Ist der Fokus des Kameraobjektivs ein exakter Punkt oder eine Reichweite?

Ich habe mich oft gefragt, ob der Fokus eines Objektivs bei einer bestimmten Brennweite ein exakter Punkt oder ein Bereich innerhalb weniger Millimeter ist. Dies wird beim manuellen Fokussieren umso wichtiger. Wie weit vom Fokuspunkt der Kamera entfernt kann ein Motiv scharf sein und trotzdem scharf erscheinen?

Es gibt nur eine Entfernung, die am schärfsten fokussiert ist. Alles vor oder hinter dieser Entfernung ist verschwommen. Je weiter wir uns von der Fokusentfernung entfernen, desto unschärfer werden die Dinge. Die Fragen werden: "Wie verschwommen ist es? Liegt das innerhalb unserer akzeptablen Grenze? Wie weit von der Fokusentfernung entfernt werden die Dinge unannehmbar verschwommen?"

Was wir Tiefenschärfe (DoF) nennen, ist der Bereich der Entfernungen vor und hinter dem Fokuspunkt, die akzeptabel verschwommen sind, so dass die Dinge immer noch so aussehen, als wären sie scharf.

Die Schärfentiefe hängt von zwei Faktoren ab: Gesamtvergrößerung und Blende. Die Gesamtvergrößerung umfasst die folgenden Faktoren: Brennweite, Motiv- / Fokusentfernung, Vergrößerungsverhältnis (das sowohl von der Sensorgröße als auch von der Anzeigegröße bestimmt wird) und Betrachtungsabstand. Die Sehschärfe des Betrachters trägt auch dazu bei, dass das, was akzeptabel scharf genug ist, um im Fokus anstatt verschwommen zu erscheinen.

Die Verteilung der Schärfentiefe vor und hinter der Fokusentfernung hängt von mehreren Faktoren ab, vor allem von Brennweite und Fokusentfernung.

Das Verhältnis eines Objektivs ändert sich, wenn sich die Fokusentfernung ändert. Die meisten Objektive nähern sich 1: 1 bei minimaler Fokusentfernung. Mit zunehmender Fokusentfernung nimmt die hintere Schärfentiefe schneller zu als die vordere Schärfentiefe. Es gibt eine Fokusentfernung, bei der das Verhältnis 1: 2 oder ein Drittel vor und zwei Drittel hinter dem Fokuspunkt beträgt.

Bei kurzen Fokusentfernungen nähert sich das Verhältnis 1: 1. Ein echtes Makroobjektiv, das ein virtuelles Bild auf den Sensor oder Film projizieren kann, das dieselbe Größe hat wie das Objekt, für das es das Bild projiziert, erreicht ein Verhältnis von 1: 1. Selbst Objektive, die keinen Makrofokus erzielen können, weisen bei ihrer minimalen Fokusentfernung ein Verhältnis nahe 1: 1 auf.

Bei längeren Fokusentfernungen reicht die Rückseite der Schärfentiefe bis ins Unendliche und somit nähert sich das Verhältnis zwischen vorderer und hinterer DoF 1: ∞. Die kürzeste Fokusentfernung, bei der der hintere DoF unendlich ist, wird als Hyperfokalentfernung bezeichnet . Die Nahschärfentiefe nähert sich sehr genau der Hälfte der Fokusentfernung. Das heißt, die nächste Kante des DoF befindet sich auf halber Strecke zwischen der Kamera und der Fokusentfernung.

Wir müssen uns auch daran erinnern, dass die hyperfokale Distanz, wie das Konzept der Schärfentiefe, auf dem sie basiert, wirklich nur eine Illusion ist , wenn auch eine ziemlich anhaltende. Nur eine einzige Entfernung ist am schärfsten fokussiert. Was wir Schärfentiefe nennen, sind die Bereiche auf beiden Seiten des schärfsten Fokus, die so unbedeutend verschwommen sind, dass wir sie immer noch als scharf betrachten. Bitte beachten Sie, dass die Hyperfokalentfernung abhängig von einer Änderung eines der Faktoren variiert, die den DoF beeinflussen: Brennweite, Blende, Vergrößerung / Anzeigegröße, Betrachtungsentfernung usw. Warum dies der Fall ist, lesen Sie bitte:

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Stellen Sie sich eine Wand in einiger Entfernung von Ihrer Kamera vor - eine flache Wand ohne Tiefe, auf die Sie gerade stehen. Der Objektivfokus ist so: Alles in dieser exakten Ebene ist scharf.

(Dies ist eine Vereinfachung. Für reale Objektive ist dies nicht perfekt flach. In der Realität halten eine Reihe unvermeidbarer optischer Aberrationen die Perfektion in Schach, aber für ein grundlegendes Verständnis ist die Idee einer flachen Ebene gut genug.)

Der schärfste Fokus liegt also auf dieser Ebene. Fokuspunkte auf der Kamera werden verwendet, um dem Fokus-System mitzuteilen, wo nach erhöhtem Kontrast gesucht werden soll, und (vorausgesetzt, der Autofokus funktioniert) alles in derselben Ebene sollte ebenfalls scharf eingestellt sein. Wenn Sie näher fokussieren, ist es so, als würden Sie die "Wand" näher zu sich bringen. Wenn Sie sich weiter weg konzentrieren, wird es zurückgeschoben. Die Kamera kann nicht auf mehrere Punkte fokussieren, die sich nicht in derselben Ebene befinden. Es gibt nur eine Fokusentfernung. (Autofokussysteme bieten mehrere Fokuspunkte, aber dies sind nur verschiedene mögliche Bereiche des Rahmens, auf die fokussiert werden kann. Wenn sich die Objekte an diesen Punkten in unterschiedlichen Entfernungen befinden, kann immer nur ein Punkt perfekt fokussiert sein.)

Ein scharfer Fokus führt jedoch nicht sofort zu einer nicht erkennbaren Unschärfe. Jeder Punkt, der auf Ihrem Sensor scharf sein sollte , ist eigentlich ein winziger Kreis, und je weiter er vom Perfekten entfernt ist, desto größer wird dieser winzige Kreis. (Siehe Was ist der "Kreis der Verwirrung?" ).

Wenn der Kreis kleiner ist, als Sie erkennen können (z. B. kleiner als die Pixel auf Ihrem Sensor oder kleiner als Ihr Auge in einem endgültigen Ausdruck sehen kann), kann etwas, das näher oder weiter von der idealen "Wand" mit scharfem Fokus entfernt ist buchstäblich nicht von perfekter Schärfe zu unterscheiden sein. Darüber hinaus gibt es auch außerhalb der Einschränkungen Ihrer Kamera und Ihres Bildgebungssystems einige geringfügige Unschärfen, die wir als "gut genug" akzeptieren möchten. Hier erhalten wir das Konzept der Schärfentiefe . Stellen Sie sich statt einer Ebene ohne Dicke eine imaginäre dicke Wand vor, deren Tiefe näher und weiter ist als die Entfernung, auf die Sie fokussiert sind. Alles darin ist "in der Schärfentiefe" und wird daher im Fokus betrachtet.

(Aber machen Sie nicht den Fehler zu denken, dass diese imaginäre dicke Wand harte Grenzen hat - es ist wirklich eine "weiche" Zone, in der die Grenzen ein eindeutiger Urteilsspruch sind.)

Im Allgemeinen sorgen kleinere Aperturen (höhere Blendenzahlen) für mehr Schärfentiefe. (Siehe Technisch gesehen, warum ist der unscharfe Bereich bei Verwendung einer größeren Blende stärker unscharf? )

Die geometrische Optik lehrt uns auszudrücken, dass eine Linse nur an einem bestimmten Fokuspunkt ein scharfes Bild eines Objekts erzeugen kann. Objekte, die näher oder weiter entfernt sind, werden als unscharf dargestellt. Aus Gründen der allgemeinen Beobachtung erscheinen Objekte vor und hinter der fokussierten Entfernung wahrscheinlich scharf fokussiert. Der Grund ist, dass es vor und hinter dem Fokuspunkt eine Spanne gibt, die sich akzeptabel scharf reproduziert. Diese Spanne wird als "Schärfentiefe" bezeichnet.

Das Objektiv behandelt jeden Punkt des Motivs einzeln. Punkt für Punkt sprechen wir von einem Punkt, der so winzig ist, dass er keine Dimension hat. Die Aufgabe des Objektivs besteht darin, ein Bild dieses Punktes auf die Bildebene zu projizieren. Aufgrund verbleibender unkorrigierter Aberrationen und unzureichender Fokussierung wird das Bild von Punkten niemals als Punkte reproduziert. Stattdessen werden alle Punkte als Kreise wiedergegeben. Diese werden als Verwirrungskreise bezeichnet, da sie überbackene Grenzen haben und neben benachbarten Verwirrungskreisen stehen.

Die Größe dieser Kreise ist der entscheidende Faktor dafür, ob wir ein Bild als klebrig oder unscharf aussprechen. Wenn die Kreise winzig sind und nicht in der Lage sind, sie als Kreise aufzulösen, sprechen wir das Bild als „scharf“ aus. Wenn diese Bildpunkte als Kreise und nicht als dimensionslose Punkte betrachtet werden, sprechen wir das Bild unscharf aus. Für eine durchschnittliche Person mit guter Sicht, die ein Foto bei gutem Licht betrachtet, dürfen diese Verwirrungskreise nicht größer als ½ mm sein. aus 20 Zoll gesehen

Dies ist das Zeug der "Schärfentiefe".

Für jede bestimmte Wellenlänge und jeden Radius der vorderen Linse (unter der Annahme einer perfekten radialen Symmetrie der Linsen) ist der Fokus eine exakte Entfernung, vorausgesetzt, der Sensor ist eine perfekte sphärische Oberfläche, wobei sich das Zentrum in der Brennebene befindet. Warten Sie, es ist nicht. Und wir arbeiten auch nicht mit monochromatischem Licht. Und wenn die Fokusabstände für verschiedene Frontlinsenradien nicht perfekt übereinstimmen, erhalten wir unterschiedliche Leistungen bei unterschiedlichen Blendenöffnungen.

Die Schärfentiefe wird unter der Annahme eines perfekten Linsenmodells und eines akzeptablen "Verwirrungskreises" berechnet. Die Wahrheit ist, dass Linsen nicht perfekt sind. Der "Kreis der Verwirrung" wird also in der Praxis durch chromatische longitudinale (und laterale) Aberration und sphärische Aberration sowie Linsenkonvergenzprobleme in den Schatten gestellt. All dies bestimmt einen Bereich, in dem Sie unabhängig von der Sensorauflösung keine signifikanten Schärfegrade unterscheiden können.

Die auf dem "Kreis der Verwirrung" basierende Tiefenschärfeberechnung hat den Vorteil, dass mit gut bestimmbaren Zahlen gearbeitet wird (zumindest bei Verwendung digitaler Sensoren mit festem Pixelabstand), ohne jedoch die Qualität der Optik zu berücksichtigen. Wenn die Optik in der Lage wäre, Licht durch die gesamte Apertur bei allen sichtbaren Wellenlängen von einem einzelnen Punkt in Fokussierungsentfernung zu einem einzelnen Punkt auf dem Sensor konvergieren zu lassen (der tatsächlich eine Tiefe ungleich Null seiner photonenkonvertierenden Oberfläche aufweist und einen weiteren Schraubenschlüssel hineinwirft In den Werken) könnte man über genaue Fokussierentfernungen sprechen.