Secara teknis, mengapa area tidak fokus lebih kabur saat menggunakan aperture yang lebih besar?

Saya bertanya-tanya, secara teknis, mengapa dan bagaimana area fokus lebih kabur saat menggunakan aperture yang lebih besar. Saya pikir itu akan banyak membantu jika saya menyajikan masalah yang telah membuat saya gila sejak lama:

Saya pernah membaca bahwa f-number dari mata manusia bervariasi dari sekitar f / 8.3 dalam cahaya yang sangat terang hingga sekitar f / 2.1 dalam gelap. Tetapi dari apa yang saya uji, saya selalu melihat area yang tidak fokus dengan jumlah blur yang sama.

Yang membuat saya bertanya: bagaimana cara aperture ini bekerja, mengapa itu membuat kabur dari sudut pandang teknis, dan apakah itu juga berlaku untuk mata, atau apakah itu hanya "kegagalan" pada lensa kamera yang telah kami datangi suka dan tidak pernah ingin "memperbaiki"?

Saya akan meringkas dari jawaban saya untuk pertanyaan sebelumnya pada bukaan :

Ketika aperture sangat kecil, cahaya yang diterima sangat "collimated", yang merupakan cara mewah untuk mengatakan "semua sinar itu sejajar satu sama lain". Ini menghasilkan fokus yang tajam untuk semua cahaya yang masuk. Ketika apertur lebih terbuka, hanya sinar yang sangat cocok dengan titik fokus yang dikelompokkan - yang berarti bahwa apa pun yang Anda fokuskan adalah tajam, tetapi bagian yang lebih jauh atau lebih dekat adegan akan semakin buram.

Pada dasarnya, semakin kecil aperture, semakin terbatas fokus cahaya yang tepat. Bukaan yang lebih besar memungkinkan lebih banyak cahaya, tetapi "harga" adalah bahwa itu kurang terkontrol.

Diagram berikut dari Wikimedia dapat membantu:

Di sebelah kiri, aperture lebar hanya menghasilkan kartu tengah focused yang dipusatkan dengan tajam. Bukaan yang lebih sempit di sebelah kanan tidak termasuk cahaya yang kurang terkolimasi dari kartu ♠ dan ♣ yang tidak fokus, sehingga menghasilkan gambar yang lebih tajam secara keseluruhan.

Ingat, garis putus-putus merah / hijau / biru dalam diagram melacak bagian luar kerucut sinar cahaya. Cahaya yang lebih fokus juga termasuk dalam gambar yang dibuat dengan aperture yang lebih lebar di sebelah kiri, tetapi sensor gambar (atau film) tidak dapat menentukan yang mana, sehingga hasilnya lebih kabur kecuali untuk sinar yang kebetulan tepatnya di titik fokus.

Ini tentunya terjadi dengan mata manusia sebagai lensa juga. Saya pikir ini sangat sulit untuk mengendalikan percobaan Anda, karena Anda tidak dapat benar-benar mengambil gambar untuk membandingkan secara berdampingan. Dalam waktu antara malam dan tengah hari - atau bahkan dalam setengah jam dibutuhkan mata Anda untuk menyesuaikan diri dengan ruangan gelap - Anda kehilangan ingatan yang sempurna tentang seberapa banyak kekaburan yang ada. Ini semakin diperumit oleh kenyataan bahwa otak Anda bekerja sangat keras untuk memperbaiki semua cacat dari mata dan menghadirkan model mental seluruh dunia dalam fokus yang sempurna. (Itu ini apa bagian otak dari sistem penglihatan manusia tidak .)

Sangat sulit untuk melihat satu tempat saja; mata Anda berputar-putar tanpa sadar, dan membangun gambar yang sempurna dari yang benar-benar tajam di tengah. Ini menambah kerumitan besar lainnya - tidak hanya lensa mata sistem yang relatif sederhana dengan banyak penyimpangan, sensornya tidak beraturan. Atau lebih tepatnya, ini sangat khusus. Area pusat disebut fovea , dan diameternya hanya sekitar 1mm - dan bagian yang paling tajam , foveola , hanya 0,2mm . Di situlah visi yang sangat tajam berasal. Tetapi area ini tidak mengandung batang (sel-sel yang sensitif terhadap cahaya redup), jadi area tajam ini tidak terlibat sama sekali ketika Anda berada di cahaya redup. Ini membuat perbandingan sederhana dengan sistem kamera pada dasarnya tidak mungkin.

Selain itu, ada kesalahan lain dalam asumsi dasar Anda - gagasan bahwa mata manusia melihat jumlah gerak yang sama kabur, tidak peduli jumlah cahaya. Sebenarnya, input sebenarnya terintegrasi dari waktu ke waktu, dan jumlah waktu meningkat dalam tingkat cahaya yang lebih rendah . Dan, "paparan" sebenarnya dikendalikan dengan cara lain: sensitivitas ditingkatkan dalam kegelapan - setara dengan auto-ISO yang efektif.

Jadi, untuk sampai ke pertanyaan langsung: itu sifat optik, dan itu juga berlaku untuk mata kita. Tetapi mata kita adalah sistem yang berbeda dari kamera dan lensa. Sistem penglihatan manusia menampilkan lensa sederhana, sensor yang rumit, pasca-pemrosesan sesaat yang sangat rumit, dan sistem penyimpanan dan pengambilan yang sangat rumit. Sebuah kamera umumnya menggunakan lensa canggih, matriks sensor yang relatif mudah, dan pasca-pemrosesan yang relatif mudah (sampai fotografi komputasional muncul dengan sendirinya - apakah Lytro berhasil tahun ini atau orang lain lima tahun dari sekarang). Dan sistem memori bit-for-bit sempurna - tidak seperti memori manusia sama sekali.

Apakah perbedaan ini adalah sesuatu yang kita "sukai" dan tidak ingin perbaiki adalah masalah interpretasi. Tentu saja gagasan kedalaman bidang ada dalam kosa kata artistik / visual kita sebagai masyarakat; apakah akan tetap seperti itu dalam seratus tahun adalah masalah spekulasi. Dugaan saya adalah ya , meskipun teknologi berubah.

Kamera dengan jenis sensor yang berbeda, seperti yang digunakan di Lytro sebenarnya dapat merekam arah sinar cahaya yang masuk. Data tambahan ini memungkinkan kamera ini untuk membuat gambar yang sepenuhnya tajam bahkan dengan aperture yang sangat besar. Tetapi bukan itu cara perusahaan Lytro menjualnya: sebagai gantinya, tipuan mereka adalah gambar di mana Anda dapat mengklik untuk mengubah titik fokus yang dihitung dengan cepat. Bahwa mereka memilih rute ini daripada semua-

Mengapa aperture lebar mengaburkan latar belakang lebih banyak

Mari saya mulai dengan angka Wikipedia:

Di atas kami memiliki aperture terbuka lebar. Hanya titik 2 yang fokus. Poin 1 dan 3 tidak fokus. Karena aperture lebar, sinar yang datang dari mereka melalui bagian-bagian berbeda dari lensa memotong layar 5 (sebuah film atau sensor digital) di berbagai titik. Kami juga dapat mengatakan bahwa sinar ini membentuk titik (berpotongan) sebelum (merah) atau di luar (hijau) layar. Kerucut cahaya yang sesuai berpotongan dengan layar dan membentuk gambar seperti elips di layar. Bukaan yang lebih lebar memungkinkan kerucut cahaya yang lebih luas (sehingga memungkinkan untuk mengumpulkan lebih banyak cahaya dan mengaburkan lebih banyak).

Secara efektif, titik tidak fokus menghasilkan lingkaran kebingungan. Inilah yang bisa kita sebut blur atau bokeh.

Untuk aperture yang lebih kecil di bawah ini, sinar yang terlalu jauh dari pusat terputus, sehingga lingkaran titik tidak fokus lebih kecil.

Jika lingkaran kebingungan lebih kecil dari butiran film atau sensor subpixel, kami tidak dapat memastikan apakah itu tidak fokus sama sekali, dan kemudian titik tersebut muncul sebagai fokus bahkan jika tidak. Jadi dengan aperture terbatas, ada berbagai jarak yang semuanya tampak sebagai fokus. Kedalaman rentang ini disebut kedalaman bidang (DoF). Ini lebih besar untuk lubang yang lebih kecil.

Jika aperture benar-benar kecil, maka hanya sinar pusat yang bisa lewat, dan kami memiliki kedalaman bidang yang tak terbatas, apa pun yang terjadi. Setiap titik, dekat atau jauh, direpresentasikan sebagai titik pada gambar. Inilah cara kerja kamera lubang jarum . Aperture yang dapat disesuaikan memungkinkan untuk memiliki apa pun di antaranya.

Seperti apa bentuknya

Pada aperture yang lebih kecil f / 32 :

Pada aperture yang lebih besar f / 5 , latar belakang tidak fokus menjadi lebih kabur:

(gambar lagi dari Wikipedia)

Sinar cahaya yang datang dari subjek fokus dibiaskan saat melewati lensa dan mengenai sensor (film). Sinar yang berasal dari satu titik membentuk kerucut yang dasarnya adalah lingkaran terbuka di lensa. Semakin besar bukaan, semakin besar dasar kerucut. Kemudian, kerucut sekunder terbentuk dan sinar bertemu lagi pada titik fokus.

Sinar yang berasal dari subjek yang berada dalam jarak yang berbeda dari lensa membentuk kerucut dengan panjang yang berbeda (ketinggian, agar lebih akurat). Untuk kerucut yang lebih panjang (objek di luar subjek fokus), kerucut sekunder lebih pendek. Untuk kerucut yang lebih pendek (objek di depannya), kerucut sekunder lebih panjang. Panjang kerucut sekunder ditentukan oleh panjang kerucut primer.

Karena itu, ketika cahaya dari suatu titik pada objek yang tidak fokus mendekati sensor, gambar adalah lingkaran kecil, bukan titik tunggal (itu benar-benar lebih dari elips tetapi membiarkannya diabaikan).

Ketika aperture menjadi lebih besar, dasar dari dua kerucut menjadi lebih besar, dan karenanya sudut kepala mereka. Karena panjangnya tidak berubah, lingkaran gambar menjadi lebih besar. Inilah sebabnya mengapa Anda mendapatkan lebih banyak blur saat aperture lebih lebar.

Untuk referensi, dan skema yang benar-benar menjelaskan semua mambo-jumbo di atas, baca artikel ini .

Jawaban lain salah mengaitkan efek blur dengan beberapa sifat lensa. Anda tidak perlu berasumsi apa-apa tentang bagaimana gambar dibentuk oleh lensa atau bahkan ada lensa.

Adegan hanya terlihat sedikit berbeda dari lokasi berbeda di aperture.

Seperti yang dapat Anda lihat dalam gambar, jika Anda memilih untuk menjaga objek merah di posisi yang sama untuk setiap titik aperture, tidak ada cara objek hijau dapat tetap berada di posisi yang sama. Ini menciptakan blur, karena gambar akhir menggabungkan semua pandangan individu tersebut.

Ini berarti bahwa secara teoritis (dan mengabaikan difraksi) satu-satunya kasus di mana segala sesuatu dapat menjadi fokus adalah lubang jarum, menciptakan gambar dari satu titik. Dalam kehidupan nyata aperture kecil tapi tidak pointlike lebih baik, karena difraksi dan peningkatan jumlah cahaya, tapi itu pertanyaan lain.

Mengejar subjek lebih jauh, "siapa" yang sebenarnya memilih apa yang menjadi fokus?

Mengapa objek merah dan bukan yang hijau? Geometri hanya menentukan bahwa mereka tidak dapat berada dalam fokus dan jumlah pengaburan tergantung pada aperture dan ini adalah alasan mendasar dari efek DOF.

Bagaimana sebenarnya gambar akhir digabungkan dari tampilan parsial? Ini tergantung pada perangkat "kotak biru". Dalam kehidupan nyata, "kotak biru" tentu saja adalah lensa. Sampai sekarang, kami berpura-pura tidak tahu apa-apa tentang bagaimana gambar digabungkan untuk menunjukkan bahwa fenomena tidak fokus muncul dari geometri dan bukan dari sifat lensa .

Tapi itu tidak harus menjadi lensa. Sebagai gantinya, kami dapat menempatkan ribuan perekam gambar lubang jarum di permukaan aperture dan memperoleh ribuan gambar individu. Kemudian, dengan hanya overlay gambar-gambar itu kita mendapatkan efek DOF yang sama - murni bergantung pada aperture. Dan tidak seperti lensa, kita kemudian dapat melapisi gambar yang sama secara berbeda, menjaga objek hijau tetap (yang akan mengaburkan yang merah, jelas).

Ketika cahaya mengenai sensor, ia menciptakan tempat yang bentuknya sama dengan aperture tetapi pada ukuran tergantung pada jarak dunia nyata dari objek sumber dari bidang fokus. Jika apertur adalah sebuah lingkaran, Anda mendapatkan lingkaran, jika apertur adalah persegi Anda mendapatkan kuadrat. Semakin besar aperture, semakin besar bentuknya, sehingga akan lebih tumpang tindih dengan bentuk tetangga dan memberi Anda lebih banyak blur.

Ketika Anda mendekati bidang fokus, ukuran bentuk yang diproyeksikan ke dalam sensor sangat kecil sehingga tidak dapat dibedakan dari titik. Jarak ini menentukan kedalaman jika bidang.

Mata Anda bekerja dengan cara yang persis sama, tetapi saya tidak akan percaya apa yang Anda lihat karena otak melakukan proses yang gila! Anda hanya melihat detail dalam titik kecil di tengah setiap mata. Otak Anda menggerakkan setiap mata dengan sangat cepat untuk "memindai" pemandangan dan menyatukan semuanya tanpa Anda sadari!

Lihatlah seperti ini. Dengan aperture yang cukup kecil, Anda bahkan tidak memerlukan lensa! Itu disebut kamera lubang jarum.

Lensa memfokuskan objek pada jarak tertentu, karena ia bekerja dengan menekuk cahaya.

Lubang jarum (setidaknya yang ideal) bekerja dengan memetakan titik cahaya dari sudut yang berbeda ke sudut yang sesuai pada film, terlepas dari jarak. (Lubang jarum asli memiliki keterbatasan. Lubang jarum yang terlalu kecil hanya akan menyebarkan cahaya karena difraksi.)

Bukaan di depan lensa membawa beberapa karakteristik lubang jarum. Semakin kecil Anda membuat aperture, semakin efektif Anda mengubah kamera Anda menjadi kamera lubang jarum. Hal ini membawa keuntungan dari fokus kedalaman bidang yang luas, tetapi juga beberapa kelemahan lubang jarum: daya pengumpul yang lebih ringan, artefak difraksi pada angka berhenti yang sangat tinggi.

Ini bukan penjelasan teknis, tetapi ini percobaan. Teks berikut disalin dari buku Ben Long, Fotografi digital lengkap:

Jika Anda memiliki rabun jauh hingga membutuhkan kacamata, coba eksperimen mendalam di lapangan ini. Lepaskan kacamata Anda dan melingkarkan jari telunjuk Anda ke ibu jari Anda. Anda harus bisa menggulung jari Anda cukup kencang untuk membuat lubang kecil kecil di lekukan jari telunjuk Anda. Jika Anda melihat melalui lubang tanpa kacamata Anda, Anda mungkin akan menemukan bahwa semuanya fokus . Lubang ini adalah lubang yang sangat kecil, dan karenanya menyediakan kedalaman bidang yang sangat dalam — cukup dalam , bahkan, sehingga dapat memperbaiki penglihatan Anda. Pada sisi negatifnya, itu tidak membiarkan banyak cahaya masuk, jadi kecuali jika Anda berada di siang hari yang cerah, Anda mungkin tidak dapat melihat sesuatu dengan cukup baik untuk menentukan apakah itu fokus. Lain kali Anda bingung tentang bagaimana bukaan berhubungan dengan kedalaman bidang, ingat tes ini

Saya mencoba ini, dan itu benar-benar berhasil. Cobalah untuk melihat beberapa teks yang berjarak sekitar 100 m dari Anda. Saya memakai kacamata pendek.

Blur lebih besar karena respons impuls sistem optik dimodifikasi secara negatif dengan menggunakan apertur yang lebih besar. Namun, jika aperture dibuat lebih kecil (nominal f / 11 atau f / 16 di beberapa lensa) maka degradasi karena efek difraksi menjadi lebih dominan. Jadi ada aperture optimal, yang berada di suatu tempat antara respons impuls yang ideal dan keterbatasan difraksi lensa.

Fungsi penyebaran titik adalah fungsi transfer optik, yang merupakan Transform Fourier dari fungsi respons impuls optik.

MTF (fungsi transfer modulasi) mirip dengan OTF, kecuali bahwa ia mengabaikan fase. Dalam aplikasi fotografi non-koheren, mereka dapat dianggap sangat mirip.

Pada dasarnya, OTF, MTF, fungsi penyebaran titik, menggambarkan daya tanggap sistem optik.

Ketika lensa terbuka lebar, jalur cahaya memiliki lebih banyak variabilitas di jalur, sehingga dari titik fokus yang tepat, lensa memiliki fungsi penyebaran titik yang lebih besar yang karena berbelit-belit dengan gambar menjadi kabur.

Di bawah ini adalah jawaban yang baru-baru ini saya berikan untuk pertanyaan serupa. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

Depth of field adalah fenomena persepsi yang menjadi faktor dalam HVS (sistem visual manusia). Ini benar-benar permainan "berapa banyak blur yang bisa kita miliki sampai menjadi tidak menyenangkan?" Hanya ada satu "pesawat" (biasanya benar-benar segmen bola) yang fokus. Pada saat itu sistem pencitraan bekerja sesuai dengan kehilangan seperti atmosfer dan MTF (fungsi transfer modulasi) lensa.

Ketika sebuah objek bergerak dari pesawat itu, ia langsung menjadi "tidak fokus" dan ada fungsi penyebaran titik yang menggambarkan disk yang tumbuh yang ada di beberapa lingkaran (tidak ada permainan kata-kata) yang disebut "lingkaran kebingungan."

Lubang yang lebih kecil menggunakan bagian tengah lensa, minta cahaya mengambil jalur yang lebih pendek (dan lebih konsisten) melalui lensa. Ini membantu mengurangi fungsi penyebaran titik yang menggambarkan lingkaran kebingungan (dan tidak selalu lingkaran). Fungsi penyebaran titik dari sistem optik juga disebut respons impuls.

Gambar yang dihasilkan adalah salah satu yang merupakan lilitan dari gambar target dan fungsi penyebaran titik. Setidaknya untuk pencitraan non-koheren. Jadi persepsi kedalaman medan adalah linier dengan f-stop dan focal length.

Sayangnya, kedalaman bidang membatasi, dan bukaan yang sangat sangat kecil tidak akan memberikan kedalaman bidang yang hampir tak terbatas, karena difraksi memainkan peran yang lebih besar, dalam mengaburkan gambar, karena bukaan menjadi lebih kecil.

Jadi apa yang sebenarnya terjadi dengan kedalaman bidang adalah bahwa objek tidak benar-benar dalam fokus dari bidang fokus, tetapi lebih dianggap kabur dapat diabaikan. Pikirkan seperti ini: foto thumbnail mungkin terlihat jelas, tetapi jika diperluas menjadi foto 8x10 ", foto itu mungkin tidak jelas. Jadi kedalaman bidang yang dapat diterima adalah penentuan efek dari dampak gambar yang tidak fokus pada gambar. pengamat, diberikan sistem optik (atmosfer, lensa, sensor / film, dan proses rendering / pencetakan) dan perspektif persepsi (seberapa besar adalah gambar yang dilihat).

Dalam aplikasi praktis, apa yang disebut pengaturan hyper-focal pada lensa, dapat memberikan gambar pemandangan yang dapat diterima ketika dilihat pada tampilan format kecil atau cetak, tetapi ketika dikeluarkan atau diperbesar, akan menghasilkan tampilan yang lebih kabur seperti di realitas tidak sepenuhnya fokus melalui "kedalaman bidang".

Komentar diterima, dan mungkin saya dapat menulis ulang kedua jawaban agar lebih universal untuk menjawab pertanyaan umum ini.