Является ли фокус объектива камеры точной точкой или диапазоном?

Есть только одно расстояние, которое находится в самом резком фокусе. Все, что находится впереди или позади этого расстояния, размыто. Чем дальше мы удаляемся от фокусного расстояния, тем более размытыми становятся вещи. Возникают вопросы: «Насколько это размыто? Находится ли это в допустимых пределах? Как далеко от фокусного расстояния объекты становятся неприемлемо размытыми?»

То, что мы называем глубиной резкости (DoF), — это диапазон расстояний до и после точки фокусировки, при которых допустимо размытие , так что объекты по-прежнему выглядят так, как будто они в фокусе.

Величина глубины резкости зависит от двух вещей: общего увеличения и диафрагмы. Общее увеличение включает в себя следующие факторы: фокусное расстояние, расстояние между объектом и фокусом, коэффициент увеличения (который определяется как размером сенсора, так и размером дисплея) и расстояние просмотра. Острота зрения зрителя также способствует тому, что изображение достаточно резкое , чтобы казаться в фокусе, а не размыто.

Распределение глубины резкости перед и за расстоянием фокусировки зависит от нескольких факторов, в первую очередь от фокусного расстояния и расстояния фокусировки.

Соотношение любого данного объектива изменяется при изменении фокусного расстояния. Большинство объективов приближаются к 1:1 на минимальном расстоянии фокусировки. По мере увеличения фокусного расстояния глубина резкости сзади увеличивается быстрее, чем глубина резкости спереди. Существует одно фокусное расстояние, при котором соотношение будет 1:2, или одна треть впереди и две трети позади точки фокусировки.

На коротких дистанциях фокусировки соотношение приближается к 1:1. Настоящий макрообъектив, который может проецировать на сенсор или пленку виртуальное изображение того же размера, что и объект, для которого он проецирует изображение, достигает соотношения 1:1. Даже объективы, которые не могут достичь макрофокуса, будут демонстрировать соотношение, близкое к 1:1, на минимальном расстоянии фокусировки.

На больших фокусных расстояниях задняя часть глубины резкости достигает бесконечности, и, таким образом, соотношение между передней и задней глубиной резкости приближается к 1:∞. Кратчайшее расстояние фокусировки, при котором задняя глубина резкости достигает бесконечности, называется гиперфокальным расстоянием . Ближняя глубина резкости будет очень близко приближаться к половине расстояния фокусировки. То есть ближайший край глубины резкости будет на полпути между камерой и расстоянием фокусировки.

Мы также должны помнить, что гиперфокальное расстояние, как и концепция глубины резкости, на которой оно основано, на самом деле является всего лишь иллюзией , хотя и довольно стойкой. Только одно расстояние будет самым резким. То, что мы называем глубиной резкости, — это области по обе стороны от самого резкого фокуса, размытые настолько незначительно, что мы все еще видим их резкими. Обратите внимание, что гиперфокальное расстояние будет варьироваться в зависимости от изменения любого из факторов, влияющих на глубину резкости: фокусного расстояния, диафрагмы, увеличения/размера экрана, расстояния просмотра и т. д. Почему это так, см.:

Почему производители перестали указывать шкалу ГРИП на объективах?
Есть ли «эмпирическое правило», которое я могу использовать для оценки глубины резкости во время съемки?
Как вы определяете приемлемый круг нерезкости для конкретной фотографии?
Найти гиперфокальное расстояние для разрешения HD (1920x1080)?
Почему я получаю разные значения глубины резкости на калькуляторах и при предварительном просмотре глубины резкости в камере?
А также этот ответ на Простой метод быстрой оценки глубины резкости для основного объектива

Представьте себе стену на некотором расстоянии от вашей камеры — плоская стена без глубины, и вы смотрите прямо на нее. Фокус объектива таков: все в этой плоскости находится в фокусе.

(Это упрощение. Для объективов реального мира это не идеально плоская поверхность. На самом деле ряд неизбежных оптических аберраций сдерживает совершенство, но для общего понимания идея плоской плоскости достаточно хороша.)

Таким образом, самый острый фокус находится на этой плоскости. Точки фокусировки на камере используются, чтобы указать системе фокусировки, где искать повышенный контраст, и (при условии, что автофокус работает) все в одной плоскости также должно быть в резком фокусе. Если вы сфокусируетесь ближе, это будет похоже на приближение «стены» к вам; фокусировка дальше отталкивает его назад. Камера не может сфокусироваться на нескольких точках, которые не находятся в одной плоскости. Есть только одно фокусное расстояние. (Системы автофокусировки предлагают несколько точек фокусировки, но это всего лишь разные возможные области кадра, на которых можно сфокусироваться. Если объекты в этих точках находятся на разном расстоянии, только одна точка может быть в идеальном фокусе.)

Но резкий фокус не сразу переходит от этого к неузнаваемому размытию. Каждая точка, которая должна быть резкой на вашем датчике, на самом деле представляет собой крошечный круг, и чем дальше от идеального, тем больше становится этот крошечный круг. (См. Что такое «Круг путаницы?» ).

Если круг меньше, чем вы можете обнаружить (например, меньше, чем пиксели на вашем сенсоре, или меньше, чем ваш глаз может увидеть на окончательном отпечатке), что-то, что может быть ближе или дальше от идеальной «стены» резкого фокуса, может быть буквально неотличимы от идеальной резкости. Кроме того, даже за пределами ограничений вашей камеры и системы обработки изображений есть некоторое количество очень небольшого размытия, которое мы готовы принять как «достаточно хорошее». Здесь мы получаем понятие глубины резкости . Вместо плоскости без толщины подумайте о воображаемой толстой стене с глубиной ближе и дальше, чем расстояние, на котором вы сфокусированы. Все в нем находится «в пределах глубины резкости» и поэтому рассматривается в фокусе.

(Но не делайте ошибку, думая, что эта воображаемая толстая стена имеет жесткие границы — на самом деле это «мягкая» зона, где границы являются определенным критерием оценки.)

Как правило, меньшие значения диафрагмы (более высокие числа f) обеспечивают большую глубину резкости. (См . Технически, почему область вне фокуса размывается больше при использовании большей диафрагмы? )

Геометрическая оптика учит выражать, что линза способна формировать резкое изображение предмета только в данной точке фокусировки. Объекты, находящиеся ближе или дальше по расстоянию, будут отображаться как нерезкие. Однако, как показало обычное наблюдение, объекты до и после сфокусированного расстояния, скорее всего, кажутся резко сфокусированными. Причина в том, что существует промежуток до и после точки фокусировки, который обеспечивает приемлемую резкость. Этот диапазон называется «глубина резкости».

Объектив обрабатывает каждую точку объекта индивидуально. По сути, мы говорим о пятне настолько маленьком, что оно не имеет размеров. Работа линзы состоит в том, чтобы проецировать изображение этой точки на плоскость изображения. Из-за остаточных нескорректированных аберраций и неадекватной фокусировки изображение точек никогда не воспроизводится как точки. Вместо этого все точки воспроизводятся как круги. Их называют кругами нерезкости, потому что они имеют фестончатые границы и располагаются рядом с соседними кругами нерезкости.

Именно размер этих кругов является определяющим фактором в отношении того, произносим ли мы изображение как резкое или размытое. Если круги крошечные и ниже нашей способности разрешить их как круги, мы произносим изображение как «резкое». Если эти точки изображения видны как круги, а не безразмерные точки, мы объявляем изображение нерезким. Для обычного человека с хорошим зрением, рассматривающего фотографию при хорошем освещении, эти кружки нерезкости должны быть не больше 2/100 дюймов (½ мм). если смотреть с 20 дюймов

Это то, что касается «глубины резкости».

Для каждой конкретной длины волны и каждого радиуса передней линзы (при условии идеальной радиальной симметрии линз) фокус представляет собой точное расстояние, учитывая, что датчик представляет собой идеальную сферическую поверхность с центром, находящимся в фокальной плоскости. Подождите, это не так. И мы не работаем с монохроматическим светом. И если расстояния фокусировки для разных радиусов передней линзы не совпадают идеально, мы получаем разные характеристики при разных значениях диафрагмы.

Глубина резкости рассчитывается исходя из идеальной модели объектива и приемлемого «круга нерезкости». Правда в том, что объективы не идеальны. Таким образом, «кружок нерезкости» будет казаться незначительным из-за хроматической продольной (и поперечной) аберрации, сферической аберрации и проблем с конвергенцией объектива на практике, которые определяют диапазон, в котором вы не можете различить значимые уровни резкости независимо от разрешения сенсора.

Преимущество расчета глубины резкости на основе «круга нерезкости» заключается в том, что он работает с хорошо определяемыми числами (по крайней мере, при использовании цифровых датчиков с фиксированным шагом пикселя), но не учитывает качество оптики. Если бы оптика была способна пропускать свет через всю апертуру на всех видимых длинах волн из одной точки на расстоянии фокусировки, сходившейся в единую точку на датчике (у которого на самом деле ненулевая глубина его фотонно-преобразующей поверхности, бросая еще один гаечный ключ в работ), можно было бы говорить о точных дистанциях фокусировки.