¿Por qué la profundidad focal afecta la profundidad de campo?

A medida que disminuye la distancia focal, también aumenta la profundidad de campo. ¿Por qué es esto? No estoy tan interesado en una lección de física como estoy interesado en una explicación simple y realista.

Estoy bastante seguro de que respondí esto antes, pero no puedo encontrarlo.

• A medida que la distancia focal se alarga, el ángulo de visión se reduce.
• Con un ángulo de visión más pequeño, los rayos que forman la imagen están más cerca de ser paralelos.
• Con menos variación de ángulo entre los rayos, la luz tiene que viajar más antes de estar lo suficientemente desenfocada.

Esto está un poco simplificado, pero espero que sea fácil de visualizar al menos.

Para esta discusión, la apertura debe considerarse igual, ya que la variación que estamos discutiendo es la distancia focal.

Entonces, un teleobjetivo enfocado en el mismo sujeto desde la misma distancia que un lente gran angular tendrá una profundidad de campo menor como resultado de una mayor ampliación, pero como resultado el ángulo de visión entre las dos imágenes es muy diferente. Un teleobjetivo y un lente gran angular enfocados en el mismo sujeto con el mismo ángulo de visión tendrán la misma profundidad de campo (hay variación pero es insignificante).

La diferencia aquí? Punto de vista. Entonces, se trata de su distancia al sujeto, realmente, no específicamente la distancia focal. Varíe la distancia para acomodar las diferencias en la distancia focal y la profundidad de campo sigue siendo prácticamente la misma. Sin embargo, lo que sí cambia son las relaciones de primer plano y de fondo. Los ángulos más amplios tienden a tener más fondo enfocado y las telefotos tienden a tener más primer plano. El resultado de este comportamiento puede crear una ilusión de menor profundidad ya que el teleobjetivo aumentaría el desenfoque del fondo. Esa es una razón por la que los fotógrafos de paisajes no se quedan atrás con un teleobjetivo (la neblina y otros factores también jugarían un papel, probablemente de manera más significativa).

Puede probar mi información en varios sitios que ofrecen una calculadora DoF como DOFMaster, por ejemplo. Por ejemplo: para una distancia de 10 m (@ f / 8) entonces 10 mm DoF = Infinito y 100 mm DoF = 3.08m. Ahora, mueva la lente de 100 mm a 100 m (10 veces más lejos) y el DoF de 100 mm ahora es igual a infinito. El ángulo de visión de la lente de 100 mm es ahora el mismo que la lente de 10 mm.

En resumen, los lentes gran angular no tienen más profundidad de campo que los teleobjetivos y esto se demuestra al mostrar ambos el mismo DoF para el mismo ángulo de visión.

Puede obtener algunas explicaciones más detalladas (y no orientadas a las matemáticas) en Cambridge en Color y Luminous Landscape . El segundo enlace también tiene imágenes de muestra, algo útil para verlo visualmente.

La profundidad de campo solo se ve afectada por el tamaño real de la abertura, pero el tamaño real de la abertura no se detiene. Cuando decimos "apertura" en realidad queremos decir "relación de apertura" o "f-stop", no el tamaño de apertura.

Esta "relación de apertura" es lo que se requiere para calcular el brillo de la imagen, pero el tamaño de apertura real es necesario para calcular la profundidad de campo.

Para cualquier valor de f-stop dado, cuanto mayor sea la longitud focal, mayor será el tamaño de apertura real en mm .

F stop es la relación entre la apertura y la distancia focal y se calcula mediante f-stop = focal-length / aperture.

Para obtener el tamaño de apertura real de un f-stop ... aperture-size = (1 / f-stop) * focal-length

Entonces, para una lente f1.4 de 50 mm ... tamaño de apertura real = 1 (1.4 * 50) = tamaño de apertura de 35 mm.

El tamaño de la abertura es el tamaño del agujero por el que pasa la luz. Para construir una lente f1.4 de 100 mm, se requiere una apertura de 70 mm, lo que hace una lente de diámetro realmente grande.

Por lo tanto, cuanto mayor sea la apertura real, menor será la profundidad de campo, y para cualquier valor de f-stop dado, mayor será la distancia focal, mayor será la apertura de apertura real utilizada.

F-stop se inventó para facilitar el cálculo del brillo de la exposición, pero en realidad complica el cálculo de la profundidad de campo. Pero antes de las cámaras automáticas, calcular el f-stop y la velocidad de obturación deseados era factible, ¡pero habría sido un verdadero dolor trabajar con el tamaño de apertura real!

Nota: Como algunas otras respuestas han discutido, a medida que aumenta la distancia a un sujeto, entonces la luz de ese sujeto será más paralela. Esto significa que cuanto más lejos esté un sujeto, mayor será la profundidad de campo. Esto contrarrestará el efecto de la lente más larga con el mismo f stop que tiene una profundidad de campo menor. Considere las lentes f1.4 de 50 mm y 100 mm. El 100 mm tiene un mayor tamaño de apertura en mm, pero si tiene que alejarse 2 veces más para tomar la foto, la mayor distancia contrarrestará el mayor tamaño de apertura real y la profundidad de campo será similar a la utilización de la lente de 50 mm a una distancia más cercana .

¿Por qué las lentes más largas tienen dof menos profundos ... en resumen, porque requieren aberturas físicamente más grandes para mantener el mismo número de f-stop. (recuerde, el valor de parada f "f" = longitud focal / apertura.

Comencemos pensando en una verdadera cámara estenopeica. No tiene lente, por lo que no tiene una distancia focal y requiere un agujero muy pequeño para hacer una imagen enfocada decente. Si el pinhole es demasiado grande, entonces nada estará enfocado. (es decir, dof muy superficial!)

Ahora, si colocamos una lente frente a nuestra caja de agujeritos, necesitamos abrir un poco la apertura para dejar pasar suficiente luz, sin diframar nuestra imagen. (recuerde que tenemos que mantener enfocada la imagen y las leyes de la física establecen las longitudes de onda de la luz).

Entonces, a medida que la lente se alarga (mientras se proyecta sobre el mismo sensor) se vuelve proporcionalmente más estrecha en términos de su longitud en relación con el tamaño de su extremo posterior. (recuerde el sensor del mismo tamaño): esto hace que la lente sea más oscura. Por lo tanto, para que sea comparable a la capacidad de captura de luz de la lente más corta (es decir, el mismo f = valor de parada), se debe aumentar la apertura (para dejar pasar más luz al sensor) en proporción al cambio de longitud.

A medida que esto progresa, el tamaño físico de la abertura (en mm) aumenta en relación con el tamaño del sensor. Entonces (recuerde el agujero de alfiler de gran tamaño) es mucho más difícil mantener las cosas enfocadas. Por lo tanto, las lentes fl más largas con aperturas amplias son complejas, generalmente de gran tamaño y, a menudo, mucho más caras.

¡Esta es una gran pregunta! He estado en esto por más de 65 años y todavía tengo que leer lo que creo que es una respuesta respetable. Con este fin, desafío a mis compañeros a publicar una buena explicación.

Pero espera, creo que he tenido la iluminación, de todos modos déjame intentarlo.

La lente proyecta una imagen del mundo exterior sobre la superficie de la película o el sensor digital. Si examina detenidamente esta imagen, encontrará que consta de innumerables círculos, cada uno de los cuales varía en intensidad y color. Cuando observemos o capturemos esta imagen, parecerá uniforme y pegajosa solo si estos círculos son demasiado pequeños para ser percibidos. Estamos hablando de círculos de confusión. Llamado así, porque bajo el microscopio son vistos como mal definidos y se superponen. Sin embargo, cuando se ve desde una distancia adecuada, reconocemos que se fusionan para formar una imagen atractiva.

Cuando pensamos en el tamaño de estos círculos, tarde o temprano, amanece que el diámetro de trabajo del diafragma del iris (la apertura) establecerá el escenario en cuanto a qué tan grandes son estos círculos cuando se proyectan en la superficie en el plano focal de nuestro cámara.

Ahora sabemos que si configuramos nuestra cámara en f / 11 o f / 16 o f / 22, estamos reduciendo el diámetro de trabajo de la apertura de la cámara. Al hacerlo, ganamos profundidad de campo porque el resultado son círculos más pequeños de confusión. Ahora el número f y la distancia focal están entrelazados. El número f se obtiene dividiendo la distancia focal entre el diámetro de trabajo de la lente. Supongamos que monta un 50 mm y establece el número f en f / 16. El diámetro de apertura de trabajo es 50 ÷ 16 = 3.125 mm. Tal amarre ofrece una profundidad de campo respetable, porque los círculos de confusión en el plano de la imagen serán pequeños, siempre que la cámara esté enfocada con precisión.

Ahora cambie a un gran angular de 28 mm. Si la velocidad de obturación y el ISO se mantienen constantes, el mismo ajuste de apertura de f / 16 hace este acto. Sin embargo, ¿qué ha sucedido con el diámetro de trabajo del diafragma del iris para lograr f-16? El diámetro de trabajo revisado se convierte en 28 ÷ 16 = 1.75 mm.

Es así de simple: una distancia focal más corta en el mismo número f produce una apertura de trabajo más pequeña, y esto da como resultado un círculo de confusión más pequeño, por lo que el alcance de la profundidad de campo se expande.

Todo tiene ventajas y desventajas. Si el diámetro de trabajo se vuelve súper pequeño, el resultado será una profundidad de campo infinita. Lo negativo es: los demonios gemelos de difracción e interferencia intervienen y la imagen se degrada.

Factorial: la nitidez máxima se producirá cuando el objetivo de la cámara se detenga aproximadamente a dos pasos del máximo (completamente abierto).

Una explicación bastante simple pero buena es la siguiente:

• Cuando aumenta la distancia focal, en realidad hacemos un acercamiento y, por lo tanto, el campo de visión (el área que cabe en el marco) será más pequeño.

• Esto hará que se proyecte menos área detrás del sujeto en el sensor de la cámara.

• Dado que el tamaño del sensor de la cámara es el mismo, esto significa que los objetos fuera de foco del fondo se estirarán más para llenar el área del sensor. En otras palabras, esos objetos muy borrosos en el fondo (que no están en el rango de enfoque en ninguno de los casos de distancia focal) se verán más borrosos a medida que se amplíen / estiren más.

Tenga en cuenta que para tener el mismo tamaño de imagen de un objeto en el cuadro cuando duplicamos la distancia focal, también debemos duplicar la distancia al sujeto. Aunque, esto no importa directamente aquí, pero esto solo es necesario para una mejor comparación. De todos modos, el fondo será más borroso con mayor f.