O foco da lente da câmera é um ponto exato ou um alcance?

Eu sempre me perguntei se o foco de uma lente em uma distância focal específica é um ponto exato ou um alcance dentro de alguns milímetros. Isso se torna ainda mais importante quando se focaliza manualmente. A que distância do ponto de foco da câmera um objeto pode estar e ainda parecer nítido?

Há apenas uma distância que está mais nítida. Tudo na frente ou atrás dessa distância está embaçado. Quanto mais nos afastamos da distância do foco, mais as coisas ficam embaçadas. As perguntas se tornam: "Quão embaçada? Está dentro do nosso limite aceitável? A que distância da distância do foco as coisas se tornam inaceitavelmente embaçadas?"

O que chamamos de profundidade de campo (DoF) é o intervalo de distâncias antes e atrás do ponto de foco que são aceitáveis ​​e embaçadas, para que as coisas ainda pareçam estar em foco.

A quantidade de profundidade de campo depende de duas coisas: ampliação total e abertura. A ampliação total inclui os seguintes fatores: distância focal, distância de assunto / foco, taxa de ampliação (que é determinada pelo tamanho do sensor e pelo tamanho da tela) e distância de visualização. A acuidade visual do espectador também contribui para o que é aceitável o suficiente para aparecer em foco, em vez de embaçado.

A distribuição da profundidade de campo na frente e atrás da distância do foco depende de vários fatores, principalmente a distância focal e a distância do foco.

A proporção de qualquer lente muda conforme a distância do foco é alterada. A maioria das lentes se aproxima de 1: 1 na distância mínima de foco. À medida que a distância do foco aumenta, a profundidade de campo traseira aumenta mais rapidamente do que a profundidade de campo frontal. Há uma distância de foco na qual a proporção será de 1: 2 ou um terço na frente e dois terços atrás do ponto de foco.

Em distâncias curtas de foco, a proporção se aproxima de 1: 1. Uma lente macro verdadeira que pode projetar uma imagem virtual no sensor ou filme com o mesmo tamanho do objeto para o qual está projetando a imagem atinge uma proporção de 1: 1. Mesmo lentes que não conseguem atingir o foco macro demonstrarão uma proporção muito próxima de 1: 1 na sua distância mínima de foco.

Em distâncias de foco mais longas, a parte traseira da profundidade de campo atinge todo o caminho até o infinito e, portanto, a proporção entre a DOF dianteira e traseira se aproxima de 1: ∞. A menor distância de foco na qual o DOF traseiro atinge o infinito é chamada de distância hiperfocal . A profundidade de campo próxima aproxima-se muito da metade da distância do foco. Ou seja, a borda mais próxima do DoF estará a meio caminho entre a câmera e a distância do foco.

Devemos lembrar também que a distância hiperfocal, como o conceito de profundidade de campo em que se baseia, é realmente apenas uma ilusão , embora seja bastante persistente. Apenas uma única distância estará no foco mais nítido. O que chamamos de profundidade de campo são as áreas de ambos os lados do foco mais nítido que são borradas de forma tão insignificante que ainda as vemos nítidas. Observe que a distância hiperfocal variará com base na alteração de qualquer um dos fatores que afetam a DOF: distância focal, abertura, ampliação / tamanho da tela, distância de visualização etc. Por que esse é o caso, consulte:

Por que os fabricantes pararam de incluir escalas DOF ​​nas lentes?
Existe uma 'regra de ouro' que eu possa usar para estimar a profundidade de campo enquanto fotografo?
Como você determina o Círculo de Confusão aceitável para uma foto em particular?
Encontrar distância hiperfocal para resolução HD (1920x1080)?
Por que estou obtendo valores diferentes para a profundidade de campo das calculadoras versus da visualização na câmera do DoF?
Assim como esta resposta ao método de estimativa rápida de DoF simples para lentes principais

Imagine uma parede a alguma distância da sua câmera - uma parede plana sem profundidade, e você está de frente para ela. O foco da lente é assim: tudo no plano exato está em foco.

(Isso é uma simplificação. Para lentes do mundo real, isso não é perfeitamente plano. Na realidade, várias aberrações ópticas inevitáveis mantêm a perfeição afastada, mas, para um entendimento básico, a idéia de um plano é boa o suficiente.)

Portanto, o foco mais nítido é nesse plano. Os pontos de foco da câmera são usados ​​para informar ao sistema de foco onde procurar um aumento do contraste e (assumindo que o foco automático funcione) tudo no mesmo plano também deve estar focado. Se você se concentrar mais, é como aproximar o "muro" de você; focar mais longe é empurrá-lo de volta. A câmera não consegue focar em vários pontos que não estão no mesmo plano. Há apenas uma distância de foco. (Os sistemas de foco automático oferecem vários pontos de foco, mas essas são apenas as possíveis áreas diferentes do quadro para focar. Se os objetos nesses pontos estiverem em distâncias diferentes, apenas um ponto poderá estar em foco perfeito.)

Mas, o foco nítido não passa imediatamente disso para um borrão irreconhecível. Cada ponto que deve ser nítido em seu sensor é, na verdade, um pequeno círculo e, quanto mais longe do perfeito, maior esse pequeno círculo. (Veja O que é o "Círculo de Confusão?" ).

Se o círculo for menor do que você pode detectar (menor que os pixels do sensor ou menor que o olho pode ser visto na impressão final), algo que pode estar mais perto ou mais longe da "parede" ideal de foco nítido pode seja literalmente indistinguível da nitidez perfeita. Além disso, mesmo fora das limitações da câmera e do sistema de imagem, há uma quantidade de desfoque muito leve que estamos dispostos a aceitar como "suficientemente bom". É aqui que temos o conceito de profundidade de campo . Em vez de um plano sem espessura, pense em uma parede grossa imaginária com profundidade cada vez mais próxima da distância em que você está focado. Tudo isso está "dentro da profundidade de campo" e, portanto, é considerado em foco.

(Mas não cometa o erro de pensar que essa parede espessa imaginária tem bordas duras - é realmente uma zona "suave" onde as bordas são um julgamento definitivo.)

Em geral, aberturas menores (números f mais altos) fornecem mais profundidade de campo. (Consulte Tecnicamente, por que a área fora de foco é mais embaçada quando se usa uma abertura maior? )

A óptica geométrica nos ensina a expressar que uma lente só é capaz de formar uma imagem nítida de um objeto em um determinado ponto de foco. Os objetos mais próximos ou mais distantes da imagem terão a nitidez da nitidez. No entanto, como uma questão de observação comum, os objetos antes e atrás da distância focada provavelmente aparecem nitidamente focados. A razão é que existe um intervalo antes e atrás do ponto de foco que se reproduz de maneira aceitável. Esse período é chamado de "profundidade de campo".

A lente lida com cada ponto do objeto individualmente. Por um ponto, estamos falando de um ponto tão pequeno que não tem dimensão. O trabalho da lente é projetar uma imagem desse ponto no plano da imagem. Por causa de aberrações residuais não corrigidas e foco inadequado, a imagem dos pontos nunca é reproduzida como pontos. Em vez disso, todos os pontos se reproduzem como círculos. Estes são chamados círculos de confusão porque têm limites recortados e são justapostos ao lado de círculos adjacentes de confusão.

É o tamanho desses círculos que é o fator determinante para pronunciarmos uma imagem como tachada nítida ou desfocada. Se os círculos são pequenos e abaixo da nossa capacidade de resolvê-los como círculos, pronunciamos a imagem como "nítida". Se esses pontos de imagem são vistos como círculos e não como pontos sem dimensão, pronunciamos a imagem como nítida. Para uma pessoa comum com boa visão, vendo uma fotografia com boa luz, esses círculos de confusão não devem ser maiores que ½ mm (2/100 polegadas). quando visto de 20 polegadas

Este é o material da "profundidade de campo".

Para cada comprimento de onda específico e cada raio da lente frontal (assumindo perfeita simetria radial das lentes), o foco é uma distância exata, dado que o sensor é uma superfície esférica perfeita com o centro no plano focal. Espere, não é. E também não estamos trabalhando com luz monocromática. E se as distâncias de foco para vários raios da lente frontal não corresponderem perfeitamente, obtemos desempenhos diferentes em aberturas diferentes.

A profundidade de campo é calculada assumindo um modelo de lente perfeito e um "círculo de confusão" aceitável. A verdade é que as lentes não são perfeitas. Portanto, o "círculo de confusão" será diminuído por problemas de aberração cromática longitudinal (e lateral) e de aberração esférica e de convergência de lentes na prática, todos determinando um intervalo em que você não pode distinguir níveis significativos de nitidez, independentemente da resolução do sensor.

O cálculo da profundidade de campo com base no "círculo da confusão" tem a vantagem de trabalhar com números bem determináveis ​​(pelo menos ao usar sensores digitais com passo de pixel fixo), mas omite levar em consideração a qualidade da óptica. Se a ótica fosse capaz de deixar a luz atravessar toda a abertura em todos os comprimentos de onda visíveis de um único ponto na distância de foco convergir para um único ponto no sensor (que na verdade tem profundidade diferente de zero da superfície de conversão de fótons, jogando outra chave inglesa os trabalhos), você poderia falar sobre distâncias exatas de foco.