기술적으로 더 큰 조리개를 사용할 때 초점이 맞지 않는 영역이 더 흐려지는 이유는 무엇입니까?

기술적으로 더 큰 조리개를 사용할 때 초점이 맞지 않는 영역이 왜 어떻게 어떻게 흐려지는 지 궁금합니다. 오랫동안 나에게 견딜 수없는 문제를 제시하면 많은 도움이 될 것이라고 생각합니다.

인간의 눈의 f 숫자는 매우 밝은 빛에서 약 f / 8.3에서 어두운 곳에서 약 f / 2.1까지 다양하다는 것을 읽었습니다. 그러나 내가 테스트 한 결과, 항상 같은 양의 흐림으로 초점이 맞지 않는 영역이 보입니다.

이 조리개는 어떻게 작동하고, 기술적 인 관점에서 흐릿함이 생기는 이유는 무엇이며, 눈에도 적용되거나 카메라 렌즈의 "실패"일뿐입니다. 좋아하고 결코 "수정"하고 싶지 않았다?

나는 조리개에 대한 이전 질문에 대한 대답 에서 아기 침대를 볼 것입니다 .

조리개가 매우 작을 때, 입사 된 빛은 "시준"됩니다. 이는 "모든 광선이 서로 잘 평행합니다"라고 말하는 멋진 방법입니다. 이로 인해 들어오는 모든 빛에 대해 초점이 선명 해집니다. 조리개가 더 열리면 초점과 일치하는 광선 만 시준됩니다. 즉, 초점을 맞춘 모든 것이 선명하지만 더 멀거나 더 가까운 부분입니다 장면이 점점 흐려질 것입니다.

기본적으로 조리개가 작을수록 조명의 초점이 정확히 제한됩니다. 조리개가 클수록 더 밝아 지지만 "가격"은 제어력이 떨어집니다.

Wikimedia의 다음 다이어그램이 도움이 될 수 있습니다.

왼쪽에서 조리개가 넓 으면 중앙에만 초점이 맞춰진 ♡ 카드가 선명하게 렌더링됩니다. 오른쪽의 더 좁아진 조리개는 초점이 맞지 않은 ♠ 및 ♣ 카드에서 덜 시준 된 빛을 배제하여 전체적으로 더 선명한 이미지를 만듭니다.

다이어그램에서 빨간색 / 녹색 / 파란색 점선은 광선 원뿔의 외부를 추적합니다. 초점이 더 넓은 빛은 왼쪽의 더 넓은 조리개로 만든 이미지 에도 포함되지만 이미지 센서 (또는 필름)는 어느 것이 어느 것인지 알 수 없으므로 결과적으로 발생하는 광선을 제외하고 결과가 더 흐려집니다. 초점에서 정확하게.

이것은 물론 사람의 눈으로도 렌즈로 발생합니다. 실험을 제어하기가 정말 어렵다고 생각합니다. 실제로 사진을 나란히 비교할 수 없기 때문입니다. 저녁과 정오 사이, 또는 심지어 30 분 안에 눈이 어두운 방에 적응하는 데 시간이 걸리면, 흐릿한 정도에 대한 완벽한 기억을 잃게됩니다. 이것은 뇌가 눈의 모든 결함을 교정하고 전 세계의 정신적 모델을 완벽하게 초점을 맞추기 위해 매우 열심히 노력하고 있기 때문에 더욱 복잡합니다. (인간 비전 시스템의 두뇌 부분이 무엇의 그 않습니다 .)

한 지점 만 보는 것은 매우 어렵습니다. 당신의 눈은 무의식적으로 주위를 and 거리며 실제로 중앙에서만 선명한 이미지로 완벽한 이미지를 만듭니다. 이것은 또 다른 큰 합병증을 추가합니다. 눈의 렌즈는 수차가 많은 비교적 간단한 시스템 일뿐만 아니라 센서 가 불규칙합니다. 오히려 고도로 전문화되어 있습니다. 중앙 영역은 fovea 라고하며 , 직경은 약 1mm에 불과하며 가장 날카로운 부분 인 foveola 는 0.2mm에 불과합니다. 그곳에서 정말 선명한 비전이 시작됩니다. 그러나이 영역에는 막대 (어두운 빛에 민감한 셀)가 포함되어 있지 않으므로이 날카로운 영역은 희미한 빛에있을 때 전혀 관여하지 않습니다. 이것은 기본적으로 카메라 시스템과의 간단한 비교를 불가능하게합니다.

또한 기본 가정에는 또 다른 결점이 있습니다. 사람의 눈은 빛의 양에 상관없이 같은 양의 모션 블러를 볼 수 있다는 생각입니다. 실제로, 입력은 실제로 시간이 지남에 따라 통합되며 시간 은 더 낮은 조명 레벨에서 증가합니다 . 그리고 "노출"은 실제로 다른 방법으로 제어됩니다. 감도는 어둠 속에서 강화됩니다. 즉 자동 ISO와 동등한 효과입니다.

따라서 직접적인 질문에 도달하려면, 그것은 광학의 본질이므로 우리의 눈에도 적용됩니다. 그러나 우리의 눈은 카메라 및 렌즈와는 다른 종류의 시스템입니다. 휴먼 비전 시스템은 간단한 렌즈, 복잡한 센서, 매우 복잡한 순간 후 처리 및 매우 복잡한 저장 및 검색 시스템을 갖추고 있습니다. 카메라는 일반적으로 정교한 렌즈, 비교적 간단한 센서 매트릭스 및 비교적 간단한 후 처리를 사용합니다 (Lytro가 올해 성공 하든지 앞으로 5 년이 지났 든 상관없이 전산 사진이 자체적으로 제공 될 때까지). 또한 메모리 시스템은 비트 단위로 완벽합니다. 최소한 사람의 메모리와는 다릅니다.

이 차이가 우리가 좋아하는 것이고 고치고 싶지 않은 것은 해석의 문제입니다. 피사계 심도에 대한 아이디어는 우리 사회의 예술적 / 시각적 어휘에 있습니다. 그것이 백년 안에 그런 식으로 유지 될 것인지의 여부는 추측의 문제입니다. 기술이 변하더라도 내 추측은 ' 그렇다' 입니다.

Lytro에 사용 된 것과 같은 다른 유형의 센서가있는 카메라 는 실제로 들어오는 광선의 방향 을 기록 할 수 있습니다 . 이 추가 데이터를 통해 이러한 카메라는 조리개가 매우 큰 경우에도 완전히 선명한 이미지를 만들 수 있습니다. 그러나 이것이 Lytro 회사가 판매하는 방식이 아닙니다. 대신, 특수 효과는 클릭하여 계산 된 초점을 즉시 변경할 수있는 이미지입니다. 그들이이 길을 모두 선택하지 않고

넓은 조리개가 배경을 더 흐리게하는 이유

Wikipedia figure로 시작하겠습니다.

위에는 넓은 조리개가 있습니다. 포인트 2에만 초점이 있습니다. 포인트 1과 3에 초점이 맞지 않습니다. 조리개가 넓기 때문에 렌즈의 다른 부분을 통해 광선이 다른 지점에서 스크린 (5) (필름 또는 디지털 센서)과 교차합니다. 우리는 또한이 광선들이 스크린 앞 (빨간색) 또는 그 너머 (녹색)에 점 (교차)을 형성한다고 말할 수도 있습니다. 해당 빛의 원뿔은 화면과 교차하여 화면에 타원 모양의 이미지를 형성합니다. 조리개가 넓을수록 더 넓은 빛의 원뿔이 가능해집니다 (따라서 더 많은 빛을 모아 더 흐리게 처리 할 수 ​​있습니다).

효과적으로 초점을 벗어난 지점은 혼란의 원을 만듭니다. 이것이 우리가 흐림 또는 보케라고 부릅니다.

아래의 조리개가 작을수록 중심에서 너무 멀리 떨어진 광선이 차단되므로 초점을 벗어난 점의 원이 작아집니다.

혼란의 원이 필름 그레인 또는 센서 서브 픽셀보다 작 으면 초점이 맞지 않는지 알 수 없으며, 그렇지 않은 경우에도 초점이 초점으로 나타납니다. 유한 조리개를 사용하면 초점 거리에 모두 표시되는 거리 범위가 있습니다. 이 범위의 깊이를 피사계 심도 (DoF)라고합니다. 작은 조리개 일수록 더 큽니다.

조리개가 실제로 아주 작 으면 중앙 광선 만 통과 할 수 있으며, 무엇이든 상관없이 무한한 피사계 심도를 갖습니다. 가까이 또는 멀리있는 모든 점은 이미지의 점으로 표시됩니다. 이것이 핀홀 카메라의 작동 방식입니다. 조정 가능한 조리개는 그 사이에 무엇이든 가질 수 있습니다.

어떻게 생겼는지

작은 조리개 f / 32에서 :

조리개 f / 5가 클수록 초점이 맞지 않는 배경이 더 흐려집니다.

(이미지는 Wikipedia에서 다시 가져온 것입니다)

초점을 맞춘 피사체에서 도달 한 광선은 렌즈를 통과 할 때 굴절되어 센서 (필름)에 닿습니다. 단일 점에서 발생하는 광선은 원뿔을 형성하며이 원뿔은 렌즈의 열린 원입니다. 조리개가 클수록 원뿔의 밑면이 커집니다. 그런 다음 보조 원뿔이 형성되고 광선이 초점에서 다시 만나게됩니다.

렌즈와 거리가 다른 피사체에서 나오는 광선은 길이가 다른 원뿔을 형성합니다 (높이가 정확할 수 있음). 원뿔이 길면 (초점 피사체 이외의 물체) 2 차 원뿔이 짧아집니다. 짧은 원뿔 (앞의 물체)의 경우 보조 원뿔이 더 깁니다. 2 차 원뿔의 길이는 1 차 원뿔의 길이에 의해 결정됩니다.

따라서 초점이 맞지 않은 물체의 한 지점에서 나오는 빛이 센서에 접근하면 이미지는 단일 지점이 아니라 작은 원입니다 (실제로 타원에 가깝지만 무시합니다).

조리개가 커지면 두 원뿔의 밑면이 커져 헤드 각도가 커집니다. 길이는 변하지 않기 때문에 이미지 원이 커집니다. 조리개가 넓을 때 더 흐려지는 이유입니다.

참고로 위의 모든 맘보 점보를 실제로 설명하는 회로도는 이 기사를 읽으십시오 .

다른 답변은 흐림 효과를 일부 렌즈 속성과 잘못 연관시킵니다. 렌즈에 의해 이미지가 어떻게 형성되거나 렌즈가 존재하는지에 대해 아무 것도 가정 할 필요가 없습니다.

장면은 조리개 전체의 다른 위치와 약간 다르게 보입니다.

그림에서 볼 수 있듯이 각 조리개 지점에 대해 빨간색 물체를 동일한 위치에 유지하기로 선택하면 녹색 물체가 동일한 위치에 머무를 수있는 방법이 없습니다. 최종 이미지가 모든 개별 뷰를 결합하기 때문에 블러가 발생합니다.

이것은 이론적으로 (그리고 회절을 무시하고) 모든 것에 초점을 맞출 수있는 유일한 경우가 핀홀 (pinhole)이라는 것을 의미하며, 단일 지점에서 이미지를 만듭니다. 실생활에서는 회절과 증가 된 빛의 양으로 인해 작지만 점 모양의 조리개가 더 좋습니다. 그러나 그것은 또 다른 질문입니다.

주제를 더 추구하면서, "누가"는 실제로 초점이 맞는 것을 선택합니까?

왜 녹색 물체가 아닌 빨간 물체입니까? 지오메트리는 초점이 맞지 않을 수 있고 초점의 양이 조리개에 따라 달라짐과 DOF 효과의 근본적인 이유입니다.

실제로 최종 이미지가 부분 뷰에서 어떻게 결합됩니까? 이것은 "파란색 상자"장치에 따라 다릅니다. 실생활에서 "파란색 상자"는 물론 렌즈입니다. 지금까지 우리는 초점이 맞지 않는 현상이 렌즈 속성이 아닌 지오메트리에서 나온다는 것을 보여주기 위해 이미지가 어떻게 결합되는지에 대해 전혀 모릅니다 .

그러나 렌즈 일 필요는 없습니다. 대신 조리개 표면에 수천 개의 핀홀 이미지 레코더를 배치하고 수천 개의 개별 이미지를 얻을 수 있습니다. 그런 다음 이미지를 단순히 오버레이하여 조리개에 따라 동일한 DOF 효과를 얻습니다. 렌즈와 달리 동일한 이미지를 다르게 오버레이하여 녹색 물체를 고정 상태로 유지합니다 (빨간색 물체를 흐리게합니다).

빛이 센서에 닿으면 조리개와 모양은 동일하지만 초점면으로부터 소스 객체의 실제 거리에 따라 크기가 결정됩니다. 조리개가 원이면 원이되고 조리개가 정사각형이면 정사각형이됩니다. 조리개가 클수록 셰이프가 커지므로 주변 셰이프와 겹치게되고 흐림 효과가 커집니다.

초점면에 가까워지면 센서에 투사되는 모양의 크기가 너무 작아 점과 구분할 수 없습니다. 이 거리는 심도 if 필드를 정의합니다.

당신의 눈은 정확히 같은 방식으로 작동하지만 뇌가 엄청난 양의 처리를 수행함에 따라 당신이보고있는 것을 믿지 않을 것입니다! 각 눈 중앙의 작은 지점 내에서만 디테일을 볼 수 있습니다. 당신의 두뇌는 각 눈을 매우 빠르게 움직여서 장면을 "스캔"하고 당신이 모르는 사이에 모두 함께 모입니다!

이런 식으로보세요. 작은 조리개로 렌즈가 필요하지 않습니다! 이를 핀홀 카메라라고합니다.

렌즈는 빛을 구부려 작동하기 때문에 특정 거리에있는 물체에 초점을 맞 춥니 다.

핀홀 (적어도 이상적인 것)은 거리에 관계없이 다른 각도의 빛 점을 필름의 해당 각도에 매핑하여 작동합니다. (실제 핀홀에는 한계가 있습니다. 핀홀이 너무 작 으면 회절으로 인해 빛이 산란됩니다.)

렌즈 앞의 조리개는 핀 홀의 특성 중 일부를 가져옵니다. 조리개를 작게 만들수록 카메라를 핀홀 카메라로 효과적으로 전환 할 수 있습니다. 이것은 넓은 피사계 심도의 이점뿐만 아니라 핀 홀의 단점 중 일부인 집광력 감소, 매우 높은 f 스탑 수에서의 회절 아티팩트를 제공합니다.

이것은 기술적 설명이 아니라 실험입니다. 다음 텍스트는 Ben Long의 책 Complete Digital photography에서 복사됩니다.

안경이 필요할 정도로 근시 인 경우이 빠른 피사계 심도 실험을 시도하십시오. 안경을 벗고 검지로 엄지 손가락을 만지십시오. 집게 손가락의 곡선에 작은 구멍이 생길 정도로 손가락을 단단히 감을 수 있어야합니다. 안경없이 구멍을 뚫어 보면 모든 것이 초점이 맞는 것입니다 . 이 구멍은 매우 작은 조리개이므로 시야를 바로 잡을 수 있을 정도로 깊이가 매우 깊 습니다. 단점은, 많은 빛을 비추 지 못하기 때문에, 밝은 일광에 있지 않으면 초점이 맞았는지 판단 할만큼 충분한 것을 볼 수 없을 것입니다. 다음에 조리개가 피사계 심도와 어떻게 관련되는지 혼란 스러울 때는이 테스트를 기억하십시오

나는 이것을 시도했고 실제로 작동합니다. 약 100m 떨어진 텍스트를보십시오. 근시 안경을 쓰고 있습니다.

광학 시스템의 임펄스 응답이 더 큰 조리개를 사용하여 불리하게 수정되기 때문에 블러가 더 커집니다. 그러나 조리개를 더 작게 만들면 (일부 렌즈에서는 공칭 f / 11 또는 f / 16) 회절 효과로 인한 열화가 더 두드러집니다. 따라서 이상적인 임펄스 응답과 렌즈의 회절 한계 사이에 최적의 조리개가 있습니다.

포인트 스프레드 기능은 광학 임펄스 응답 기능의 푸리에 변환 인 광학 전달 기능입니다.

MTF (변조 전달 함수)는 위상을 무시한다는 점을 제외하면 OTF와 유사합니다. 비 일관성 사진 응용 프로그램에서는 상당히 유사한 것으로 간주 될 수 있습니다.

본질적으로 OTF, MTF, 포인트 스프레드 기능은 광학 시스템의 응답 성을 설명합니다.

렌즈가 넓게 열렸을 때, 빛의 경로는 경로에서 더 가변적이므로 정확한 초점 포인트를 벗어나면 이미지와 함께 볼 때 흐림이되는 더 큰 포인트 스프레드 기능이 있습니다.

아래는 최근에 비슷한 질문에 대한 답변입니다. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

피사계 심도는 HVS (인간 시각 시스템)를 고려하는 지각 현상입니다. 그것은 실제로 "불쾌해질 때까지 얼마나 많은 흐림을 가질 수 있는가?" 하나의 "평면"(보통 실제로 구의 세그먼트) 만 있습니다. 그 시점에서, 이미징 시스템은 대기 및 렌즈의 MTF (변조 전달 함수)와 같은 손실에 따라 수행된다.

물체가 해당 평면에서 멀어지면 즉시 "초점"이되고 "혼란의 원"이라고하는 일부 원 (펀칭되지 않은)에있는 성장하는 디스크를 설명하는 포인트 스프레드 기능이 있습니다.

렌즈의 중앙 부분을 사용하는 더 작은 조리개는 렌즈를 통과하는 더 짧은 (보다 일관된) 경로를받는 빛을 갖습니다. 이렇게하면 혼란의 원을 나타내는 점 확산 기능을 줄일 수 있습니다 (항상 원이 아님). 광학 시스템의 점 확산 기능을 임펄스 응답이라고도합니다.

결과 이미지는 대상 이미지와 포인트 스프레드 기능의 컨벌루션 이미지입니다. 적어도 코 히어 런트 이미징에는 적합하지 않습니다. 따라서 피사계 심도에 대한 인식은 f- 스톱 및 초점 거리와 선형입니다.

불행히도 피사계 심도에는 한계가 있으며, 매우 작은 조리개는 거의 무한한 피사계 심도를 제공하지 않습니다. 조리개가 작아 질수록 이미지를 흐리게하는 데 회절이 큰 역할을하기 때문입니다.

피사계 심도에서 실제로 일어나는 일은 물체가 실제로 초점을 맞춘 평면에서 초점을 맞추는 것이 아니라 흐림이 무시할 수있는 것으로 간주된다는 것입니다. 썸네일 사진은 선명하게 보일 수 있지만 8x10 "사진으로 확대하면 수용하기 어려울 수 있습니다. 따라서 피사계 심도는 초점이 맞지 않은 이미지가 광학 시스템 (대기, 렌즈, 센서 / 필름 및 렌더링 / 인쇄 프로세스)과 인식 관점 (시청 된 이미지의 크기)이 주어지면 관찰자.

실제 적용에서, 렌즈의 이른바 초 초점 설정은 작은 형식의 디스플레이 또는 인쇄에서 볼 때 장면의 허용 가능한 이미지를 제공 할 수 있지만, 확대 또는 확대 할 때와 같이 더 흐릿한 모양을 얻을 수 있습니다 "피사계 심도"를 통해 현실에 초점이 맞지 않습니다.

의견을 환영하며 아마도이 일반적인 질문을 해결하기 위해 두 가지 답변을 더 보편적으로 다시 쓸 수 있습니다.