Techniquement, pourquoi la zone floue est-elle plus floue lorsque vous utilisez une ouverture plus grande?

Je me demande, techniquement, pourquoi et comment les zones floues sont-elles plus floues lorsque vous utilisez une ouverture plus grande. Je pense que ça aiderait beaucoup si je présentais un problème qui me rendait fou depuis longtemps:

J'ai lu que le nombre f de l'œil humain varie d'environ f / 8,3 dans une lumière très vive à environ f / 2,1 dans l'obscurité. Mais d'après ce que j'ai testé, je vois toujours des zones floues avec la même quantité de flou.

Ce qui m'amène à me demander: comment fonctionne cette ouverture, pourquoi crée-t-elle un flou du point de vue technique, et s'applique-t-elle également aux yeux, ou s'agit-il simplement d'un «échec» dans les objectifs de l'appareil photo que nous sommes venus aimer et ne jamais vouloir "réparer"?

Je vais reprendre ma réponse à une question précédente sur l'ouverture :

Lorsque l'ouverture est très petite, la lumière admise est très "collimatée", ce qui est une façon élégante de dire "tous les rayons sont bien parallèles les uns aux autres". Il en résulte une mise au point nette pour toute la lumière qui entre. Lorsque l'ouverture est plus ouverte, seuls les rayons qui correspondent étroitement au point de mise au point sont collimatés - ce qui signifie que tout ce que vous avez mis au point est net, mais des parties plus éloignées ou plus proches de la scène sera de plus en plus floue.

Fondamentalement, plus l'ouverture est petite, plus la lumière est focalisée à exactement au point. Une ouverture plus grande laisse entrer plus de lumière, mais le "prix" est qu'elle est moins contrôlée.

Le schéma suivant de Wikimedia peut vous aider:

Sur la gauche, la grande ouverture se traduit uniquement par la carte center centrée et nette, rendue très nette. L'ouverture plus étroite à droite exclut la lumière moins collimatée des cartes floues ♠ et ♣, ce qui donne une image plus nette dans l'ensemble.

N'oubliez pas que les lignes pointillées rouges / vertes / bleues dans le diagramme tracent l'extérieur d'un cône de rayons lumineux. La lumière plus focalisée est également incluse dans l'image faite avec l'ouverture plus large sur la gauche, mais le capteur d'image (ou le film) ne peut pas déterminer lequel, donc le résultat est plus flou, sauf pour les rayons qui se trouvent être précisément au point focal.

Cela se produit sûrement aussi avec l'œil humain comme lentille. Je pense qu'il est vraiment difficile de contrôler votre expérience, car vous ne pouvez pas réellement prendre une photo pour la comparer côte à côte. Entre le soir et le midi - ou même pendant la demi-heure, il faut que vos yeux s'acclimatent à une pièce sombre - vous perdez le souvenir parfait de la quantité de flou. Ceci est encore compliqué par le fait que votre cerveau travaille très dur pour corriger tous les défauts des yeux et présente un modèle mental du monde entier parfaitement concentré. (C'est ce que la partie du cerveau du système de vision humaine ne .)

Il est très difficile de regarder un seul endroit; votre œil tourne inconsciemment et crée une image parfaite à partir d'une image qui n'est vraiment nette qu'au centre. Cela ajoute une autre complication énorme - non seulement le cristallin est un système relativement simple avec beaucoup d'aberrations, mais le capteur est irrégulier. Ou plutôt, c'est hautement spécialisé. La zone centrale est appelée fovéa , et son diamètre n'est que d'environ 1 mm - et la partie la plus pointue , la foveola , ne mesure que 0,2 mm. C'est de là que vient une vision vraiment nette. Mais cette zone ne contient pas de bâtonnets (les cellules sensibles à la lumière tamisée), donc cette zone nette n'est pas du tout impliquée lorsque vous êtes dans une lumière tamisée. Cela rend une comparaison simple avec les systèmes de caméras pratiquement impossible.

En plus de cela, il y a un autre défaut dans vos hypothèses de base - l'idée que l'œil humain voit le même flou de mouvement, quelle que soit la quantité de lumière. En fait, l'entrée est réellement intégrée au fil du temps, et la quantité de temps augmente en cas de faible luminosité . Et, "l'exposition" est en fait contrôlée d'une autre manière: la sensibilité est augmentée dans l'obscurité - l'équivalent efficace de l'auto-ISO.

Donc, pour en venir à la question directe: c'est la nature de l'optique, et donc cela s'applique aussi à nos yeux. Mais nos yeux sont un système différent de celui d'un appareil photo et d'un objectif. Le système de vision humaine comprend une lentille simple, un capteur compliqué, un post-traitement instantané très compliqué et un système de stockage et de récupération incroyablement compliqué. Un appareil photo utilise généralement un objectif sophistiqué, une matrice de capteur relativement simple et un post-traitement relativement simple (jusqu'à ce que la photographie informatique prenne tout son sens - que Lytro réussisse cette année ou quelqu'un d'autre dans cinq ans). Et le système de mémoire est parfait bit à bit - pas du tout comme la mémoire humaine.

Que cette différence soit quelque chose que nous «aimons» et que nous ne voulons pas corriger est une question d'interprétation. Certes, l'idée de profondeur de champ est dans notre vocabulaire artistique / visuel en tant que société; si cela restera ainsi dans cent ans, c'est une question de spéculation. Je suppose que oui , même si la technologie évolue.

Une caméra avec un type de capteur différent, comme celui utilisé dans le Lytro, peut en fait enregistrer la direction des rayons lumineux entrants. Ces données supplémentaires permettent à ces caméras de créer une image entièrement nette même avec une très grande ouverture. Mais ce n'est pas ainsi que la société Lytro le vend: au lieu de cela, leur gadget est des images sur lesquelles vous pouvez cliquer pour changer le point de focalisation calculé à la volée. Qu'ils ont choisi cette voie plutôt que le tout-

Pourquoi la grande ouverture brouille plus l'arrière-plan

Permettez-moi de commencer avec la figure de Wikipedia:

Ci-dessus, nous avons une grande ouverture. Seul le point 2 est au point. Les points 1 et 3 sont flous. En raison de la grande ouverture, les rayons qui en proviennent à travers différentes parties de l'objectif coupent l'écran 5 (un film ou un capteur numérique) en différents points. On peut aussi dire que ces rayons forment un point (intersection) avant (rouge) ou au-delà (vert) de l'écran. Les cônes de lumière correspondants se croisent avec l'écran et forment une image de type ellipse sur l'écran. Une ouverture plus large permet un cône de lumière plus large (il permet donc de collecter plus de lumière et de rendre plus flou).

En effet, un point flou produit un cercle de confusion. C'est ce que l'on peut appeler flou ou bokeh.

Pour une ouverture plus petite en dessous, les rayons trop éloignés du centre sont coupés, de sorte que le cercle du point flou est plus petit.

Si le cercle de confusion est plus petit que le grain du film ou le sous-pixel du capteur, nous ne pouvons pas dire s'il est flou du tout, puis le point apparaît comme net même s'il ne l'est pas. Ainsi, avec une ouverture finie, il existe une gamme de distances qui apparaissent toutes comme nettes. La profondeur de cette plage est appelée la profondeur de champ (DoF). Il est plus grand pour les petites ouvertures.

Si l'ouverture est vraiment, vraiment petite, alors seuls les rayons centraux peuvent passer, et nous avons une profondeur de champ infinie quoi qu'il arrive. Chaque point, proche ou éloigné, est représenté comme un point sur l'image. Voici comment fonctionne la caméra sténopé . L'ouverture réglable permet d'avoir n'importe quoi entre les deux.

À quoi ça ressemble

À une ouverture plus petite f / 32 :

À une ouverture plus grande f / 5 , un arrière-plan flou est plus flou:

(les images sont à nouveau de Wikipedia)

Les rayons lumineux arrivant du sujet focalisé sont réfractés lorsqu'ils traversent l'objectif et frappent le capteur (film). Les rayons provenant d'un seul point forment un cône dont la base est le cercle ouvert dans la lentille. Plus l'ouverture est grande, plus la base du cône est grande. Ensuite, un cône secondaire se forme et les rayons se rencontrent à nouveau au point focal.

Les rayons provenant de sujets qui sont à une distance différente de l'objectif forment des cônes de différentes longueurs (hauteurs, pour être plus précis). Pour les cônes plus longs (objets au-delà du sujet focalisé), les cônes secondaires sont plus courts. Pour les cônes plus courts (objets devant), le cône secondaire est plus long. La longueur du cône secondaire est déterminée par la longueur du cône primaire.

Pour cette raison, lorsque la lumière d'un point sur l'objet non focalisé s'approche du capteur, l'image est un petit cercle, plutôt qu'un seul point (c'est vraiment plus une ellipse mais laisse négliger cela).

Lorsque l'ouverture devient plus grande, la base des deux cônes devient plus grande, et donc leur angle de tête. La longueur restant inchangée, le cercle d'image s'agrandit. C'est pourquoi vous obtenez plus de flou lorsque l'ouverture est plus large.

Pour référence, et un schéma qui explique vraiment tout le mambo-jumbo ci-dessus, lisez cet article .

Les autres réponses associent à tort l'effet de flou à certaines propriétés de l'objectif. Vous n'avez rien à supposer de la façon dont l'image est formée par l'objectif ou même de l'existence d'un objectif.

La scène semble simplement légèrement différente de différents endroits à travers l'ouverture.

Comme vous pouvez le voir sur l'image, si vous choisissez de garder l'objet rouge dans la même position pour chaque point d'ouverture, il n'y a aucun moyen que l'objet vert puisse rester dans la même position. Cela crée un flou, car l'image finale combine toutes ces vues individuelles.

Cela signifie que théoriquement (et en ignorant la diffraction) le seul cas où tout peut être net est le trou d'épingle, créant l'image à partir d'un seul point. Dans la vie réelle, une ouverture petite mais pas ponctuelle est meilleure, en raison de la diffraction et de l'augmentation de la quantité de lumière, mais c'est une autre question.

Poursuivant le sujet, «qui» sélectionne réellement ce qui est mis au point?

Pourquoi l'objet rouge et non le vert? La géométrie détermine uniquement qu'ils ne peuvent pas être à la fois au point et la quantité de défocalisation dépend de l'ouverture et c'est la raison fondamentale de l'effet DOF.

Comment l'image finale est-elle combinée à partir de vues partielles? Cela dépend du périphérique "boîte bleue". Dans la vraie vie, la "boîte bleue" est bien sûr l'objectif. Jusqu'à présent, nous prétendions ne rien savoir de la manière dont l'image est combinée afin de montrer que le phénomène de flou émerge de la géométrie et non des propriétés de l'objectif .

Mais il n'est pas nécessaire que ce soit l'objectif. Au lieu de cela, nous pourrions placer des milliers d'enregistreurs d'images à sténopé à travers la surface de l'ouverture et acquérir des milliers d'images individuelles. Ensuite, en superposant simplement ces images, nous obtenons le même effet DOF - en fonction uniquement de l'ouverture. Et contrairement à l'objectif, nous pourrions alors superposer les mêmes images différemment, en gardant l'objet vert immobile (ce qui rendrait flou le rouge, évidemment).

Lorsque la lumière frappe le capteur, elle crée un point de la même forme que l'ouverture mais à une taille dépendant de la distance réelle de l'objet source par rapport au plan de mise au point. Si l'ouverture est un cercle, vous obtenez un cercle, si l'ouverture est carrée, vous obtenez un carré. Plus l'ouverture est grande, plus la forme est grande, donc elle chevauchera plus avec les formes voisines et vous donnera plus de flou.

Lorsque vous vous approchez du plan focal, la taille de la forme projetée dans le capteur est si petite qu'elle ne se distingue pas d'un point. Ces distances définissent la profondeur du champ.

Votre œil fonctionne exactement de la même manière, mais je ne ferais pas confiance à ce que vous voyez car le cerveau fait un traitement fou! Vous ne voyez que les détails dans un petit endroit au centre de chaque œil. Votre cerveau déplace chaque œil très rapidement pour «scanner» la scène et la reconstitue sans que vous le sachiez!

Vois-le de cette façon. Avec une ouverture suffisamment petite, vous n'avez même pas besoin d'un objectif! C'est ce qu'on appelle une caméra sténopé.

Une lentille concentre les objets à une distance particulière, car elle fonctionne en courbant la lumière.

Un sténopé (au moins un idéal) fonctionne en cartographiant des points de lumière sous différents angles avec des angles correspondants sur le film, quelle que soit la distance. (Les vrais trous d'épingle ont des limites. Un trou d'épingle trop petit diffusera simplement la lumière en raison de la diffraction.)

Une ouverture devant une lentille apporte certaines des caractéristiques du trou d'épingle. Plus l'ouverture est petite, plus vous transformez efficacement votre appareil photo en sténopé. Cela apporte l'avantage d'une grande profondeur de champ, mais aussi certains des inconvénients du sténopé: moins de puissance de collecte de lumière, artefacts de diffraction à des nombres d'arrêt f très élevés.

Ce n'est pas une explication technique, mais c'est de l'expérience. Le texte suivant est copié du livre de Ben Long Photographie numérique complète:

Si vous êtes assez myope pour avoir besoin de lunettes, essayez cette petite expérience rapide de profondeur de champ. Retirez vos lunettes et enroulez votre index contre votre pouce. Vous devriez être capable de boucler votre doigt suffisamment pour créer un tout petit trou dans la courbe de votre index. Si vous regardez à travers le trou sans vos lunettes, vous constaterez probablement que tout est net . Ce trou est une toute petite ouverture et offre donc une profondeur de champ très profonde, suffisamment profonde , en fait, pour qu'il corrige votre vision. En revanche, il ne laisse pas passer beaucoup de lumière, donc à moins que vous ne soyez en plein jour, vous ne pourrez peut-être pas voir assez bien pour déterminer s'il est au point. La prochaine fois que vous serez confus sur le rapport entre l'ouverture et la profondeur de champ, souvenez-vous de ce test

J'ai essayé ça, et ça marche vraiment. Essayez de regarder du texte à environ 100 mètres de vous. Je porte des lunettes à courte vue.

Le flou est plus important car la réponse impulsionnelle du système optique est modifiée de manière défavorable en utilisant une ouverture plus grande. Cependant, si l'ouverture est réduite (nominalement f / 11 ou f / 16 dans certains objectifs), la dégradation due aux effets de diffraction devient plus dominante. Il y a donc une ouverture optimale, qui se situe quelque part entre une réponse impulsionnelle idéale et les limites de diffraction d'un objectif.

La fonction d'étalement du point est la fonction de transfert optique, qui est la transformée de Fourier de la fonction de réponse impulsionnelle optique.

La MTF (fonction de transfert de modulation) est similaire à l'OTF, sauf qu'elle ignore la phase. Dans les applications photographiques non cohérentes, elles peuvent être considérées comme assez similaires.

Essentiellement, la fonction d'étalement des points OTF, MTF, décrit la réactivité du système optique.

Lorsqu'un objectif est grand ouvert, le chemin de la lumière a plus de variabilité dans le chemin, de sorte que hors du point de mise au point exact, il a une fonction d'étalement de point plus grande qui, en se convoluant avec l'image, devient le flou.

Voici une réponse que j'ai récemment fournie à une question similaire. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

La profondeur de champ est un phénomène de perception qui prend en compte le HVS (système visuel humain). C'est vraiment un jeu de "combien de flou pouvons-nous avoir jusqu'à ce qu'il devienne répréhensible?" Il n'y a qu'un "plan" (généralement un segment de sphère) qui est au point. À ce stade, le système d'imagerie fonctionne conformément aux pertes telles que l'atmosphère et la MTF (fonction de transfert de modulation) de la lentille.

Lorsqu'un objet se déplace hors de ce plan, il devient immédiatement «flou» et il existe une fonction d'étalement ponctuel qui décrit un disque en croissance qui se trouve dans certains cercles (sans jeu de mots) appelé «cercle de confusion».

Des ouvertures plus petites employant des parties centrales de la lentille, la lumière suit un chemin plus court (et plus cohérent) à travers la lentille. Cela permet de réduire la fonction d'étalement des points qui décrit le cercle de confusion (et pas toujours un cercle). La fonction d'étalement ponctuel d'un système optique est également appelée réponse impulsionnelle.

L'image résultante est celle qui est la convolution de l'image cible et la fonction d'étalement de points. Au moins pour l'imagerie non cohérente. La perception de la profondeur de champ est donc linéaire avec le diaphragme et la distance focale.

Malheureusement, la profondeur de champ a ses limites, et une très très petite ouverture ne fournira pas une profondeur de champ presque infinie, car la diffraction joue un plus grand rôle, en brouillant l'image, car l'ouverture devient plus petite.

Donc, ce qui se passe vraiment avec la profondeur de champ, c'est que les objets ne sont pas vraiment focalisés hors du plan focalisé, mais le flou est plutôt considéré comme négligeable. Pensez-y de cette façon: une photo miniature peut sembler claire, mais si elle est agrandie pour être une photo de 8 x 10 ", elle peut être floue de manière inacceptable. La profondeur de champ acceptable est donc une détermination de l'effet de l'impact d'une image non focalisée sur le observateur, compte tenu du système optique (atmosphères, lentille, capteur / film et processus de rendu / impression) et de la perspective de perception (quelle est la taille de l'image vue).

Dans une application pratique, un réglage dit hyper-focal sur un objectif, peut donner une image acceptable d'une scène vue sur un écran ou une impression de petit format, mais une fois agrandi ou agrandi, il donnera une apparence plus floue comme dans la réalité n'est pas complètement mise au point à travers la «profondeur de champ».

Les commentaires sont les bienvenus, et je peux peut-être réécrire les deux réponses pour qu'elles soient plus universelles afin de répondre à cette question courante.