Поставить датчик на фокусном расстоянии, сзади или спереди?

При моделировании линз (с приближениями геометрической оптики) обычно изображается одиночный математический точечный источник, излучающий одинаково во всех направлениях (или во всех направлениях вперед), а затем линза преобразует этот точечный источник в другую точку за линзой. .

Когда лучи идут параллельно, как показано выше (любезно предоставлено Википедией), вы можете думать об этом, как о размещении точечного источника перед линзой на достаточно большом расстоянии, чтобы он казался находящимся на$\infty$, как звезда.

Но лучи не обязательно должны исходить от$\infty$, у большинства камер есть фокусный диапазон, который вы можете изменить, чтобы сделать то, что называется отображением конечного сопряжения, показанного ниже (любезно предоставлено Википедией) для одного точечного источника :

Это и есть формирование изображения , преобразование некоторой излучающей точки источника перед линзой в другую точку в фокальной плоскости . Если детектор смещен от фокальной плоскости, вы можете посмотреть на лучи на этих картинках и увидеть, что они не пересекаются. На практике это приводит к размытию расфокусировки , когда точка отображается в виде более крупного «капли». По сути, именно поэтому объекты, находящиеся вне фокуса, кажутся размытыми.

На практике линза не просто отображает одну точку, как это обычно показано на примерах, она отображает всю сцену. Эту сцену можно представить как трехмерный объем множества точечных источников .все излучают одновременно! Тогда, в зависимости от расстояния до объектива от детектора, будет существовать плоскость, для которой все точечные источники, лежащие в этой плоскости, будут отображаться в точки на детекторе, и это будет «в фокусе» часть изображения, а все остальные точки будут "размыты". На картинке выше такой плоскостью будет зеленая линия с надписью «объект». У большинства камер детектор расположен параллельно объективу, что создает плоскости фокусировки, практически перпендикулярные любому направлению, в котором вы направляете камеру. Объективы Tilt-Shift обходят это, по существу «наклоняя» плоскость детектора и, следовательно, «плоскость в фокусе» в сцене.

Я думаю, что именно в этом заключается ваша путаница, примеры показывают только то, как объектив работает с точечным источником (например, крошечным светодиодом), но реальные сцены представляют собой наборы в основном из бесконечного числа точечных источников.

Более подробные схемы могут помочь.

Только лучи из «бесконечности» фокусируются в точке на расстоянии «фокусного расстояния» от линзы. Это параллельные лучи или очень близкие к параллельным, исходящие из какой-то точки объекта вдали. Направление, откуда они исходят, определяет, где в фокальной плоскости они сходятся. Некоторые иллюстрации, претендующие на объяснение оптики, показывают лучи вроде розовых на оптической оси, но не показывают ничего похожего на зеленые лучи, так что неспециалисты в оптике могут не понять, что происходит.

Источник света, находящийся не так далеко, испускает (или отражает) расходящиеся лучи. Линза не находится достаточно далеко, чтобы можно было представить, что лучи параллельны. Лучи сходятся где-то дальше, чем стандартная фокальная плоскость. Есть уравнение, связывающее расстояния:

1/D1 + 1/D2 = 1/F

Имейте в виду, что лучи света из любой точки любого объекта исходят во всех направлениях; мы только иллюстрируем и говорим о тех, которые попали в объектив камеры и тем самым сфокусировались (мы надеемся) на пленку или ПЗС.

Когда мы фотографируем что-то далекое, например восход солнца или деревья, лучи почти параллельны, поэтому они фокусируются в точке F. Пейзаж находится в точке D1=бесконечность. Уравнение упрощается до D2=F. Таким образом, нам нужна пленка или ПЗС в фокальной плоскости.

Это интернет, я должен показать фото кота. Кошки находятся близко к камере (D1 = 3 фута), поэтому лучи света сойдутся за плоскостью в точке F, в точке D2 из формулы. Вот почему мы «фокусируем» камеру.

В любом случае мы видим полное изображение, а не единое пятно света в центре, потому что разные точки сцены посылают свет с разных направлений к камере (и ко всему остальному, но игнорируют это) и, следовательно, попадают в разные точки. на пленке или ПЗС.

Да, он фокусирует параллельный пучок света от объекта, находящегося на бесконечности, в точку (в идеальном мире). Таким образом, действительно параллельный луч (например, от звезды) будет направлен в точку, как и в первом примере на изображении.

Теперь представьте себе пару параллельных лучей, идущих под немного другим углом (другая звезда), они также должны прийти в точку немного выше или ниже первого набора в F, но все еще в той же фокальной плоскости (вертикальная линия).

Это то, что делает образ