Ist der Fokus des Kameraobjektivs ein exakter Punkt oder ein Bereich?

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 lauten: „Wie verschwommen ist es? Liegt das innerhalb unserer akzeptablen Grenze? Wie weit von der Fokusentfernung entfernt werden die Dinge unannehmbar verschwommen?“

Was wir als Schärfentiefe (DoF) bezeichnen , ist der Bereich der Entfernungen vor und hinter dem Fokuspunkt, die akzeptabel verschwommen sind , sodass die Dinge immer noch so aussehen, als wären sie scharfgestellt.

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

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

Das Verhältnis jedes gegebenen Objektivs ändert sich, wenn die Fokusentfernung geändert wird. Die meisten Objektive nähern sich bei der minimalen Fokusentfernung 1:1 an. Wenn die Fokusentfernung erhöht wird, nimmt die hintere Schärfentiefe schneller zu als die vordere Schärfentiefe. Es gibt eine Fokusentfernung, bei der das Verhältnis 1:2 ist, oder ein Drittel vor und zwei Drittel hinter dem Fokuspunkt.

Bei kurzen Fokusabständen 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. Sogar Objektive, die keinen Makrofokus erzielen können, weisen bei ihrer minimalen Fokusentfernung ein Verhältnis von sehr nahe an 1:1 auf.

Bei größeren Fokusabständen reicht der hintere Teil der Schärfentiefe bis ins Unendliche und damit nähert sich das Verhältnis zwischen vorderer und hinterer Schärfentiefe 1:∞. Die kürzeste Fokusentfernung, bei der der hintere DoF unendlich wird, wird als hyperfokale Entfernung bezeichnet. Die nahe Schärfentiefe nähert sich sehr genau der Hälfte der Fokusentfernung. Das heißt, die nächste Kante des DoF befindet sich auf halbem Weg zwischen der Kamera und der Fokusentfernung.

Wir müssen auch bedenken, dass die hyperfokale Distanz, wie das Konzept der Schärfentiefe, auf dem sie basiert, wirklich nur eine Illusion ist , wenn auch eine ziemlich hartnäckige. Nur eine einzelne Entfernung wird 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 sehen. Bitte beachten Sie, dass die hyperfokale Distanz je nach Änderung eines der Faktoren variiert, die DoF beeinflussen: Brennweite, Blende, Vergrößerung/Anzeigegröße, Betrachtungsabstand usw. Warum dies der Fall ist, finden Sie unter:

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Stellen Sie sich eine Wand in einiger Entfernung von Ihrer Kamera vor – eine flache Wand ohne Tiefe, und Sie blicken direkt darauf. Der Objektivfokus ist so: Alles in dieser genauen Ebene ist scharf.

(Dies ist eine Vereinfachung. Für reale Objektive ist dies nicht perfekt flach. In Wirklichkeit 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 Fokussystem mitzuteilen, wo es nach erhöhtem Kontrast suchen soll, und (vorausgesetzt, der Autofokus funktioniert) sollte auch alles in derselben Ebene scharf sein. Wenn Sie sich näher konzentrieren, ist es, als würden Sie die "Wand" näher zu sich bringen; Wenn man sich weiter weg konzentriert, schiebt man es zurück. Die Kamera kann nicht auf mehrere Punkte fokussieren, die nicht in derselben Ebene liegen. Es gibt nur eine Fokusentfernung. (Autofokussysteme bieten mehrere Fokuspunkte, aber dies sind nur verschiedene mögliche Bereiche des Rahmens, auf die fokussiert werden kann. Wenn die Objekte an diesen Punkten unterschiedlich weit entfernt sind, kann immer nur ein Punkt perfekt fokussiert sein.)

Aber der scharfe Fokus geht davon nicht sofort zu einer nicht erkennbaren Unschärfe über. Jeder Punkt, der auf Ihrem Sensor scharf sein sollte, ist eigentlich ein winziger Kreis, und je weiter von perfekt entfernt, 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 Druck sehen kann), kann etwas näher oder weiter von der idealen „Wand“ des scharfen Fokus entfernt sein buchstäblich nicht von perfekter Schärfe zu unterscheiden sein. Darüber hinaus gibt es auch außerhalb der Einschränkungen Ihrer Kamera und Ihres Bildgebungssystems eine gewisse Menge an sehr leichter Unschärfe, die wir bereit sind, als "gut genug" zu akzeptieren. Hier bekommen 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 "innerhalb der Schärfentiefe" und wird daher im Fokus betrachtet.

(Aber machen Sie nicht den Fehler zu glauben, dass diese imaginäre dicke Mauer harte Grenzen hat – es ist wirklich eine „weiche“ Zone, in der die Grenzen ein definitiver Urteilsspruch sind.)

Im Allgemeinen bieten kleinere Blenden (höhere Blendenzahlen) 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 in einem bestimmten Fokuspunkt ein scharfes Bild eines Objekts erzeugen kann. Objekte, die näher oder weiter entfernt sind, werden unscharf dargestellt. Jedoch erscheinen nach allgemeiner Beobachtung Objekte vor und hinter der Entfernung, auf die fokussiert wird, wahrscheinlich scharf fokussiert. Der Grund dafür ist, dass es vor und hinter dem Fokuspunkt eine Spanne gibt, die annehmbar scharf reproduziert. Diese Spanne wird als „Schärfentiefe“ bezeichnet.

Das Objektiv behandelt jeden Punkt des Motivs einzeln. Punktuell sprechen wir über einen Fleck, der so winzig ist, dass er keine Dimension hat. Die Aufgabe der Linse besteht darin, ein Bild dieses Punktes auf die Bildebene zu projizieren. Wegen verbleibender unkorrigierter Aberrationen und unzureichender Fokussierung wird das Bild von Punkten niemals als Punkte reproduziert. Stattdessen werden alle Punkte als Kreise reproduziert. Diese werden Verwirrungskreise genannt, weil sie gezackte Grenzen haben und neben benachbarten Verwirrungskreisen angeordnet sind.

Die Größe dieser Kreise entscheidet darüber, ob wir ein Bild als knackscharf oder unscharf bezeichnen. Wenn die Kreise winzig sind und unterhalb unserer Fähigkeit, sie als Kreise aufzulösen, sprechen wir das Bild als „scharf“ aus. Betrachtet man diese Bildpunkte als Kreise und nicht als dimensionslose Punkte, spricht man von Unschärfe. Für eine durchschnittliche Person mit gutem Sehvermögen, die ein Foto bei gutem Licht betrachtet, dürfen diese Unschärfekreise nicht größer als 2/100 Zoll (½ mm) sein. bei Betrachtung aus 20 Zoll

Das ist der Stoff für „Schärfentiefe“.

Für jede bestimmte Wellenlänge und jeden Frontlinsenradius (unter der Annahme einer perfekten radialen Symmetrie der Linsen) ist der Fokus ein exakter Abstand, vorausgesetzt, der Sensor ist eine perfekte sphärische Oberfläche, wobei sich das Zentrum in der Brennebene befindet. Moment, das ist es nicht. Und wir arbeiten auch nicht mit monochromatischem Licht. Und wenn die Fokusentfernungen für verschiedene Frontlinsenradien nicht perfekt zusammenpassen, erhalten wir unterschiedliche Leistungen bei verschiedenen Blenden.

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 Längs- (und Quer-) Aberration und sphärische Aberration und Linsenkonvergenzprobleme in den Schatten gestellt, die alle einen Bereich bestimmen, in dem Sie unabhängig von der Sensorauflösung keine sinnvollen Schärfegrade unterscheiden können.

Die auf dem „Kreis der Verwirrung“ basierende Schärfentiefenberechnung hat den Vorteil, dass sie mit gut bestimmbaren Zahlen arbeitet (zumindest bei Verwendung digitaler Sensoren mit festem Pixelabstand), lässt jedoch die Berücksichtigung der Qualität der Optik aus. Wenn die Optik in der Lage wäre, Licht bei allen sichtbaren Wellenlängen von einem einzelnen Punkt in Fokussierentfernung durch die gesamte Apertur zu lassen, konvergiert zu einem einzelnen Punkt auf dem Sensor (der tatsächlich eine Tiefe seiner Photonen umwandelnden Oberfläche ungleich Null hat, was einen weiteren Schraubenschlüssel hineinwirft funktioniert), könnte man über genaue Fokussierabstände sprechen.