技術的には、大きな開口部を使用すると、焦点が合っていない領域がよりぼやけているのはなぜですか？

技術的には、より大きな絞りを使用すると、焦点が合っていない領域がなぜ、どのようにぼやけるのか疑問に思っています。私は長い間私を夢中にさせていた問題を提示した場合、それは大いに役立つと思います：

人間の目のf値は、非常に明るい光でのf / 8.3から暗闇でのf / 2.1まで変化することを読みました。しかし、私がテストしたことから、私は常に同じ量のブラーで焦点が合っていない領域を見ます。

それは私に尋ねるに至ります：この口径物はどのように機能するのか、なぜそれが技術的な観点からぼやけを生み出し、それが目にも当てはまるのか、それとも私たちが来たカメラレンズの単なる「失敗」なのか好きで、「修正」したくない？

開口部に関する以前の質問への回答から、私はベビーベッドに行きます：

開口部が非常に小さい場合、許容される光は高度に「コリメート」されます。これは、「すべての光線が互いに十分に平行である」と言うのが素晴らしい方法です。これにより、入射するすべての光の焦点がシャープになります。開口部が開くと、焦点にぴったり一致する光線のみがコリメートされます。シーンのぼやけがますます大きくなります。

基本的に、口径が小さいほど、光の焦点がより厳密に制限されます。より大きな開口部はより多くの光を取り入れますが、「価格」はそれがあまり制御されないということです。

ウィキメディアの次の図が役立つかもしれません：

左側では、開口部が広いため、中央の集中した♡カードのみが鮮明にレンダリングされます。右側のより狭い開口部は、焦点が合っていない♠および♣カードからのコリメートされていない光を排除し、全体的に鮮明な画像をもたらします。

図の赤/緑/青の点線は、光線の円錐の外側をトレースしていることに注意してください。より焦点の合った光は、左のより広い開口で作られた画像にも含まれますが、イメージセンサー（またはフィルム）はどち​​らがどれであったかを判断できないため、結果として生じる光線を除いて、よりぼやけます正確に焦点で。

これは、レンズとしての人間の目でも確かに起こります。実際に写真を撮って並べて比較することはできないため、実験を制御するのは本当に難しいと思います。夕方から正午までの時間、あるいは30分でも暗い部屋に順応するには目が必要になりますが、どれだけぼけがあったかという完璧な記憶を失います。これは、あなたの脳が目からのすべての欠陥を修正するために非常に懸命に働いており、全世界の精神モデルを完璧に焦点を合わせて提示しているという事実によってさらに複雑です。（それが人間の視覚システムの脳の部分がすることです。）

1つのスポットだけを見るのは非常に困難です。あなたの目は無意識のうちに動き回って、真ん中が本当にシャープなものから完璧な画像を作ります。これは別の巨大な複雑さを追加します-目のレンズは多くの収差を持つ比較的単純なシステムであるだけでなく、センサーは不規則です。むしろ、非常に専門的です。中央エリアと呼ばれる中心窩を、それが唯一の直径は約1mmだ-と最もシャープな部分、小窩、唯一の0.2ミリメートルです。そこから本当に鋭いビジョンが生まれます。ただし、この領域にはrod体（薄明かりに敏感な細胞）が含まれていないため、薄明かりのときはこの鋭い領域はまったく関与しません。これにより、カメラシステムとの単純な比較は基本的に不可能になります。

それに加えて、基本的な前提に別の欠陥があります。光の量に関係なく、人間の目は同じ量のモーションブラーを見るという考えです。実際には、入力は時間の経過とともに実際に統合され、時間の長さは低い光レベルで増加します。また、「露出」は実際には別の方法で制御されます。暗闇では感度が向上します。これは、自動ISOと同等の効果があります。

それで、直接の質問にたどり着くために：それは光学の性質であり、そしてそれは私たちの目にも当てはまります。しかし、私たちの目は、カメラやレンズとは異なる種類のシステムです。人間の視覚システムは、単純なレンズ、複雑なセンサー、非常に複雑な瞬間的な後処理、および非常に複雑な保管および検索システムを備えています。カメラは通常、洗練されたレンズ、比較的単純なセンサーマトリックス、および比較的単純な後処理を使用します（計算写真が登場するまで-Lytroが今年成功するか、5年後の誰かが成功するかは関係ありません）。また、メモリシステムはビット単位で完璧です。少なくとも人間のメモリとは異なります。

この違いが私たちが「好き」で修正したくないものであるかどうかは、解釈の問題です。確かに、被写界深度の概念は、社会としての芸術的/視覚的語彙にあります。それが100年後にそのようにとどまるかどうかは推測の問題です。テクノロジーが変化しても、私の推測はイエスです。

Lytroで使用されているような、異なるタイプのセンサーを備えたカメラは、実際に入射光線の方向を記録できます。この追加データにより、これらのカメラは、非常に大きな絞りでも完全にシャープな画像を作成できます。しかし、それはLytro社が販売している方法ではありません。代わりに、彼らの仕掛けは、クリックしてその場で計算された焦点を変更できる画像です。彼らがすべてではなくこのルートを選んだこと

広い開口部が背景をよりぼやけさせる理由

ウィキペディアの図から始めましょう。

上には、大きく開いた開口部があります。ポイント2のみに焦点が合っています。ポイント1と3は焦点が合っていません。口径が広いため、レンズのさまざまな部分を通過する光線は、さまざまなポイントでスクリーン5（フィルムまたはデジタルセンサー）と交差します。また、これらの光線は画面の前（赤）または画面の向こう（緑）に点（交差）を形成することもわかります。対応する光の円錐は画面と交差し、画面上に楕円のような画像を形成します。開口部が広いほど、光の円錐が広くなります（したがって、より多くの光を集めて、よりぼやけます）。

事実上、焦点が外れると混乱の輪が生じます。これは、ぼかしまたはボケと呼ぶことができます。

下の開口が小さい場合、中心から離れすぎた光線はカットされるため、焦点が合っていない円は小さくなります。

錯乱円がフィルムグレインまたはセンサーサブピクセルよりも小さい場合、焦点が合っていないかどうかはわかりません。そうでない場合でも、焦点が合っているように見えます。したがって、有限の開口部では、焦点が合っているように見える距離の範囲があります。この範囲の深さは被写界深度（DoF）と呼ばれます。開口が小さいほど大きくなります。

開口部が本当に非常に小さい場合、中心光線のみが通過でき、被写界深度は何であれ無限になります。近距離または遠距離のすべてのポイントは、画像上のポイントとして表されます。これがピンホールカメラの仕組みです。調整可能な開口部により、間に何でも入れることができます。

どのように見えるか

絞りf / 32が小さい場合：

より大きな絞りf / 5では、焦点が合っていない背景がよりぼやけます：

（画像は再びウィキペディアからのものです）

焦点が合った被写体から届く光線は、レンズを通過してセンサー（フィルム）に当たると屈折します。単一の点から発する光線は、レンズの白丸である円錐を形成します。開口部が大きいほど、コーンの底部が大きくなります。次に、2次コーンが形成され、光線は焦点で再び合流します。

レンズから異なる距離にある被写体から発する光線は、異なる長さ（より正確には高さ）の円錐を形成します。長いコーン（焦点の合った被写体を超えたオブジェクト）の場合、セカンダリコーンは短くなります。短いコーン（その前にあるオブジェクト）の場合、セカンダリコーンは長くなります。セカンダリコーンの長さは、プライマリコーンの長さによって決まります。

そのため、焦点の合っていない物体上の点からの光がセンサーに近づくと、画像は単一の点ではなく小さな円になります（実際は楕円に近いですが、無視してください）。

開口部が大きくなると、2つのコーンの底部が大きくなるため、頭の角度が大きくなります。長さが変わらないため、イメージサークルは大きくなります。これが、絞りが広いほどぼやける理由です。

参考のため、および上記のすべてのマンボジャンボを実際に説明する概略図については、この記事をお読みください。

他の答えは、ぼかし効果をいくつかのレンズプロパティに誤って関連付けます。レンズによって画像がどのように形成されるか、あるいはレンズが存在するかどうかについて何も仮定する必要はありません。

シーンは、開口部の異なる場所とはわずかに異なるように見えます。

写真でわかるように、各開口点で赤いオブジェクトを同じ位置に維持することを選択した場合、緑のオブジェクトが同じ位置にとどまる方法はありません。これにより、最終的な画像がこれらすべての個々のビューを結合するため、ぼやけが生じます。

これは、理論的には（回折を無視して）すべてがピントできる唯一のケースがピンホールであり、単一点から画像を作成することを意味します。実際の生活では、回折と光量の増加のために、小さいが点状ではない開口の方が優れていますが、それは別の問題です。

さらに主題を追求すると、「誰」が実際に焦点を合わせていますか？

緑色のオブジェクトではなく、赤色のオブジェクトが必要なのはなぜですか？ジオメトリは、焦点を合わせることができないと判断するだけで、焦点ぼけの量は開口に依存します。これがDOF効果の基本的な理由です。

部分ビューから最終的な画像が実際にどのように結合されますか？これは「ブルーボックス」デバイスに依存します。実際には、「青い箱」はもちろんレンズです。これまで、焦点が合っていない現象がレンズの特性からではなく、ジオメトリから生じることを示すために、画像がどのように結合されるかについて何も知らないふりをしました。

しかし、レンズである必要はありません。代わりに、開口面に数千のピンホール画像レコーダーを配置し、数千の個別画像を取得する場合があります。次に、これらの画像を単にオーバーレイするだけで、純粋に絞りに応じて同じDOF効果が得られます。そして、レンズとは異なり、同じ画像を異なる方法でオーバーレイし、緑のオブジェクトを静止させたままにします（明らかに赤のオブジェクトがぼやけます）。

光がセンサーに当たると、アパーチャと同じ形状のスポットが作成されますが、サイズは焦点面からの光源オブジェクトの実際の距離に依存します。開口部が円形の場合、円形になり、開口部が正方形の場合、正方形になります。開口部が大きいほど、形状が大きくなります。したがって、隣接する形状とより重なり合い、ブラーが大きくなります。

焦点面に近づくと、センサーに投影される形状のサイズが非常に小さくなり、ドットと区別できなくなります。これらの距離は、フィールドの深さを定義します。

あなたの目はまったく同じように機能しますが、脳が途方もない量の処理を行うので、私はあなたが見ているものを信用しません！各目の中央にある小さなスポット内でのみ詳細が表示されます。あなたの脳は各目を非常に素早く動かしてシーンを「スキャン」し、知らないうちにすべてをつなぎ合わせます！

このように見てください。十分に小さい開口部では、レンズさえ必要ありません！それはピンホールカメラと呼ばれます。

レンズは、光を曲げることによって機能するため、特定の距離にある物体に焦点を合わせます。

ピンホール（少なくとも理想的なもの）は、距離に関係なく、異なる角度からの光の点をフィルム上の対応する角度にマッピングすることにより機能します。（実際のピンホールには制限があります。ピンホールが小さすぎると、単に回折のために光が散乱します。）

レンズの前にある開口部は、ピンホールのいくつかの特性をもたらします。絞りを小さくするほど、カメラを効果的にピンホールカメラに変えることができます。これにより、被写界深度が広いという利点がもたらされますが、ピンホールの短所もいくつかあります。つまり、集光力が低く、fストップ値が非常に高い場合の回折アーチファクトです。

これは技術的な説明ではありませんが、実験です。次のテキストは、Ben Longの著書Complete digital photographyからコピーされています。

メガネが必要なほど近視の場合は、この簡単な被写界深度の短い実験を試してください。メガネを外し、人差し指を親指で曲げます。人差し指の曲線に小さな小さな穴を開けるのに十分なほど指を強くカールできる必要があります。メガネをかけずに穴を通して見ると、おそらくすべてに焦点が合っていることがわかります。この穴は非常に小さな開口であるため、非常に深い被写界深度を提供します。実際、十分に深く、視力を矯正できます。欠点は、多くの光を透過させないため、明るい日光の下にいない限り、焦点が合っているかどうかを判断するのに十分なものが見えない可能性があることです。絞りが被写界深度にどのように関係するかについて混乱しているときは、このテストを覚えておいてください

私はこれを試してみましたが、実際に機能します。あなたから約100m離れたテキストを見てみてください。私は近視眼鏡をかけています。

光学系のインパルス応答は、より大きな開口を使用することにより逆に変更されるため、ぼやけは大きくなります。ただし、開口部を小さくすると（一部のレンズでは通常f / 11またはf / 16）、回折効果による劣化がより顕著になります。したがって、理想的なインパルス応答とレンズの回折限界の間にある最適な開口部があります。

点像分布関数は光学伝達関数であり、光学伝達関数は光学インパルス応答関数のフーリエ変換です。

MTF（変調伝達関数）はOTFと似ていますが、位相を無視する点が異なります。非コヒーレント写真アプリケーションでは、それらは非常に類似していると考えることができます。

基本的に、OTF、MTF、ポイントスプレッド関数は、光学システムの応答性を表します。

レンズが大きく開いている場合、光の経路は経路の変動性が大きくなるため、正確な焦点から外れると、画像と畳み込まれるにつれてぼやけてしまう点広がり関数が大きくなります。

以下は、私が最近同様の質問に提供した回答です。https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

被写界深度は、HVS（人間の視覚システム）を考慮した知覚現象です。それは本当に「不愉快になるまでどれだけのぼけができるのか」というゲームです。焦点が合っているのは1つの「平面」（通常は実際には球体のセグメント）のみです。その時点で、イメージングシステムは大気やレンズのMTF（変調伝達関数）などの損失に従って動作します。

オブジェクトがその平面から移動すると、すぐに「焦点がずれ」、「円の混乱」と呼ばれる円の中にある成長円盤を記述する点広がり関数があります。

レンズの中央部分を使用するより小さな開口は、レンズを通るより短い（そしてより一貫した）経路をとる光を持っています。これは、混乱の輪（必ずしも円ではない）を表す点広がり関数を減らすのに役立ちます。光学システムの点広がり関数は、インパルス応答とも呼ばれます。

結果として得られる画像は、ターゲット画像と点広がり関数の畳み込みの画像です。少なくとも非コヒーレントイメージングの場合。そのため、被写界深度の知覚は、fストップと焦点距離に比例します。

残念ながら、被写界深度には限界があり、非常に小さい開口では、無限に近い被写界深度は得られません。これは、開口が小さくなるにつれて回折が画像をぼかす際に大きな役割を果たすためです。

したがって、被写界深度で実際に起こるのは、オブジェクトが実際に焦点の合った平面から焦点が合っていないということです。むしろ、ぼかしは無視できると考えられます。このように考えてみてください。サムネイル写真は鮮明に見えるかもしれませんが、8x10インチの写真に拡大すると、許容できないほどあいまいになる場合があります。光学系（大気、レンズ、センサー/フィルム、レンダリング/印刷プロセス）および知覚の視点（表示された画像の大きさ）を与えられた観察者。

実際の用途では、レンズのいわゆるハイパーフォーカル設定は、小さなフォーマットのディスプレイまたは印刷で見たときにシーンの許容可能な画像を提供しますが、消費または拡大すると、よりぼやけた外観になります「被写界深度」を通して完全に焦点が合っていない現実。

コメントを歓迎します。おそらく、このよくある質問に対処するために、両方の答えをより普遍的なものに書き換えることができます。