Dlaczego przymykanie przysłony daje większą głębię i lepszą ostość?

[Mohinder]

Witam
Powiedzmy, że znam zależności głębi od przysłony i ilość światła związaną z przysłoną. Nie mam z tym problemu. Nie mogę jednak zrozumieć dlaczego tak się dzieje. Nie rozumiem na przykład jak to się dzieje, że zmniejszając otwór przysłony wpuszczamy mniej światła ale kadr jest taki sam. Również chciałbym się dowiedzieć dlaczego przymykanie przysłony daje ostrzejszy obraz. Próbowałem się dowiedzieć raz od bardziej doświadczonego fotografa amatora ale nie potrafił mi wytłumaczyć lub ja nie potrafiłem zrozumieć. No bo skoro zmniejszam otwór w obiektywie to w jaki sposób widzę tyle samo? Próbowałem szukać w sieci odpowiedzi ale wszystko co znalazłem tylko mówi o tym co wiem.
Czy znajdzie się ktoś kto wytłumaczy tak, żeby laik z fizyki potrafił to zrozumieć?
Pozdrawiam i proszę nie śmiać się zbyt głośno.

[rysz]

Aby to zrozumieć należy wiedzieć czym jest "wartość przysłony" którą zmieniamy. Jest to stosunek ogniskowej do średnicy otworu czynnego. Przymykanie przysłony zmniejsza średnicę otworu czynnego więc zmniejsza się ilość światła.

Najłatwiej wyobrazić to sobie rozważając przypadek najprostszy, czyli soczewkę płaską. Jest dla niej o tyle łatwiej, że średnica otworu czynnego jest równa średnicy soczewki, a przymknięcie przysłony jest równoważne zmniejszeniu średnicy soczewki.

Rozważmy przypadek: soczewka płaska o średnicy 50 mm i ogniskowej 200 mm. Otrzymujemy przysłonę 4,0.
Dodajemy przysłonę o średnicy 25 mm => wartość przysłony zmienia się na 8,0. Ponieważ zmniejszyliśmy średnicę o połowę, to powierzchnia zbierająca światło jest teraz 4 razy mniejsza, więc obraz robi się 4 razy ciemniejszy (-2 EV). Bieg promieni świetlnych, które przez soczewkę przeszły jest jednak taki sam, jak przed umieszczeniem przysłony, więc obraz się nie zmienia (poza jasnością).

Podobnie, jeśli soczewkę o średnicy 50 mm i ogniskowej 200 mm zastąpimy soczewką o tej samej średnicy i ogniskowej 400 mm. Ponownie uzyskamy wartość przysłony 8,0 i uzyskany obraz będzie 4 razy ciemniejszy. Co prawda powierzchnia zbierająca światło jest taka sama (ta sama średnica), ale ze względu na 2 razy większą ogniskową rozkłada się ono na 4 razy większej powierzchni.

Dlaczego 'ostrość' ulega zmianie/poprawie?
Soczewki nie są niestety idealne. Występuje cała masa wad optycznych, które przeważnie są silniejsze dla promieni dalej od osi optycznej (środka soczewki). W tej sytuacji wstawienie przysłony powoduje odcięcie promieni najdalszych od osi, a więc zmniejszenie tych wad i w efekcie poprawę ostrości. Dzieje się tak jednak w ograniczonym zakresie, ponieważ dla zbyt małego otworu względnego kluczową rolę zaczyna odgrywać dyfrakcja na krawędziach przysłony, która pogarsza ostrość.

Jest to zrozumiałe, czy potrzebne są rysunki/schematy biegu promieni świetlnych do zilustrowania powyższych zależności?

Jeśli zaś chodzi o głębię ostrości, to szkoda strzępić język (klawiaturę), bo jeden rysunek jest 100 razy lepszy:

Shejin Thavalengal, Contributions to Practical Iris Biometrics on Smartphones, College of Engineering and Informatics National University of Ireland, Galway 2016

Jeśli na powyższym rysunku dodalibyśmy przysłonę odcinającą skrajne promienie, to zmniejszyłyby się maksymalne kąty padania promieni na powierzchnie obrazową. Patrząc na to z drugiej strony można by było otrzymać takie samo rozmycie dla obiektów znajdujących się od punktu, na który ustawiona była ostrość, co daje większą głębię ostrości.

[Bechamot]

Witam

Czy znajdzie sie ktos kto wytlumaczy tak, zeby laik z fizyki potrafil to zrozumiec?
Pozdrawiam i prosze nie smiac sie zbyt glosno.

to temat na ksiazke. sprobuje prosto w formie beletrystycznej , ale moze wyjsc z tego dlugi post.

wplyw zmian otworu przyslony nalezy rozpatrywac w trzech niezalenych aspektach.

1. Zmiany rozdzielczosci / ostrosci obrazowania
2. zmiany glebi ostrosci
3. zmiana jasnosci


ad1.

domykajac przyslone zachodza dwa konkurencyjne czynniki ( poprawa i pogorszenie):

a) Poprawa - zmniejszenie bledow otwarcia poprzez odciecie promieni przechodzacych przez skrajne czesci soczewki . Im bardziej na zewnatrz tym promienie sa coraz inaczej ogniskowane niz te przyosiowe - wewnetrzne , czyli odcinajac je poprawia sie ogniskowanie a tym samym rozdzielczosc

o bledach otwarcia i to w aspekcie praktycznym , ich skutkach mozesz przeczytac tutaj :

http://spherapan.vot.pl/flog/Siodlo.pdf

na samym poczatku.

w gruncie rzeczy sa to znane nam bledy optyczne , ale nasilajace sie wraz z oddaleniem sie od centrum soczewki.



b ) Pogorszenie - wzrost znaczenia i udzialu dyfrakcji , co pogorsza rozdzielczosc.

dla pewnej wartosciu przyslony uzyskujemy optimum , wypadkowa bledow otwarcia ( czyli bledow korekcji optycznej ) i bledow spowodowanych dyfrakcja jest najnizsza. dla tej przyslony uzyskujemy najwyzsza rozdzielczosc.

gdyby obiektyw byl idealnie skorygowany , wowczas najwieksza rozdzielczosc osiagnalby przy calkowicie otwartej przyslonie , gdyz bledy otwarcia by nie wystapily , a dyfrakcja balaby najnizsza.

stad wniosek praktyczny - im lepiej skorygowany obiektyw , tym dla nizszej wartosci przyslony osiaga maksimum rozdzielczosci.

porownujac np obiektywy ktorych rozdzielczsoci zostaly pomierzone na roznych matrycach , pytajmy nie o wartosc bezwzgledna rozdzielcszoci , gdyz to jest nieporownywalne , a o wartosc przyslony dla ktorej jest to maksimum rozdzielsczoi osiagnane.

obiektyw, ktory osiaga na matrycy canona 45 lp/mm dla przyslony 4.0
jest lepiej skorygowany niz inny dajacy np na matrycy sony 60 lp/mm dla przyslony 5,6. Na tej samej matrycy obiektyw canona dawalby wyzsza rozdzielczosc. ( dodam dla porzedku , ze tak jak to sie robi , czyli np optyczne.pl ( wyznacznie mtf metoda pomiaru wartosci rozmycia na krawedzi) , to jest to zawsze pomiar ukladu obiektyw - matryca , ale na podstawie maksimumum mozna wyciagnac wnioski n.t. jakosci optyki.
Przeliczenie na rozdzilsc optyki jest mozliwe , ale to oddzielny temat )





troche slow na temat samej dyfrakcji.

opisy dyfrakcji jakie znajdziesz w internecie , czy uczono w szkole dotycza dyfrakcji na otworach , szczelinach o srednicy porownywalnej z dlugoscia fali swiatla- sa podawane wzory na wielkosc dyfrakcji w zaleznosci od tej srednicy. W fotografii mamy srednice otworu przyslony wieksza o kilka- kilkanascie rzedow od dlugosci fali . nie ten przypadek zachodzi w fotografii.

u nas spadek rozdzielczosci spowodowany domykaniem przyslony jest wywolany wiekszym udzialm promieni ugietych dyfrakcja w obrazie fotograficznym.

na kazdej roznicy jasnosci dochodzi do ugiecia swiatla ( nazwijmy to zmiany kierunku rozchodzenia sie swiatla - cos jak kulka bilardowa odbita od bandy na stole bilardowym ) Np dyfrakcja zachodzi tez na filtrze polowkowym nawet gradientowym

Otoz promienie swiatla przechodzace przez wewnetrzna czesc soczewki rozchodza sie zgodnie z zasadami optyki geometrycznej i skupia sie w jednym miejscu po przejscu przez soczewke. Promienie ktore trafily na krawedz przyslony ulegna ugieciu , ich kierunek rozchodzenia zostanie zmieniony , one sie skupia w innym miejscu niz promienie zewnetrzne , Beda one jakby rozproszone.
to powoduje pogorszenie ogniskowania , czyli spadek rozdzielczosci.

i teraz najwazniejsze:

udzial promieni zewnetrzych w stosunku do wszystkich promieni zalezy od stosunku obwodu srednicy soczewki do jej powierzchni czynnej ( otwartej).

poniewaz mamy kolo wiec zmniejszajac srednice kola , pole zmniejsza sie kwadratycznie , zas obwod zmienia sie liniowo.

oznacza to ze zmniejszajac srednice przyslony szybciej ubywa promieni wewenetrznych od skrajnych. bedzie coraz wiecej promieni skrajnych inaczej ogniskowanych a coraz mniej promieni prawidlowo ogniskowanych.
Obraz bedzie coraz mniej rozdzielczy, coraz mniej ostry.

a teraz wyjasnieni super beletrystyczne.

strzelasz serie stu karnych na boisku pilkarskim do normalnej bramki.

nasza pilka to jakby fotony.

iles karnych prostoliniowo wpadnie w swiatlo bramki , ale od czasu do czasu , ktorys ze trzalow trafi w slupek , czesc po wewentrznej stronie zmieni kierunek i trafi do siatki , ale nie juz prostoliniowo , czesc odbije sie po zewnetrrznej stronie i nie trafi.

np 80 trafien bylo wprost , 20 od slupka - udzial ugietych wynosi 20% w calosci.

zmniejszasz bramke - bedzie tak samo , tyle ze teraz czesciej trafisz w slupek a mniej

pilek wpadnie wprost do siatki. np wprost wpadnie 70 , 30 bedzie odbitych. udzial tych odchylonych strzalow w stosunku do prostoliniowych bedzie rosl . Bedzie teraz wynosi 30 % calosci. itd . Zmniejszajac przyslone , zmniejszasz swiatlo bramki , coraz wiecej bedzie tych strzalow odbitych , a coraz mniej tych prostoliniowych , a wiec coraz slabsza rozdzielczosc.


Tak wiec domykajac przyslone poprawiamy "wypadkowa" rozdzielczosc ograniczajac bledy otwarcia i pogarszamy rozdzielczosc zwiekszajac dyfrakcje. w aktulnie konstruowanych obiektywach maksimum tej rozdzielszosci przypada po przymknieciu o ok 2 - 3 stopni.

Ja na moj osobisty uzytek klasyfikuje obiektywy jako :

max ok 2,8 lub mniej - znakomite , wybitne , wyjatkowe
ok 4.0 - celujace
5,6 - b.dobre
8. 0 dobre
11. dostateczne.
16.0 - niedostateczne.

troche o tej wypadkowej rozdzielczosci w ujeciu geometrycznym jest tutaj :

http://spherapan.vot.pl/flog/diffr.pdf




i teraz na koniec drobna ciekawostka.

przyrownanie fotonow do pilki czyli jakiejs kuleczki nie jest calkiem wlasciwe.

gdyby strzelic jeden foton prosto w swiatlo bramki czyli soczewki , to okaze sie , ze on tez ulegnie dyfrakcji. To nie jest rzeczywiscei taka skupiona kulka , a cos , co nie ma ma masy , ma wlasnosci falowe. Raczej moznaby sobie to wyobrazioc jako pewien " oblok " falowy i czesc tej fali zahaczy o przyslone ulegnie ugieciu i zostanie inaczej zogniskowana niz czesc przechodzaca przez srodek . Foton interferuje rowniez sam ze soba.




ufffff. wyszlo za dlugie , choc sie streszczalem

ad 2 i 3 moze troche pozniej - czas na poranna kawe.

[Mohinder]

Dziękuję bardzo. Mam nadzieję, że to zaspokoiło nie tylko moją ciekawość. Jednak nie do końca rozumiem, skoro zmniejszam otwór w obiektywie w jaki sposób nie zmienia się to co przez niego widać? Kadr jest taki sam.

[Bechamot]

nie zmienia sie dlatego , ze soczewka pracuje cala powierzchnia.

punkt na brzegu kadru jest budowany zarowno przez promienie przechodzace przez brzeg soczewki jak i przez jej srodek.

to nie jest tak , ze punkt jaki widzisz na brzegu kadru jest budowany tylko przez promienie przechodzace przez brzeg soczewki , jest budowany przez miliony promienie przechodzacych przez kazdy punkt soczewki.

pod podanym pierwszym linkiem naszkicowalem to , ktorys z rysunkow poczatkowych.

slaba praca brzegu soczeweki psuje rowniez obraz w srodku kadru.

wyobraz sobie soczewke jako sitko . na kazde oczko tego sitka padaja promienie ze wzstystkich stron , powiedzmy miliony . i z kazdego oczka tego sitka wychodza promienie odpowiednio zalamane ale tez w roznych kierunkach calego kadru. Kazdemu promieniowi padajacemu pod jakims tam katem bedzie odpowiadal promien wychodzacy pod odpowiednim katem wynikajacym z kata zalamana soczewki

jedno oczko bierze udzial w budowie calego kadru.

obraz z jednego oczka bylby bardzo ciemny. te promienie z roznych oczek padajac na jeden punkt sie dodaja i obraz jest coraz jasniejszy.

gdyby pozostawic na soczewce tylko np dwa oczka , wowczas obraz powstanie , ale bedzie on ciemny.

zobacz jeszcze raz ten rysunek pod podanym pierwszym linkiem.

pracuje cala powierzchnia soczewki - to jest wazne by to wiedziec.

slowo " bledy otwarcia " nie bywa stosowane w polskojezycznej literaturze fotograficznej , a ono znakomicie oddaje sens problemu i prace soczewki.

[Karlbuk]

ale gdyby soczewka była idealna to głębia ostrości i tak by się zmieniała wraz ze zmianą otworu.

a tu najprostszy wykres jak powstaje obraz i dlaczego przez każdy otwór widać całość

[Bechamot]

kawa wypita , nawet dwie ale slabe
wiec :

ad 2.

Glebia ostrosci

Pojecie glebi ostrosci wynika z przyjetej w fotografii definicji ostrosci , a ta wynika wprost z wlasnosci oka ludzkiego.

w fotografii uznaje sie za ostry kontur wowczas, jesli jego rozmycie na zdjeciu jest mniejsze od 0,1 mm. Te 0,1 mm odpowiadaja rozdzielczoci liniowej oka ludzkiego.
wszystko o mniejszym rozmyciu , chociaz nie jest absolutnie ostre i jakas nieostrosc wystepuje nazywa sie ostrym.

a wiec obszar glebi ostrosci to bedzie obszar o rozmyciu mniejszym od dopuszczalnego . to dopuszczalne rozmycie nazywa sie krazkiem rozproszenia - KR.
KR wystepuje po stronie obrazowej i przedmiotowej. na codzien poslugujemy sie po stronie obrazowej , ale to tylko ze wzgledow pragmatycznych .

wszystkie wyjasnienia jakie spotkalem w sieci sa albo bledne , albo nie sa wyjasnieniem. na ogol to kopiowanie od lat powielanych stereotypow - jeszcze z lat 20 tych i wczesniej.

rowniez podany przez Rysz rysunek nie jest wyjasnieniem.

musimy odpowiedziec jakie jest dopuszczalne rozmycie czyli KR?

po stronie przedmiotowej wynosi on 0,1 mm / skala odwzorowania.

poniewaz rozmycie moze wynosic 0,1 mm na zdjeciu, to w naturze nasz obiekt moze byc po stronie przedmiotowej na tyle nieostro sfotografowany, iz rozmycie konturu bedzie tyle razy wieksze ile razy pomniejszylismy obraz.

przyklad: sfotografowalismy czlowieka z odleglosci 3 m.
na zdjeciu ma on 10 cm , w rzeczywisztosci 180 cm . Skala odwzorowania = 10/180=1/18

KRp ( po stronie przedmiotowej) moze wynosic 0,1 * 18 = 1,8 mm



Jesli bedziemy znac jeszcze srednice otworu wejscia przyslony ( zrenica wejsciowa), to nam wystaraczy by wyliczyc GO . nie musimy znac ogniskowej !



w zalaczeniu rysunek, on wyjasnia wszystko .






w odleglosci X znajduje sie punkt p.

jesli odleglosc nastawimy na x , punkt p zostanie odwzorowany bez rozmycia, bedzie mial wielkoss p , a na zdjeciu p*skala odwz. .

Obraz jest idealnie ostry tylko w plaszczyznie ostrzenia , im dalej od nie nastawimy odleglosci, tym wystpuje zawsze coraz wieksza nieostrosc. Dzieki przyjeciu KR - czyli dopuszczalnej nieostrosci mozna w ogole mowic o glebi ostrosci. Czysto teoretycznie , gdybysmy obraz ogladali przez mikroskop to GO = 0.


wracajac do rysunku nr 1
jesli nastawic odleglosc na x3 , wowczas w plaszczyznie ostrzenia x rozmycie punktu p bedzie od punkt a do b . Znacznie wieksze od dopuszczalnego KR. obraz nalezy uznac za nieostry. Promieni czarne

rozmycie bedzie rowne odleglosci skrajnych promieni w plaszczyznie x.

Jesli skrocimy nastawe do jakiejs x2 , wowczas rozmycie punktu P w plaszczyznie x bedzie wynosic tyle co KR ( bedzie tak duze jak dopuszczlne rozmycie ) . To jest tylna granica ostrosci. Promienie zolte . jesli nastawimy odleglosc dalej obraz bedzie zbyt rozmyty , by go uznac zgodnie z definicja za ostry

jesli skrocimy odlegloisc nastawy pomiedzy x a x2 to rozmycie bedzie mniejsze od KR , obraz bedzie ostry . ( promienie zielone). Im blizej prawidlowej nastawy odleglosci tym ostrosc bedzie coraz wyzsza.

To nie jest tak , ze w zakresie GO obraz jest tak samo ostry - nie . Jest najostrzejszy w plaszczyeni ostrzenia , a w granicach GO jest dopuszczlnie mniej ostry. Oddalajac sie od prawidlowej odleglosci - coraz mniej ostry.


rys 2 to skopiowany rysunek 1 , ale domknelismy przyslone. Promienie skrajne nie rozchodza sie tak szeroko. KR jest ten sam , ale powniewaz promienie maja przebieg bardziej plaski wiec punkt x2 przesunal sie do polozenia x2 bis . zakres GO z tylu obiektu jest teraz wiekszy .


z prostej proporcji znajac srednice otworu wejsciowego ZW np 25 mm mozna wyliczyc tylny zakres GO

ZW /x2 =KR/(x2-x)

nie znamy tylko x2 - czyli tylnej granicy GO.

Tak to dziala.

proponuje abys rozrysowal sobie sam przebieg promieni skrajnych dla nastawy odleglosci mniejszej od X czyli zbyt krotkiego ostrzenia.



krotko mowiac - nie ma glebi ostrosci bez zdefiniowanej dopuszczalnej nieostrosci , czyli krazka rozproszenia.

to jest fundamentalne , podstawowe wyjasnienie w oparciu o optyke geometryczna.

te wszystkie skomplikowane wzory , w ktorych ogniksowa wystepuje w 4 potedze , biora sie z tej podstawej proporcji .

--- Kolejny post ---

stop, musze uzupelnic .
gdyz to moze byc niezrozumiale , gdy przeczytalem to co napisalem , nawet troche zagmatwalem opis niepotrzebnie.



w plaszczyznie X mamy wielkosc rozmycia przedmiotu znajdujacego sie w jakiejs odleglosc.

poniewaz nastawa odleglosci odpowiada jakiemus x , a przedmiot znajduje sie w x3 , to w plaszczyznie x punkt znajdujacy sie w odleglosci x3 badzie mial rozmycie od a do b , czyli bedzie nieostry - jego obraz na plaszczyznie x.
przedmiot znajdujacy sie w odleglosci x2 bedzie w placzczyznie x mial rozmycie rowne KR , czyli zostanie odwzorowany ostro.

na plaszczyznie X ( zawsze obiektyw nastawiony na jakas odleglosc x ) odwzorowane sa przeciez przedmioty znajdujace sie i dalej i blizej.

[Leon007]

Jednak nie do końca rozumiem, skoro zmniejszam otwór w obiektywie w jaki sposób nie zmienia się to co przez niego widać? Kadr jest taki sam.

Dlatego, że tworzenie obrazu przez soczewkę (obiektyw) nie zależy od jej średnicy. Każdy centryczny kawałek szkła o odpowiedniej krzywiźnie rzutuje kompletny obraz na ekran (materiał światłoczuły). Znajdź w necie, np. w Wikipedii, rozważania na temat tzw. cienkiej soczewki i zwróć uwagę, że w równaniu soczewki nigdzie nie ma jej średnicy.

Więcej: dowolny fragment szkła o odpowiedniej krzywiźnie - wcale niekoniecznie ze środka - również stworzy kompletny obraz. Tę właściwość wykorzystują tzw. offsetowe anteny satelitarne.

[Karlbuk]

Dlatego, że tworzenie obrazu przez soczewkę (obiektyw) nie zależy od jej średnicy. Każdy centryczny kawałek szkła o odpowiedniej krzywiźnie rzutuje kompletny obraz na ekran (materiał światłoczuły). Znajdź w necie, np. w Wikipedii, rozważania na temat tzw. cienkiej soczewki i zwróć uwagę, że w równaniu soczewki nigdzie nie ma jej średnicy.

Więcej: dowolny fragment szkła o odpowiedniej krzywiźnie - wcale niekoniecznie ze środka - również stworzy kompletny obraz. Tę właściwość wykorzystują tzw. offsetowe anteny satelitarne.

zapomniało się liceum

[Bechamot]

stop, musze uzupelnic .
gdyz to moze byc niezrozumiale , gdy przeczytalem to co napisalem , nawet troche zagmatwalem opis niepotrzebnie.



w plaszczyznie X mamy wielkosc rozmycia przedmiotu znajdujacego sie w jakiejs odleglosc.

poniewaz nastawa odleglosci odpowiada jakiemus x , a przedmiot znajduje sie w x3 , to w plaszczyznie x punkt znajdujacy sie w odleglosci x3 badzie mial rozmycie od a do b , czyli bedzie nieostry - jego obraz na plaszczyznie x.
przedmiot znajdujacy sie w odleglosci x2 bedzie w placzczyznie x mial rozmycie rowne KR , czyli zostanie odwzorowany ostro.

na plaszczyznie X ( zawsze obiektyw nastawiony na jakas odleglosc x ) odwzorowane sa przeciez przedmioty znajdujace sie i dalej i blizej.

uszczegolowilem rysunek , teraz powinno byc bez watpliwosci.



ps. drugi rysunek do usuniecia przez administracje ( pierwszy prosze pozostawic)