích rất nhiều nếu tôi trình bày một vấn đề khiến tôi phát điên trong một thời gian dài:

Tôi đã đọc được rằng số f của mắt người thay đổi từ khoảng f / 8.3 trong ánh sáng rất mạnh đến khoảng f / 2.1 trong bóng tối. Nhưng từ những gì tôi đã thử nghiệm, tôi luôn thấy các khu vực không tập trung có cùng độ mờ.

Điều đó dẫn tôi đến câu hỏi: khẩu độ này hoạt động như thế nào, tại sao nó lại tạo ra một vệt mờ từ quan điểm kỹ thuật và nó cũng áp dụng cho mắt, hay nó chỉ là một "thất bại" trong ống kính máy ảnh mà chúng ta đã đến thích và không bao giờ muốn "sửa"?

Tôi sẽ đưa ra từ câu trả lời của tôi cho một câu hỏi trước đó về khẩu độ :

Khi khẩu độ rất nhỏ, ánh sáng được thừa nhận rất "chuẩn trực", đó là một cách hay để nói "tất cả các tia đều song song với nhau". Điều này dẫn đến sự tập trung sắc nét cho tất cả ánh sáng chiếu vào. Khi khẩu độ mở hơn, chỉ có các tia gần với điểm lấy nét được chuẩn trực - có nghĩa là bất cứ thứ gì bạn tập trung vào đều sắc nét, nhưng xa hơn hoặc gần hơn của cảnh sẽ ngày càng mờ.

Về cơ bản, khẩu độ càng nhỏ, ánh sáng càng bị hạn chế để lấy nét chính xác. Khẩu độ lớn hơn cho phép nhiều ánh sáng hơn, nhưng "giá" là nó ít được kiểm soát hơn.

Sơ đồ sau đây từ Wikimedia có thể giúp:

Ở bên trái, khẩu độ rộng chỉ dẫn đến trung tâm, tập trung ♡ thẻ được hiển thị sắc nét. Khẩu độ hẹp hơn ở bên phải loại trừ ánh sáng ít bị va chạm từ các thẻ ♠ và out ngoài tiêu cự, dẫn đến tổng thể hình ảnh sắc nét hơn.

Hãy nhớ rằng, các đường chấm màu đỏ / xanh lá cây / xanh dương trong sơ đồ theo dõi bên ngoài hình nón của các tia sáng. Ánh sáng tập trung nhiều hơn cũng được bao gồm trong hình ảnh được tạo ra với khẩu độ rộng hơn ở bên trái, nhưng cảm biến hình ảnh (hoặc phim) không thể biết đó là gì, do đó, kết quả sẽ mờ hơn ngoại trừ các tia xảy ra chính xác tại đầu mối.

Điều này chắc chắn xảy ra với mắt người như một ống kính. Tôi nghĩ rằng thật khó để kiểm soát thử nghiệm của bạn, vì bạn thực sự không thể chụp ảnh để so sánh cạnh nhau. Trong khoảng thời gian giữa buổi tối và giữa trưa - hoặc thậm chí trong nửa giờ, đôi mắt của bạn sẽ thích nghi với một căn phòng tối - bạn mất đi ký ức hoàn hảo về việc có bao nhiêu vết mờ. Điều này còn phức tạp hơn nữa bởi thực tế là bộ não của bạn đang làm việc rất chăm chỉ để sửa chữa mọi khiếm khuyết từ đôi mắt và đưa ra một mô hình tinh thần của toàn bộ thế giới trong sự tập trung hoàn hảo. (Đó là những gì bộ phận não của hệ thống thị giác của con người làm .)

Thật khó để chỉ nhìn vào một điểm; mắt bạn lướt qua tiềm thức và xây dựng một hình ảnh hoàn hảo từ một hình ảnh thực sự chỉ sắc nét ở trung tâm. Điều này thêm một biến chứng lớn khác - không chỉ ống kính của mắt là một hệ thống tương đối đơn giản với nhiều quang sai, cảm biến không đều. Hay đúng hơn, nó rất chuyên môn. Khu vực trung tâm được gọi là hố mắt , và đường kính chỉ khoảng 1mm - và phần sắc nét nhất , foveola , chỉ 0,2mm. Đó là nơi tầm nhìn thực sự sắc nét đến từ. Nhưng khu vực này không chứa bất kỳ que nào (các tế bào nhạy cảm với ánh sáng mờ), vì vậy khu vực sắc nét này hoàn toàn không liên quan khi bạn ở trong ánh sáng mờ. Điều này làm cho một so sánh đơn giản với các hệ thống camera về cơ bản là không thể.

Trên hết, có một lỗ hổng khác trong các giả định cơ bản của bạn - ý tưởng rằng mắt người nhìn thấy cùng một lượng mờ chuyển động bất kể lượng ánh sáng. Trên thực tế, đầu vào thực sự được tích hợp theo thời gian và lượng thời gian không tăng ở mức độ ánh sáng thấp hơn . Và, "phơi sáng" thực sự được kiểm soát theo một cách khác: độ nhạy được tăng lên trong bóng tối - tương đương hiệu quả của tự động ISO.

Vì vậy, để đi đến câu hỏi trực tiếp: đó là bản chất của quang học, và vì vậy nó cũng áp dụng cho mắt của chúng ta. Nhưng đôi mắt của chúng ta là một loại hệ thống khác với máy ảnh và ống kính. Hệ thống thị giác của con người có một ống kính đơn giản, một cảm biến phức tạp, xử lý hậu kỳ tức thời rất phức tạp và một hệ thống lưu trữ và truy xuất vô cùng phức tạp. Một máy ảnh thường sử dụng một ống kính tinh vi, một tương ma trận cảm biến đơn giản, và tương đối đơn giản sau xử lý (cho đến nhiếp ảnh tính toán đi vào riêng của mình - cho dù Lytro thành công trong năm nay hoặc người khác lăm năm kể từ bây giờ). Và hệ thống bộ nhớ hoàn hảo từng chút một - không giống như bộ nhớ của con người.

Cho dù sự khác biệt này là thứ chúng tôi "thích" và không muốn khắc phục là vấn đề giải thích. Chắc chắn ý tưởng về chiều sâu của lĩnh vực là trong từ vựng nghệ thuật / hình ảnh của chúng ta như một xã hội; liệu nó sẽ duy trì như vậy trong một trăm năm hay không là vấn đề đầu cơ. Tôi đoán là có , ngay cả khi công nghệ thay đổi.

Một máy ảnh với một loại cảm biến khác, giống như được sử dụng trong Lytro thực sự có thể ghi lại hướng của các tia sáng tới. Dữ liệu bổ sung này cho phép các máy ảnh này tạo ra một hình ảnh hoàn toàn sắc nét ngay cả với khẩu độ rất lớn. Nhưng đó không phải là cách công ty Lytro bán nó: thay vào đó, mánh lới quảng cáo của họ là hình ảnh mà bạn có thể nhấp để thay đổi điểm tập trung được tính toán khi đang bay. Rằng họ chọn con đường này chứ không phải tất cả

Tại sao khẩu độ rộng làm mờ hậu cảnh nhiều hơn

Hãy để tôi bắt đầu với Wikipedia hình:

Ở trên chúng ta có một khẩu độ mở rộng. Chỉ có điểm 2 là trọng tâm. Điểm 1 và 3 nằm ngoài trọng tâm. Do khẩu độ rộng, các tia tới từ chúng xuyên qua các phần khác nhau của ống kính cắt ngang màn hình 5 (phim hoặc cảm biến kỹ thuật số) ở các điểm khác nhau. Chúng ta cũng có thể nói rằng các tia này tạo thành một điểm (giao nhau) trước (đỏ) hoặc xa hơn (xanh lục) màn hình. Các hình nón tương ứng của ánh sáng giao nhau với màn hình và tạo thành một hình ảnh giống như hình elip trên màn hình. Khẩu độ rộng hơn cho phép hình nón ánh sáng rộng hơn (vì vậy nó cho phép thu thập nhiều ánh sáng hơn và làm mờ nhiều hơn).

Thực tế, một điểm không tập trung sẽ tạo ra một vòng tròn nhầm lẫn. Đây là những gì chúng ta có thể gọi là mờ hoặc Bo mạch.

Đối với khẩu độ nhỏ hơn bên dưới, các tia quá xa trung tâm bị cắt đi, do đó vòng tròn của điểm ngoài tiêu cự nhỏ hơn.

Nếu vòng tròn nhầm lẫn nhỏ hơn độ phân giải của hạt phim hoặc cảm biến, chúng ta không thể biết liệu nó có nằm ngoài tiêu cự hay không, và sau đó điểm xuất hiện như trong tiêu cự ngay cả khi không. Vì vậy, với khẩu độ hữu hạn, có một khoảng cách mà tất cả xuất hiện như trong tiêu cự. Độ sâu của phạm vi này được gọi là độ sâu của trường (DoF). Nó là lớn hơn cho khẩu độ nhỏ hơn.

Nếu khẩu độ thực sự rất nhỏ, thì chỉ có các tia trung tâm mới có thể vượt qua, và chúng ta có độ sâu trường ảnh vô hạn bất kể là gì. Mỗi điểm, gần hoặc xa, được thể hiện như một điểm trên hình ảnh. Đây là cách máy ảnh pinhole hoạt động. Khẩu độ điều chỉnh cho phép có bất cứ điều gì ở giữa.

Trông nó thế nào

Ở khẩu độ nhỏ hơn f / 32 :

Ở khẩu độ lớn hơn f / 5 , hậu cảnh không được lấy nét nhiều hơn:

(hình ảnh một lần nữa từ Wikipedia)

Các tia sáng đến từ đối tượng hội tụ bị khúc xạ khi đi qua thấu kính và chạm vào cảm biến (phim). Các tia có nguồn gốc từ một điểm duy nhất tạo thành một hình nón mà cơ sở là vòng tròn mở trong ống kính. Khẩu độ càng lớn, cơ sở của hình nón càng lớn. Sau đó, một hình nón thứ cấp được hình thành và các tia gặp lại nhau tại tiêu điểm.

Tia có nguồn gốc từ các đối tượng ở khoảng cách khác nhau từ các hình nón của ống kính có độ dài khác nhau (độ cao, để chính xác hơn). Đối với các hình nón dài hơn (các đối tượng nằm ngoài đối tượng tập trung), các hình nón thứ cấp ngắn hơn. Đối với các hình nón ngắn hơn (các đối tượng ở phía trước của nó), hình nón thứ cấp dài hơn. Chiều dài của hình nón thứ cấp được xác định bởi chiều dài của hình nón chính.

Do đó, khi ánh sáng từ một điểm trên vật thể không tập trung đến cảm biến, hình ảnh là một vòng tròn nhỏ, thay vì một điểm duy nhất (nó thực sự giống hình elip hơn nhưng lại bỏ qua điều đó).

Khi khẩu độ trở nên lớn hơn, đáy của hai hình nón sẽ lớn hơn và do đó góc đầu của chúng. Bởi vì độ dài không thay đổi, vòng tròn hình ảnh sẽ lớn hơn. Đây là lý do tại sao bạn bị mờ nhiều hơn khi khẩu độ rộng hơn.

Để tham khảo, và một sơ đồ thực sự giải thích tất cả các mambo-jumbo ở trên, hãy đọc bài viết này .

Các câu trả lời khác liên kết không chính xác hiệu ứng làm mờ với một số thuộc tính của ống kính. Bạn không cần phải giả sử bất cứ điều gì về cách hình ảnh được hình thành bởi ống kính hoặc thậm chí là một ống kính tồn tại.

Khung cảnh chỉ đơn giản là trông hơi khác với các vị trí khác nhau trên khẩu độ.

Như bạn có thể thấy trong hình, nếu bạn chọn giữ đối tượng màu đỏ ở cùng một vị trí cho mỗi điểm khẩu độ, không có cách nào đối tượng màu xanh lá cây có thể ở cùng một vị trí. Điều này tạo ra mờ, bởi vì hình ảnh cuối cùng kết hợp tất cả các chế độ xem riêng lẻ.

Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết (và bỏ qua nhiễu xạ) trường hợp duy nhất khi mọi thứ có thể nằm trong tiêu cự là lỗ kim, tạo ra hình ảnh từ một điểm duy nhất. Trong cuộc sống thực, khẩu độ nhỏ nhưng không nhọn sẽ tốt hơn, vì nhiễu xạ và lượng ánh sáng tăng, nhưng đó là một câu hỏi khác.

Theo đuổi chủ đề xa hơn, "ai" thực sự chọn những gì đang tập trung?

Tại sao vật màu đỏ mà không phải là màu xanh lá cây? Hình học chỉ xác định rằng chúng không thể ở cả tiêu cự và mức độ lệch tâm phụ thuộc vào khẩu độ và đây là lý do cơ bản của hiệu ứng DOF.

Làm thế nào thực sự hình ảnh cuối cùng được kết hợp từ quan điểm một phần? Điều này phụ thuộc vào thiết bị "hộp màu xanh". Trong cuộc sống thực, "hộp màu xanh" dĩ nhiên là ống kính. Cho đến bây giờ, chúng tôi giả vờ rằng chúng tôi không biết bất cứ điều gì về cách hình ảnh được kết hợp để cho thấy hiện tượng mất nét xuất hiện từ hình học chứ không phải từ các thuộc tính của ống kính .

Nhưng nó không phải là ống kính. Thay vào đó, chúng ta có thể đặt hàng ngàn máy ghi hình ảnh pinhole trên bề mặt khẩu độ và thu được hàng ngàn hình ảnh riêng lẻ. Sau đó, chỉ bằng cách phủ lên những hình ảnh đó, chúng ta sẽ có được hiệu ứng DOF tương tự - hoàn toàn phụ thuộc vào khẩu độ. Và không giống như ống kính, sau đó chúng ta có thể che phủ cùng một hình ảnh khác nhau, giữ cho vật thể màu xanh lá cây đứng yên (rõ ràng sẽ làm mờ màu đỏ, rõ ràng).

Khi ánh sáng chiếu vào cảm biến, nó tạo ra một điểm có hình dạng giống như khẩu độ nhưng ở kích thước phụ thuộc vào khoảng cách trong thế giới thực của đối tượng nguồn từ mặt phẳng tiêu cự. Nếu khẩu độ là hình tròn bạn có hình tròn, nếu khẩu độ là hình vuông bạn sẽ có hình vuông. Khẩu độ càng lớn, hình dạng càng lớn, do đó nó sẽ chồng chéo nhiều hơn với các hình dạng lân cận và cho bạn nhiều mờ hơn.

Khi bạn đến gần mặt phẳng tiêu cự, kích thước của hình được chiếu vào cảm biến rất nhỏ, nó không thể phân biệt được với một dấu chấm. Những khoảng cách này xác định độ sâu nếu trường.

Mắt của bạn hoạt động theo cùng một cách, nhưng tôi sẽ không tin vào những gì bạn đang thấy khi bộ não thực hiện một quá trình xử lý điên rồ! Bạn chỉ nhìn thấy chi tiết trong một điểm nhỏ ở trung tâm của mỗi mắt. Bộ não của bạn di chuyển từng mắt xung quanh rất nhanh để "quét" cảnh và ghép tất cả lại với nhau mà bạn không bao giờ biết!

Nhìn nó theo cách này. Với khẩu độ đủ nhỏ, bạn thậm chí không cần ống kính! Đó được gọi là máy ảnh pinhole.

Một ống kính tập trung các vật thể ở một khoảng cách cụ thể, bởi vì nó hoạt động bằng cách uốn cong ánh sáng.

Một lỗ kim (ít nhất là một lý tưởng) hoạt động bằng cách ánh xạ các điểm ánh sáng từ các góc khác nhau đến các góc tương ứng trên phim, không phân biệt khoảng cách. (Pinhole thật có những hạn chế. Một lỗ kim quá nhỏ sẽ chỉ đơn giản là tán xạ ánh sáng do nhiễu xạ.)

Một khẩu độ ở phía trước ống kính mang lại một số đặc điểm của lỗ kim. Bạn tạo khẩu độ càng nhỏ, bạn càng biến máy ảnh của mình thành máy ảnh pinhole một cách hiệu quả. Điều này mang lại lợi thế về độ sâu trường ảnh rộng, nhưng cũng có một số nhược điểm của lỗ kim: công suất thu thập ánh sáng ít hơn, tạo tác nhiễu xạ ở các số dừng f rất cao.

Đây không phải là giải thích kỹ thuật, nhưng nó là thử nghiệm. Văn bản sau được sao chép từ cuốn sách của Ben Long Chụp ảnh kỹ thuật số hoàn chỉnh:

Nếu bạn bị cận thị đủ để cần kính, hãy thử thí nghiệm độ sâu trường nhỏ nhanh này. Bỏ kính ra và cuộn ngón tay trỏ lên ngón cái của bạn. Bạn có thể cuộn tròn ngón tay của mình đủ chặt để tạo ra một lỗ nhỏ xíu trên đường cong của ngón trỏ. Nếu bạn nhìn qua cái lỗ mà không đeo kính, có lẽ bạn sẽ thấy rằng mọi thứ đều tập trung . Cái lỗ này là một khẩu độ rất nhỏ, và do đó cung cấp độ sâu rất sâu của trường, đủ sâu , trên thực tế, nó có thể điều chỉnh tầm nhìn của bạn. Mặt khác, nó không cho nhiều ánh sáng chiếu qua, vì vậy trừ khi bạn ở trong ánh sáng ban ngày, bạn có thể không thể nhìn thấy bất cứ điều gì đủ tốt để xác định xem nó có tập trung hay không. Lần tới khi bạn hợp nhất về việc khẩu độ liên quan đến độ sâu trường ảnh, hãy nhớ bài kiểm tra này

Tôi đã thử điều này, và nó thực sự hoạt động. Hãy thử nhìn vào một số văn bản cách bạn khoảng 100m. Tôi đang đeo kính cận thị.

Độ mờ lớn hơn vì đáp ứng xung của hệ thống quang bị thay đổi bất lợi bằng cách sử dụng khẩu độ lớn hơn. Tuy nhiên, nếu khẩu độ được làm nhỏ hơn (thường là f / 11 hoặc f / 16 trong một số ống kính) thì sự suy giảm do hiệu ứng nhiễu xạ trở nên chiếm ưu thế hơn. Vì vậy, có một khẩu độ tối ưu, nằm ở đâu đó giữa đáp ứng xung lý tưởng và các giới hạn nhiễu xạ của ống kính.

Chức năng trải rộng điểm là chức năng truyền quang, là Biến đổi Fourier của chức năng đáp ứng xung quang.

MTF (chức năng truyền điều chế) tương tự như OTF, ngoại trừ việc nó bỏ qua pha. Trong các ứng dụng chụp ảnh không mạch lạc, chúng có thể được coi là khá giống nhau.

Về cơ bản, OTF, MTF, chức năng trải rộng điểm, mô tả khả năng đáp ứng của hệ thống quang học.

Khi một ống kính mở rộng, đường đi của ánh sáng có nhiều thay đổi trong đường đi, do đó, ngoài điểm lấy nét chính xác, nó có chức năng trải rộng điểm lớn hơn khi nó kết hợp với hình ảnh trở nên mờ.

Dưới đây là một câu trả lời tôi mới cung cấp cho một câu hỏi tương tự. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-ph họay

Độ sâu của trường là một hiện tượng nhận thức có yếu tố trong HVS (hệ thống thị giác của con người). Nó thực sự là một trò chơi "chúng ta có thể có bao nhiêu mờ cho đến khi nó trở nên phản cảm?" Chỉ có một "mặt phẳng" (thường thực sự là một đoạn của một hình cầu) đang được lấy nét. Tại thời điểm đó, hệ thống hình ảnh thực hiện theo các tổn thất như khí quyển và MTF (chức năng truyền điều chế) của ống kính.

Khi một đối tượng di chuyển khỏi mặt phẳng đó, nó ngay lập tức trở nên "mất tập trung" và có một chức năng trải rộng điểm mô tả một đĩa đang phát triển trong một số vòng tròn (không có ý định chơi chữ) được gọi là "vòng tròn nhầm lẫn".

Khẩu độ nhỏ hơn sử dụng các phần trung tâm của ống kính, có ánh sáng đi theo con đường ngắn hơn (và nhất quán hơn) qua ống kính. Điều này giúp giảm chức năng trải rộng điểm mô tả vòng tròn nhầm lẫn (và không phải luôn luôn là một vòng tròn). Chức năng trải rộng điểm của một hệ thống quang học cũng được gọi là đáp ứng xung.

Hình ảnh kết quả là một trong đó là tích chập của hình ảnh mục tiêu và chức năng trải rộng điểm. Ít nhất là cho hình ảnh không mạch lạc. Vì vậy, nhận thức về độ sâu của trường là tuyến tính với f-stop và tiêu cự.

Thật không may, độ sâu trường ảnh có giới hạn và khẩu độ rất nhỏ sẽ không cung cấp độ sâu trường gần như vô hạn, vì nhiễu xạ đóng vai trò lớn hơn, trong việc làm mờ hình ảnh, vì khẩu độ nhỏ hơn.

Vì vậy, những gì thực sự xảy ra với độ sâu trường ảnh là các đối tượng không thực sự tập trung ngoài mặt phẳng lấy nét, mà thay vào đó, độ mờ được coi là không đáng kể. Hãy nghĩ về nó theo cách này: một bức ảnh thu nhỏ có thể trông rõ ràng, nhưng nếu được mở rộng thành một bức ảnh 8x10 ", nó có thể bị mờ một cách không thể chấp nhận được. người quan sát, đưa ra hệ thống quang học (khí quyển, ống kính, cảm biến / phim và quá trình kết xuất / in) và phối cảnh nhận thức (hình ảnh được xem lớn đến mức nào).

Trong ứng dụng thực tế, cái gọi là cài đặt siêu tiêu cự trên ống kính, có thể cho hình ảnh có thể chấp nhận được của cảnh khi được xem trên màn hình định dạng nhỏ hoặc in, nhưng khi được mở rộng hoặc phóng to, sẽ mang lại vẻ mờ hơn khi ở trong thực tế không hoàn toàn tập trung thông qua "chiều sâu của lĩnh vực."

Nhận xét được chào đón và có lẽ tôi có thể viết lại cả hai câu trả lời để phổ quát hơn để giải quyết câu hỏi phổ biến này.