Como um teleconversor afeta a profundidade de campo?

Sei que um teleconversor reduzirá a quantidade de luz que chega ao filme ou sensor em uma câmera e, como tal, você ouve pessoas se unindo em torno de coisas como "Com um teleconversor 2x, esse 300mm f / 2.8 torna-se 600mm f / 5.6".

Como a abertura não é fisicamente diferente, pergunto-me como isso afeta a profundidade de campo (e efeitos associados, como bokeh). Faz sentido que a profundidade de campo permaneça a mesma e que a imagem seja apenas cortada.

É apenas mais uma dessas coisas que as pessoas dizem, que pode ser conveniente para os cálculos de exposição, ou há realmente uma alteração na imagem produzida?

Versão TL; DR: os teleconversores não afetam a profundidade de campo a uma determinada distância. Eles literalmente transformam sua lente 300 f / 2.8 em uma lente 600 f / 5.6. Qualquer lente de 600 f / 5.6, teleconvertida ou não, terá a mesma profundidade de campo que uma lente de 300 f / 2.8.

Há muita confusão sobre a relação entre profundidade de campo, abertura, f-stop e distância focal. Na realidade, é tudo muito simples:

A profundidade de campo é determinada pela distância focal e pelo tamanho aparente do elemento frontal da lente.

Por diâmetro aparente , quero dizer a largura da área do elemento frontal que não é bloqueada pela abertura.

Você pode realmente ver quão grande é esse diâmetro aparente, olhando para a frente de uma lente enquanto ela é removida e a abertura é mantida aberta.

A relação entre f-stop, distância focal e diâmetro aparente da lente é a seguinte:

(Tamanho da abertura em mm) = (Distância focal em mm) ÷ (parada f)

Por exemplo:

• O diâmetro aparente de uma lente de 210 mm definida como f / 4.5 é de 47 mm,
• O diâmetro aparente de uma lente de 70 mm definida como f / 4.5 é de 15,5 mm,
• O diâmetro aparente de uma lente de 70 mm definida como f / 8 é 8,75 mm,
• E o diâmetro aparente de uma lente de 18 mm definida como f / 3.5 é insignificante em 5.1 mm.

Agora, de volta à profundidade de campo. Profundidade de campo é a distância na frente e atrás da distância focalizada que ainda está "aceitável" em foco. Como o nível de desfoque aceitável difere de pessoa para pessoa, a melhor maneira de analisar a profundidade de campo é através do círculo de confusão.

Aqui está uma imagem útil da página da Wikipedia no Circle of Confusion:

O círculo de confusão é a área no sensor que é atingida pela luz a partir de um único ponto. Se você estiver na frente ou atrás do plano de foco, seu círculo de confusão aumentará. No plano do foco, o círculo de confusão é (idealmente, mas nunca na prática) zero.

A rapidez com que seu círculo de confusão aumenta à medida que você se afasta do plano de foco é um fator de apenas uma coisa: o ângulo entre as linhas convergentes mais amplas (a borda do tamanho aparente da lente). Agora, isso significa algumas coisas:

• Se você estiver focado 10 vezes mais longe, precisará ir aproximadamente 10 vezes mais longe do plano de foco para obter a mesma mudança em seu círculo de confusão.
• Duas lentes focadas na mesma distância, com o mesmo tamanho aparente, resultarão na mesma mudança no seu círculo de confusão (e, portanto, na mesma profundidade de campo).

Por outro lado, isso também desmascara várias crenças comuns sobre a profundidade de campo:

• Duas lentes no mesmo f-stop não têm necessariamente a mesma profundidade de campo. A lente mais longa terá uma profundidade de campo mais curta, porque possui um tamanho aparente maior. (Desculpe, Matt.)
• Teleconversores, cortes e sensores menores não afetam a profundidade de campo em um determinado tamanho aparente (f-stop e distância focal).

Tire duas fotos: uma com 35mm f / 1.8 e outra com 210mm f / 11. Agora, corte a imagem de 35 mm para ter o mesmo campo de visão da outra imagem. Eles terão quase exatamente a mesma profundidade de campo. Aqui está:

A profundidade de campo é a de uma lente F / 5.6 no exemplo que você indicar.

Sim, a abertura não mudou fisicamente. No entanto, a proporção de abertura para distância focal aumentou.

Portanto, os raios de luz que atingem o sensor serão menos oblíquos. Isso resulta em maior profundidade de campo.

Não posso acrescentar nada à excelente explicação sucinta de Itai sobre o que está acontecendo, no entanto, apresentarei uma prova de Reductio ad Absurdum :

Suponha que o uso de um teleconversor estenda a distância focal e, como resultado, deixe entrar menos luz, mas sem afetar a profundidade de campo . Além de fabricar uma 600 f / 5.6, um fabricante pode usar um design de 300 f / 2.8 existente e incorporar algumas ópticas de teleconversor, mas no mesmo corpo. Eles poderiam oferecer duas versões da lente de 600 mm que se comportam exatamente da mesma maneira que a exposição, mas uma teria a DOF de 600 f / 5.6 e a outra teria a DOF de 600 f / 2.8.

Eles também poderiam substituir o 300 f / 2.8 por um 150 f / 1.4 pelo telecoverter incorporado e poder oferecer 3 versões do 600 com DOF et cetera et cetera diferentes.

Eventualmente, você chega a uma lente com profundidade de campo infinitamente pequena, mas ainda se comportando como uma 5.6, o que é claramente absurdo; portanto, a proposição original (de que o DOF é inalterado por um telecobridor) deve ser falsa.

A profundidade de campo é determinada pela distância de foco e pelo tamanho da abertura física (bem explicado por Evan Krall). A adição de um teleconversor não altera o tamanho da abertura física; você está simplesmente ampliando a imagem já projetada pela lente e a distância focal e o número f aumentam juntos em proporção.

Como o tamanho da abertura física é inalterado, a profundidade de campo é inalterada para uma determinada distância de foco.

Um teleconversor está simplesmente espalhando a imagem da lente, como uma lupa. Ele altera apenas o quadro cortando (falsificando uma distância maior de foco) e o nível de iluminação usando uma quantidade igual de luz para uma quantidade maior de pixels. Não altera mais nada da foto original, por exemplo, o DoF ou a distância do foco.

Eu responderei duas perguntas, a que você perguntou e a que você também deveria ter perguntado. Também abordarei vários cenários diferentes (mesma distância de assunto sem corte, mesma distância de assunto com corte e mesmo enquadramento).

Como um teleconversor afeta a profundidade de campo?

Vamos dar uma olhada nisso. A profundidade do campo é:

DoF = 2 * x_d^2 * N * C / f^2

onde fé a distância focal, Cé o círculo de confusão, Né o número da abertura e x_dé a distância do assunto. Se a distância do assunto permanecer constante e você não decidir que, devido a menos cortes C, aumente a distância focal, o dobro da distância focal dobrará também o número da abertura, mas Cpermanecerá constante. Assim, a profundidade de campo será reduzida pela metade pelo teleconversor. (Se você aumentar Cdevido a menos necessidade de corte, a profundidade de campo permanecerá constante.)

No entanto, às vezes você deseja manter o enquadramento igual. Então, uma duplicação da distância focal corresponderá a uma duplicação da distância do assunto. Assim, x_d^2 / f^2permanece constante e Cpermanece constante também. No entanto, o dobro da distância focal dobrará Ne, assim, a profundidade de campo será dobrada com o mesmo enquadramento.

Portanto, TL; DR: depende se você mantém o enquadramento igual alterando a distância do assunto (DoF diferente), se você recorta (o mesmo DoF) ou se apenas aceita uma distância focal mais longa, obtém uma imagem diferente (DoF diferente, mas em a outra direção).

Você também deveria ter perguntado:

Como um teleconversor afeta o desfoque de fundo?

Isto é mais fácil. O tamanho do disco de desfoque de fundo (assumindo o fundo no infinito) é:

b = f * m_s / N = (f/N) * m_s

A abertura da abertura f/Né mantida por um teleconversor. m_sé a ampliação do objeto, ou seja, o tamanho do objeto no sensor dividido pelo tamanho real. Se você mantiver o enquadramento igual, m_spermanecerá constante e, portanto, com o enquadramento igual, o tamanho do disco de desfoque de fundo será constante.

No entanto, se você não mantiver o enquadramento igual, o teleconversor 2x dobrará m_s. Assim, você obterá mais desfoque de fundo.

Porém, se você mantiver a distância do assunto igual e cortar a imagem original em 2x e decidir que não precisa mais cortar devido ao teleconversor, ele m_sserá dobrado pelo teleconversor, mas devido a menos cortes, a largura / altura / a diagonal da peça do sensor realmente usada também é dobrada; portanto, borrar o tamanho do disco como uma porcentagem da diagonal da peça do sensor realmente usada permanece igual.

Portanto, TL; DR: depende aqui novamente se você mantém o enquadramento igual alterando a distância do assunto (mesma desfocagem), se você recorta (a mesma desfocagem) ou se apenas aceita uma distância focal maior e obtém uma imagem diferente (desfocagem diferente).

A resposta aceita é muito definitiva. Também está errado. Vamos primeiro declarar o que é correto aqui:

Versão TL; DR: os teleconversores não afetam a profundidade de campo a uma determinada distância.

Errado.

Eles literalmente transformam sua lente 300 f / 2.8 em uma lente 600 f / 5.6.

Corrigir.

Qualquer lente de 600 f / 5.6, teleconvertida ou não, terá a mesma profundidade de campo que uma lente de 300 f / 2.8.

Errado.

A profundidade de campo é determinada pela distância focal e pelo tamanho aparente do elemento frontal da lente.

Parcialmente certo, parcialmente errado. A geometria da cena e sua relação com a profundidade de campo são determinadas pelo tamanho aparente da pupila de entrada da lente. A pupila de entrada tem o tamanho aparente da abertura, como visto ao olhar para a lente frontal.

Seu diâmetro pode ser determinado dividindo a distância focal através do número da abertura.

E aqui chegamos ao erro fundamental na resposta aceita: a resposta assume que a geometria da cena é o único fator para a profundidade de campo. Não é. A profundidade de campo é definida como a distância em que você pode detectar a nitidez e a nitidez é definida pelo critério do "círculo de confusão". Se você usar o mesmo meio de projeção (o mesmo filme ou o mesmo sensor) e observar os resultados em uma escala em que a resolução da mídia define o círculo de confusão, a ampliação da representação da cena é muito relevante para a profundidade de campo resultante.

Se você usar a mesma lente com as mesmas configurações em um sensor de quadro completo de 40MP, sua profundidade de campo será (supondo que a lente produz nitidez no nível de pixel) será metade do que você obtém em um sensor de quadro completo de 10MP, mas o mesmo que o que você obteria em um sensor de fator de colheita 2 de 10MP. Ignorando a pixelização, as imagens parciais serão indistinguíveis.

Um teleconversor em flange em uma veia semelhante mantém a geometria da imagem: as colheitas serão indistinguíveis enquanto você ignorar a pixelização. No entanto, é a pixelização que define o círculo de confusão; portanto, com um teleconversor 2x, você normalmente obtém metade da profundidade de campo porque o pixel como principal contribuinte para o círculo de confusão agora cobre uma grade mais fina sobre o original cena.

Ao contrário da profundidade de campo, a quantificação do desfoque de fundo em termos do tamanho do pixel parece não sensorial, pois sua escala é mais relevante em relação à escala dos recursos do objeto ou ao tamanho do quadro. A relação com as características do objeto não é alterada pelo teleconversor; em relação ao quadro, sua extensão dobra, o que significa que a desfocagem em relação à imagem final é ampliada.

Resumindo: as coisas são complexas e menos intuitivas, mas já o são antes de adicionar o teleconversor à equação. Devido a essa complexidade, é necessário especificar com muito cuidado os valores dos quais você está se perguntando, pois eles costumam ser usados ​​coloquialmente de maneira intercambiável, mas se comportam de maneiras bem diferentes ao observar a geometria da cena, a geometria da imagem e a resolução do meio.

Você esta confuso:

Como a abertura não é fisicamente diferente, pergunto-me como isso afeta a profundidade de campo (e efeitos associados, como bokeh). Faz sentido que a profundidade de campo permaneça a mesma e que a imagem seja apenas cortada.

O corte de uma imagem só retém a mesma profundidade de campo quando feito fisicamente em uma impressão, resultando em um pedaço de papel menor, visualizado da mesma maneira que o papel original. Assim que você emprega qualquer tipo de ampliação para ver melhor os detalhes, a profundidade de campo (definida através do disco espalhado de nitidez que se torna discernível sob escrutínio) se torna menor. A única exceção é quando já existe um fator limitante absoluto visível, como granulação de filme ou tamanho de pixel.

Um teleconversor do lado da flange não altera o tamanho da pupila de entrada e, portanto, trabalha com a mesma cena, mas com uma colheita menor distribuída pelo sensor. Isso fornece menos luz por pixel (portanto, o dobro do número da abertura), mas devido a mais pixels do sensor com metade do tamanho do "círculo de confusão" e, portanto, metade da profundidade de campo. A menos que a qualidade ótica da lente já esteja no limite e os pixels adicionais não possam fornecer informações adicionais.

Um teleconversor do lado do filtro é um negócio diferente, pois aumenta o tamanho da pupila de entrada e, portanto, geralmente mantém o mesmo número de abertura. Portanto, a profundidade de campo fica menor tanto pela menor colheita resolvida no mesmo sensor quanto pela pupila de entrada maior que olha a cena.