Technisch gesehen, warum ist der unscharfe Bereich bei Verwendung einer größeren Blende stärker verschwommen?

Ich frage mich technisch, warum und wie die unscharfen Bereiche bei Verwendung einer größeren Blende stärker verschwimmen. Ich denke, es wäre sehr hilfreich, wenn ich ein Problem aufzeigen würde, das mich schon lange verrückt macht:

Ich habe gelesen, dass die Blendenzahl des menschlichen Auges bei sehr hellem Licht von etwa f / 8,3 bis etwa f / 2,1 im Dunkeln variiert. Aber von dem, was ich getestet habe, sehe ich immer unscharfe Bereiche mit der gleichen Unschärfe.

Was mich zu der Frage veranlasst: Wie funktioniert diese Blende, warum führt sie aus technischer Sicht zu Unschärfe und trifft auch auf die Augen zu, oder ist sie nur ein "Versagen" der Kameraobjektive, die wir haben zu mögen und wollte nie "reparieren"?

Ich werde von meiner Antwort auf eine frühere Frage über Blende absehen :

Wenn die Apertur sehr klein ist, ist das eingelassene Licht stark "kollimiert", was eine ausgefallene Art zu sagen ist "alle Strahlen sind schön parallel zueinander". Dies führt zu einer scharfen Fokussierung des gesamten einfallenden Lichts. Wenn die Blende offener ist, werden nur die Strahlen kollimiert, die genau zum Fokuspunkt passen der Szene wird zunehmend verschwommen.

Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Blende, desto schärfer ist das Licht. Eine größere Blende lässt mehr Licht herein, aber der "Preis" ist, dass es weniger kontrolliert wird.

Das folgende Diagramm aus Wikimedia kann helfen:

Auf der linken Seite führt die große Blende dazu, dass nur die mittlere, fokussierte Karte scharf gerendert wird. Die schmalere Blende rechts schließt das weniger kollimierte Licht von den unscharfen Karten ♠ und ♣ aus, was insgesamt zu einem schärferen Bild führt.

Denken Sie daran, dass die rot / grün / blau gepunkteten Linien im Diagramm die Außenseite eines Lichtstrahlkegels markieren. Das stärker fokussierte Licht ist auch in dem Bild enthalten, das mit der breiteren Blende links aufgenommen wurde, aber der Bildsensor (oder Film) kann nicht sagen, welches das war, sodass das Ergebnis unschärfer ist, mit Ausnahme der Strahlen, die zufällig sind genau im Fokus.

Dies passiert sicherlich auch mit dem menschlichen Auge als Linse. Ich denke, es ist wirklich schwierig, Ihr Experiment zu kontrollieren, da Sie kein Bild aufnehmen können, um es nebeneinander zu vergleichen. In der Zeit zwischen Abend und Mittag - oder sogar in der halben Stunde, wenn sich Ihre Augen an einen dunklen Raum gewöhnen - verlieren Sie die perfekte Erinnerung daran, wie viel Unschärfe vorhanden war. Dies wird durch die Tatsache weiter erschwert, dass Ihr Gehirn sehr hart daran arbeitet, alle Augenfehler zu korrigieren und ein mentales Modell der gesamten Welt in perfekter Schärfe zu präsentieren. (Das ist , was das Gehirn ein Teil des menschlichen Sehsystem tut .)

Es ist sehr schwer, nur einen Punkt zu betrachten. Ihr Auge bewegt sich unbewusst und erstellt aus einem Bild, das wirklich nur in der Mitte scharf ist, ein perfektes Bild. Dies fügt eine weitere große Komplikation hinzu - die Augenlinse ist nicht nur ein relativ einfaches System mit vielen Aberrationen, der Sensor ist auch unregelmäßig. Oder besser gesagt, es ist hoch spezialisiert. Der zentrale Bereich wird das genannt Fovea , und das ist nur etwa 1 mm im Durchmesser - und der schärfstenen Teil, die Foveola , ist nur 0,2 mm. Von dort kommt wirklich scharfes Sehen. Dieser Bereich enthält jedoch keine Stäbchen (die Zellen, die für schwaches Licht empfindlich sind), sodass dieser scharfe Bereich bei schwachem Licht überhaupt nicht betroffen ist. Dies macht einen einfachen Vergleich mit Kamerasystemen grundsätzlich unmöglich.

Darüber hinaus gibt es einen weiteren Fehler in Ihren Grundannahmen - die Vorstellung, dass das menschliche Auge unabhängig von der Lichtmenge die gleiche Menge an Bewegungsunschärfe sieht. Tatsächlich wird der Eingang über die Zeit integriert, und die Zeitdauer nimmt bei niedrigeren Lichtwerten zu . Und "Belichtung" wird tatsächlich auf eine andere Weise gesteuert: Die Empfindlichkeit wird bei Dunkelheit erhöht - das effektive Äquivalent zu Auto-ISO.

Um zur direkten Frage zu kommen: Es ist die Natur der Optik, und das gilt auch für unsere Augen. Aber unsere Augen sind eine andere Art von System als eine Kamera und ein Objektiv. Das menschliche Sichtsystem verfügt über eine einfache Linse, einen komplizierten Sensor, eine sehr komplizierte sofortige Nachbearbeitung und ein unglaublich kompliziertes Speicher- und Abrufsystem. Eine Kamera verwendet im Allgemeinen ein ausgeklügeltes Objektiv, eine vergleichsweise einfache Sensormatrix und eine vergleichsweise einfache Nachbearbeitung (bis sich die rechnergestützte Fotografie auszahlt - ob Lytro in diesem Jahr erfolgreich ist oder in fünf Jahren jemand anderes). Und das Speichersystem ist Stück für Stück perfekt - nicht im geringsten wie das menschliche Gedächtnis.

Ob dieser Unterschied etwas ist, das wir "mögen" und das wir nicht beheben wollen, ist eine Frage der Interpretation. Die Idee der Tiefenschärfe ist sicherlich in unserem künstlerischen / visuellen Vokabular als Gesellschaft enthalten. ob das in hundert Jahren so bleibt, ist eine Frage der Spekulation. Meine Vermutung ist ja , auch wenn sich die Technologie ändert.

Eine Kamera mit einem anderen Sensortyp, wie er im Lytro verwendet wird, kann tatsächlich die Richtung der einfallenden Lichtstrahlen aufzeichnen . Diese zusätzlichen Daten ermöglichen es diesen Kameras, auch bei sehr großer Blende ein absolut scharfes Bild zu erzeugen. Aber so verkauft es die Firma Lytro nicht. Stattdessen handelt es sich um Bilder, auf die Sie klicken können, um den berechneten Fokuspunkt im Flug zu ändern. Dass sie diese Route gewählt haben und nicht die

Warum die weite Blende den Hintergrund mehr verwischt

Beginnen wir mit Wikipedia:

Oben haben wir eine weit geöffnete Blende. Nur Punkt 2 steht im Fokus. Die Punkte 1 und 3 sind unscharf. Aufgrund der großen Apertur schneiden die Strahlen, die von ihnen durch verschiedene Teile der Linse kommen, den Bildschirm 5 (einen Film oder einen digitalen Sensor) an verschiedenen Punkten. Wir können auch sagen, dass diese Strahlen einen Punkt (Schnittpunkt) vor (rot) oder hinter (grün) dem Bildschirm bilden. Die entsprechenden Lichtkegel schneiden sich mit dem Bildschirm und bilden auf dem Bildschirm ein ellipsenartiges Bild. Eine breitere Blende ermöglicht einen breiteren Lichtkegel (um mehr Licht zu sammeln und mehr Unschärfe zu erzeugen).

Tatsächlich erzeugt ein unscharfer Punkt einen Kreis der Verwirrung. Dies ist, was wir als Unschärfe oder Bokeh bezeichnen können.

Bei kleineren Blenden werden die Strahlen, die zu weit vom Zentrum entfernt sind, abgeschnitten, sodass der Kreis des unscharfen Punkts kleiner ist.

Wenn der Verwirrungskreis kleiner als das Filmkorn oder das Sensor-Subpixel ist, können wir nicht feststellen, ob er überhaupt unscharf ist, und der Punkt erscheint als scharf, auch wenn er nicht scharf ist. Mit endlicher Apertur gibt es also eine Reihe von Entfernungen, die alle scharf erscheinen. Die Tiefe dieses Bereichs wird als Schärfentiefe (DoF) bezeichnet. Es ist größer für kleinere Blenden.

Wenn die Apertur wirklich sehr, sehr klein ist, können nur die Zentralstrahlen passieren, und wir haben eine unendliche Schärfentiefe, egal was passiert. Jeder nahe oder entfernte Punkt wird als Punkt auf dem Bild dargestellt. So funktioniert die Lochkamera . Einstellbare Blende ermöglicht es, alles dazwischen zu haben.

Wie es aussieht

Bei kleinerer Blende 1 : 32 :

Bei einer größeren Blende von 1 : 5 wird ein unscharfer Hintergrund stärker verwischt:

(Bilder sind wieder von Wikipedia)

Vom fokussierten Objekt einfallende Lichtstrahlen werden beim Passieren des Objektivs gebrochen und treffen auf den Sensor (Film). Strahlen, die von einem einzelnen Punkt ausgehen, bilden einen Kegel, dessen Basis der offene Kreis in der Linse ist. Je größer die Öffnung ist, desto größer ist die Basis des Kegels. Dann wird ein Sekundärkegel gebildet und die Strahlen treffen sich wieder im Brennpunkt.

Strahlen, die von Motiven stammen, die sich in unterschiedlichem Abstand von der Linse befinden, bilden Kegel unterschiedlicher Länge (genauer gesagt Höhen). Bei längeren Kegeln (Objekten außerhalb des fokussierten Motivs) sind die Sekundärkegel kürzer. Bei kürzeren Kegeln (Objekten davor) ist der Sekundärkegel länger. Die Länge des Sekundärkegels wird durch die Länge des Primärkegels bestimmt.

Aus diesem Grund ist das Bild, wenn sich das Licht eines Punktes auf dem nicht fokussierten Objekt dem Sensor nähert, eher ein kleiner Kreis als ein einzelner Punkt (es ist eigentlich eher eine Ellipse, lässt dies aber vernachlässigen).

Wenn die Öffnung größer wird, wird die Basis der beiden Kegel größer und damit ihr Kopfwinkel. Da die Länge unverändert bleibt, wird der Bildkreis größer. Dies ist der Grund, warum Sie mehr Unschärfe bekommen, wenn die Blende breiter ist.

Lesen Sie diesen Artikel als Referenz und als Schema, das wirklich alle oben genannten Mambo-Jumbos erklärt .

Bei den anderen Antworten wird der Unschärfeeffekt fälschlicherweise mit einigen Linseneigenschaften in Verbindung gebracht. Sie müssen nicht davon ausgehen, wie das Bild von der Linse gebildet wird oder ob es überhaupt eine Linse gibt.

Die Szene sieht einfach etwas anders aus als an verschiedenen Orten über der Blende.

Wie Sie auf dem Bild sehen können, kann das grüne Objekt nicht an derselben Position bleiben, wenn Sie das rote Objekt für jeden Blendenpunkt an derselben Position belassen. Dies führt zu Unschärfe, da das endgültige Bild alle diese Einzelansichten kombiniert.

Dies bedeutet, dass theoretisch (und unter Vernachlässigung der Beugung) der einzige Fall, in dem alles scharfgestellt werden kann, die Lochblende ist, die das Bild aus einem einzelnen Punkt erzeugt. Im wirklichen Leben ist eine kleine, aber nicht punktförmige Blende aufgrund von Beugung und erhöhter Lichtmenge besser, aber das ist eine andere Frage.

Um das Thema weiter zu verfolgen: "Wer" wählt tatsächlich aus, worauf es ankommt?

Warum das rote Objekt und nicht das grüne? Die Geometrie bestimmt nur, dass sie nicht beide fokussiert sein können und das Ausmaß der Defokussierung von der Blende abhängt. Dies ist der Hauptgrund für den DOF-Effekt.

Wie wird das endgültige Bild aus Teilansichten kombiniert? Dies hängt vom "Blue Box" -Gerät ab. Im wirklichen Leben ist die "blaue Box" natürlich eine Linse. Wir haben bisher so getan, als wüssten wir nichts darüber, wie das Bild kombiniert wird, um zu zeigen, dass das Phänomen der Unschärfe aus der Geometrie und nicht aus den Linseneigenschaften herrührt .

Aber es muss kein Objektiv sein. Stattdessen können wir Tausende von Lochbildrekordern über die Öffnungsfläche platzieren und Tausende von Einzelbildern aufnehmen. Durch einfaches Überlagern dieser Bilder erhalten wir dann den gleichen DOF-Effekt - abhängig von der Blende. Und im Gegensatz zum Objektiv können wir dann die gleichen Bilder unterschiedlich überlagern und das grüne Objekt stationär halten (wodurch das rote natürlich unscharf wird).

Wenn Licht auf den Sensor trifft, wird ein Punkt erzeugt, der die gleiche Form wie die Blende hat, dessen Größe jedoch von der tatsächlichen Entfernung des Quellobjekts von der Fokusebene abhängt. Wenn die Blende ein Kreis ist, erhalten Sie einen Kreis, wenn die Blende quadratisch ist, erhalten Sie ein Quadrat. Je größer die Blende, desto größer die Form. Dadurch überlappen sich benachbarte Formen stärker und Sie erhalten mehr Unschärfe.

Wenn Sie sich der Fokusebene nähern, ist die Größe der in den Sensor projizierten Form so klein, dass sie nicht von einem Punkt unterschieden werden kann. Diese Abstände definieren die Tiefe des Feldes.

Ihr Auge funktioniert genauso, aber ich würde nicht glauben, was Sie sehen, da das Gehirn eine verrückte Menge an Verarbeitung ausführt! Sie sehen Details nur an einer winzigen Stelle in der Mitte jedes Auges. Ihr Gehirn bewegt jedes Auge sehr schnell, um die Szene zu "scannen" und alles zusammenzusetzen, ohne dass Sie es jemals merken!

Schau es dir so an. Mit einer ausreichend kleinen Blende brauchen Sie nicht einmal ein Objektiv! Das nennt man eine Lochkamera.

Eine Linse fokussiert Objekte in einer bestimmten Entfernung, da sie Licht biegt.

Eine Lochblende (zumindest eine ideale) bildet Lichtpunkte aus verschiedenen Winkeln auf entsprechende Winkel auf dem Film ab, unabhängig von der Entfernung. (Echte Nadellöcher haben Einschränkungen. Zu kleine Nadellöcher streuen aufgrund von Beugung einfach Licht.)

Eine Blende vor einer Linse bringt einige Eigenschaften der Lochblende mit sich. Je kleiner die Blende ist, desto effektiver verwandelt sich Ihre Kamera in eine Lochkamera. Dies bringt den Vorteil einer weiten Schärfentiefe mit sich, aber auch einige der Nachteile der Lochblende: weniger Lichtsammelvermögen, Beugungsartefakte bei sehr hohen Blendenzahlen.

Dies ist keine technische Erklärung, sondern ein Experiment. Der folgende Text wurde aus Ben Longs Buch Complete Digital Photography kopiert:

Wenn Sie kurzsichtig genug sind, um eine Brille zu benötigen, probieren Sie dieses kurze Tiefenschärfeexperiment aus. Nehmen Sie Ihre Brille ab und legen Sie Ihren Zeigefinger auf Ihren Daumen. Sie sollten in der Lage sein, Ihren Finger fest genug zu kräuseln, um ein kleines Loch in der Krümmung Ihres Zeigefingers zu erzeugen. Wenn Sie ohne Brille durch das Loch schauen, werden Sie wahrscheinlich feststellen, dass alles im Fokus steht . Dieses Loch ist eine sehr kleine Blende und bietet daher eine sehr tiefe Schärfentiefe - tief genug , um Ihr Sehvermögen zu korrigieren. Auf der anderen Seite lässt es nicht viel Licht durch. Wenn Sie also kein helles Tageslicht haben, können Sie möglicherweise nicht gut genug sehen, um festzustellen, ob es scharf eingestellt ist. Denken Sie an diesen Test, wenn Sie das nächste Mal nicht sicher sind, wie sich die Blende auf die Schärfentiefe auswirkt

Ich habe es versucht und es funktioniert wirklich. Versuchen Sie, sich einen Text anzusehen, der ungefähr 100 m von Ihnen entfernt ist. Ich trage eine kurzsichtige Brille.

Die Unschärfe ist größer, weil die Impulsantwort des optischen Systems durch Verwendung einer größeren Apertur nachteilig modifiziert wird. Wenn jedoch die Blende kleiner gemacht wird (nominell 1: 11 oder 1: 16 in einigen Objektiven), wird die Verschlechterung aufgrund von Beugungseffekten dominanter. Es gibt also eine optimale Blende, die irgendwo zwischen einer idealen Impulsantwort und den Beugungsbeschränkungen einer Linse liegt.

Die Punktstreufunktion ist die optische Übertragungsfunktion, bei der es sich um die Fourier-Transformation der optischen Impulsantwortfunktion handelt.

Die MTF (Modulationsübertragungsfunktion) ähnelt der OTF, außer dass sie die Phase ignoriert. In nicht kohärenten Fotografieanwendungen können sie als ziemlich ähnlich angesehen werden.

Im Wesentlichen beschreiben die Punktstreufunktion OTF, MTF das Ansprechverhalten des optischen Systems.

Wenn eine Linse weit geöffnet ist, ist der Pfad des Lichts variabler, so dass der exakte Fokuspunkt eine größere Punktstreufunktion aufweist, die beim Falten mit dem Bild zur Unschärfe wird.

Unten ist eine Antwort, die ich kürzlich auf eine ähnliche Frage gegeben habe. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

Die Schärfentiefe ist ein Wahrnehmungsphänomen, das das HVS (Human Visual System) berücksichtigt. Es ist wirklich ein Spiel von "wie viel Unschärfe können wir haben, bis es unangenehm wird?" Es gibt nur eine "Ebene" (normalerweise wirklich ein Segment einer Kugel), die fokussiert ist. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet das Abbildungssystem in Übereinstimmung mit Verlusten wie der Atmosphäre und der MTF (Modulationsübertragungsfunktion) der Linse.

Wenn sich ein Objekt von dieser Ebene wegbewegt, wird es sofort "unscharf" und es gibt eine Punktstreufunktion, die eine wachsende Scheibe beschreibt, die in einigen Kreisen (kein Wortspiel beabsichtigt) als "Kreis der Verwirrung" bezeichnet wird.

Bei kleineren Öffnungen, bei denen zentrale Bereiche der Linse verwendet werden, läuft das Licht kürzer (und gleichmäßiger) durch die Linse. Dies hilft, die Punktausbreitungsfunktion zu reduzieren, die den Verwirrungskreis beschreibt (und nicht immer einen Kreis). Die Punktstreufunktion eines optischen Systems wird auch als Impulsantwort bezeichnet.

Das resultierende Bild ist eines, bei dem es sich um die Faltung des Zielbildes und die Punktstreufunktion handelt. Zumindest für nicht kohärente Bildgebung. Die Wahrnehmung der Schärfentiefe ist also linear mit der Blende und der Brennweite.

Leider sind der Schärfentiefe Grenzen gesetzt, und eine sehr kleine Blende liefert keine nahezu unendliche Schärfentiefe, da die Beugung eine größere Rolle bei der Bildunschärfe spielt, wenn die Blende kleiner wird.

Was also mit der Schärfentiefe wirklich passiert, ist, dass Objekte nicht wirklich außerhalb der fokussierten Ebene fokussiert sind, sondern dass die Unschärfe als vernachlässigbar angesehen wird. Stellen Sie sich das folgendermaßen vor: Ein Miniaturbild sieht möglicherweise klar aus, aber wenn es zu einem 8x10 "-Foto vergrößert wird, ist es möglicherweise inakzeptabel verschwommen. Eine akzeptable Schärfentiefe ist also eine Bestimmung des Einflusses eines nicht fokussierten Bildes auf das Bild Beobachter unter Berücksichtigung des optischen Systems (Atmosphäre, Linse, Sensor / Film und Rendering / Druckverfahren) und der Wahrnehmungsperspektive (wie groß ist das betrachtete Bild).

In der praktischen Anwendung kann eine sogenannte Hyperfokaleinstellung auf einem Objektiv ein akzeptables Bild einer Szene ergeben, wenn sie auf einem kleinformatigen Display oder Ausdruck betrachtet wird, aber wenn sie vergrößert oder vergrößert wird, ergibt sich ein unschärferes Erscheinungsbild, als es ist Realität nicht ganz im Fokus durch die "Schärfentiefe".

Kommentare sind willkommen, und vielleicht kann ich beide Antworten umschreiben, um diese allgemeine Frage zu beantworten.