¿El enfoque de la lente de la cámara es un punto exacto o un rango?

Solo hay una distancia que está enfocada con mayor nitidez. Todo lo que está delante o detrás de esa distancia está borroso. Cuanto más nos alejamos de la distancia de enfoque, más borrosas se vuelven las cosas. Las preguntas son: "¿Qué tan borroso es? ¿Está dentro de nuestro límite aceptable? ¿A qué distancia de la distancia de enfoque las cosas se vuelven inaceptablemente borrosas?"

Lo que llamamos profundidad de campo (DoF) es el rango de distancias delante y detrás del punto de enfoque que son aceptablemente borrosas para que las cosas todavía parezcan estar enfocadas.

La cantidad de profundidad de campo depende de dos cosas: el aumento total y la apertura. La ampliación total incluye los siguientes factores: distancia focal, sujeto/distancia de enfoque, relación de ampliación (que está determinada tanto por el tamaño del sensor como por el tamaño de la pantalla) y la distancia de visualización. La agudeza visual del espectador también contribuye a que sea aceptablemente lo suficientemente nítido para aparecer enfocado en lugar de borroso.

La distribución de la profundidad de campo delante y detrás de la distancia de enfoque depende de varios factores, principalmente la distancia focal y la distancia de enfoque.

La proporción de cualquier lente dada cambia a medida que cambia la distancia de enfoque. La mayoría de las lentes se aproximan a 1:1 a la distancia de enfoque mínima. A medida que aumenta la distancia de enfoque, la profundidad de campo posterior aumenta más rápido que la profundidad de campo frontal. Hay una distancia de enfoque en la que la relación será de 1:2, o un tercio por delante y dos tercios por detrás del punto de enfoque.

A distancias de enfoque cortas, la relación se aproxima a 1:1. Una verdadera lente macro que puede proyectar una imagen virtual en el sensor o película que es del mismo tamaño que el objeto para el que está proyectando la imagen logra una relación de 1:1. Incluso las lentes que no pueden lograr un enfoque macro demostrarán una relación muy cercana a 1:1 en su distancia mínima de enfoque.

A distancias de enfoque más largas, la parte posterior de la profundidad de campo llega hasta el infinito y, por lo tanto, la relación entre la profundidad de campo frontal y posterior se aproxima a 1:∞. La distancia de enfoque más corta en la que el DoF posterior alcanza el infinito se denomina distancia hiperfocal . La profundidad de campo cercana se acercará mucho a la mitad de la distancia de enfoque. Es decir, el borde más cercano del DoF estará a mitad de camino entre la cámara y la distancia de enfoque.

También debemos recordar que la distancia hiperfocal, como el concepto de profundidad de campo en el que se basa, es realmente solo una ilusión , aunque bastante persistente. Solo una única distancia estará en el enfoque más nítido. Lo que llamamos profundidad de campo son las áreas a ambos lados del enfoque más nítido que están borrosas de manera tan insignificante que todavía las vemos nítidas. Tenga en cuenta que la distancia hiperfocal variará en función de un cambio en cualquiera de los factores que afectan a la profundidad de campo: distancia focal, apertura, aumento/tamaño de visualización, distancia de visualización, etc. Para saber por qué este es el caso, consulte:

¿Por qué los fabricantes dejaron de incluir escalas DOF ​​en las lentes?
¿Hay una "regla general" que pueda usar para estimar la profundidad de campo mientras tomo fotografías?
¿Cómo se determina el círculo de confusión aceptable para una foto en particular?
¿Encontrar distancia hiperfocal para resolución HD (1920x1080)?
¿Por qué obtengo valores diferentes para la profundidad de campo de las calculadoras frente a la vista previa de DoF en la cámara?
Además de esta respuesta al método simple de estimación rápida de DoF para lentes principales

Imagina una pared a cierta distancia de tu cámara, una pared plana sin profundidad, y estás frente a ella de frente. El enfoque de la lente es así: todo en ese plano exacto está enfocado.

(Esto es una simplificación. Para lentes del mundo real, esto no es perfectamente plano. En realidad, una serie de aberraciones ópticas inevitables mantienen a raya la perfección, pero para una comprensión básica, la idea de un plano plano es suficiente).

Entonces, el enfoque más nítido está en ese plano. Los puntos de enfoque en la cámara se usan para decirle al sistema de enfoque dónde buscar un mayor contraste y (suponiendo que el enfoque automático funcione) todo lo que esté en el mismo plano también debería estar enfocado. Si te enfocas más de cerca, es como acercar el "muro" a ti; enfocar más lejos es empujarlo hacia atrás. La cámara no puede enfocar varios puntos que no están en el mismo plano. Solo hay una distancia de enfoque. (Los sistemas de enfoque automático ofrecen múltiples puntos de enfoque, pero estos son solo diferentes áreas posibles del marco para enfocar. Si los objetos en esos puntos están a diferentes distancias, solo un punto puede estar perfectamente enfocado).

Pero, el enfoque nítido no pasa inmediatamente de eso a un desenfoque irreconocible. Cada punto que debería estar nítido en su sensor es en realidad un pequeño círculo, y cuanto más lejos de la perfección, más grande se vuelve ese pequeño círculo. (Ver ¿Qué es el "Círculo de Confusión?" ).

Si el círculo es más pequeño de lo que puede detectar (por ejemplo, más pequeño que los píxeles de su sensor o más pequeño de lo que su ojo puede ver en una impresión final), algo que puede estar más cerca o más lejos de la "pared" ideal de enfoque nítido puede ser literalmente indistinguible de la nitidez perfecta. Además, incluso fuera de las limitaciones de su cámara y sistema de imagen, hay una pequeña cantidad de desenfoque que estamos dispuestos a aceptar como "suficientemente bueno". Aquí es donde obtenemos el concepto de profundidad de campo . En lugar de un plano sin grosor, piense en una pared gruesa imaginaria con una profundidad más cercana y más lejana que la distancia a la que está enfocado. Todo en eso está "dentro de la profundidad de campo" y, por lo tanto, se considera enfocado.

(Pero no cometa el error de pensar que este grueso muro imaginario tiene bordes duros; en realidad es una zona "suave" donde los bordes son una decisión de juicio definitiva).

En general, las aperturas más pequeñas (números f más altos) proporcionan una mayor profundidad de campo. (Consulte Técnicamente, ¿por qué el área desenfocada se ve más borrosa cuando se usa una apertura más grande? )

La óptica geométrica nos enseña a expresar que una lente solo puede formar una imagen nítida de un objeto en un punto de enfoque dado. Los objetos más cercanos o más lejanos en cuanto a la distancia se mostrarán sin nitidez. Sin embargo, como cuestión de observación común, los objetos antes y después de la distancia enfocada probablemente aparezcan nítidamente enfocados. La razón es que existe un lapso antes y después del punto de enfoque que se reproduce aceptablemente nítido. Este lapso se llama "profundidad de campo".

La lente maneja cada punto del sujeto individualmente. Por punto, estamos hablando de un lugar tan pequeño que no tiene dimensión. El trabajo de la lente es proyectar una imagen de este punto en el plano de la imagen. Debido a las aberraciones residuales no corregidas y al enfoque inadecuado, la imagen de los puntos nunca se reproduce como puntos. En cambio, todos los puntos se reproducen como círculos. Estos se denominan círculos de confusión porque tienen límites festoneados y se yuxtaponen junto con círculos de confusión adyacentes.

El tamaño de estos círculos es el factor determinante de si pronunciamos una imagen como nítida o borrosa. Si los círculos son pequeños y están por debajo de nuestra capacidad para resolverlos como círculos, pronunciamos la imagen como "nítida". Si estos puntos de la imagen se ven como círculos y no como puntos adimensionales, pronunciamos que la imagen no está nítida. Para la persona promedio con buena visión, que mira una fotografía con buena luz, estos círculos de confusión no deben ser mayores de 2/100 pulgadas (½ mm). cuando se ve desde 20 pulgadas

Este es el material de la "profundidad de campo".

Para cada longitud de onda particular y cada radio de lente frontal (suponiendo una simetría radial perfecta de las lentes), el enfoque es una distancia exacta, dado que el sensor es una superficie esférica perfecta con el centro en el plano focal. Espera, no lo es. Y tampoco estamos trabajando con luz monocromática. Y si las distancias de enfoque para varios radios de lentes frontales no coinciden perfectamente, obtenemos diferentes rendimientos en diferentes aperturas.

La profundidad de campo se calcula asumiendo un modelo de lente perfecto y un "círculo de confusión" aceptable. La verdad es que las lentes no son perfectas. Por lo tanto, el "círculo de confusión" se verá empequeñecido por la aberración cromática longitudinal (y lateral) y la aberración esférica y los problemas de convergencia de lentes en la práctica, todos los cuales determinan un rango en el que no se pueden distinguir niveles significativos de nitidez independientemente de la resolución del sensor.

El cálculo de la profundidad de campo basado en el "círculo de confusión" tiene la ventaja de trabajar a partir de números bien determinables (al menos cuando se utilizan sensores digitales con paso de píxel fijo), pero omite tener en cuenta la calidad de la óptica. Si la óptica fuera capaz de dejar que la luz atraviese toda la apertura en todas las longitudes de onda visibles desde un solo punto a la distancia de enfoque convergen en un solo punto en el sensor (que en realidad tiene una profundidad distinta de cero en su superficie de conversión de fotones, lanzando otra llave inglesa en las obras), se podría hablar de distancias de enfoque exactas.