¿Por qué el tamaño de la apertura afecta la profundidad de campo en la fotografía?

El efecto que la apertura da a la profundidad de campo es causado por la "parte usada de la lente".

Como el sistema de lentes solo puede enfocar un cierto punto, existe la necesidad de un truco para obtener una gran profundidad de campo. Esto es (no solo sino también) hecho por la pequeña apertura.

La reducción de la parte utilizada de la lente conduce a menos aberraciones para las trayectorias de luz enfocadas no perfectas. Verá las partes (1) y (3) en la imagen que se mapean mejor enfocadas en la "placa fotográfica" (5). Los caminos de luz de (2) no se ven afectados, porque están perfectamente enfocados. A medida que utilice una parte más pequeña de la lente, su imagen se volverá más oscura, como se ilustra en el fondo más oscuro de la "placa fotográfica" a la derecha.

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Depth_of_field_illustration.svg

Si quieres una respuesta intuitiva, la profundidad de campo indica el intervalo de distancias en las que la imagen estará aproximadamente enfocada. Cuando reduce la apertura, el cono de luz se estrecha. Esto significa que observaría que los círculos de confusión son más pequeños. Por lo tanto, el rango de distancias donde la imagen está enfocada ha aumentado.

Una fórmula para el caso de campo lejano (distancias grandes) sería:

$\mathbf{DoF}=\frac{2Hs}{H^2-s^2}$

Dónde$H$es la distancia hiperfocal :$H=\frac{f}{\#fd}$,$f$es la distancia focal,$\#f$el número f y$d$es el tamaño del círculo de confusión.

La profundidad de campo es un fenómeno de percepción que influye en el HVS (sistema visual humano). Es realmente un juego de "¿cuánto desenfoque podemos tener hasta que se vuelva objetable?" Solo hay un "plano" (generalmente un segmento de una esfera) que está enfocado. En ese punto, el sistema de imagen funciona de acuerdo con pérdidas como la atmosférica y la MTF (función de transferencia de modulación) de la lente.

A medida que un objeto se mueve fuera de ese plano, inmediatamente se vuelve "fuera de foco" y hay una función de dispersión de puntos que describe un disco en crecimiento que se encuentra en algunos círculos (sin juego de palabras) llamado "círculo de confusión".

Las aperturas más pequeñas que emplean partes centrales de la lente hacen que la luz tome un camino más corto (y más consistente) a través de la lente. Esto ayuda a reducir la función de dispersión de puntos que describe el círculo de confusión (y no siempre un círculo). La función de dispersión de puntos de un sistema óptico también se denomina respuesta de impulso.

La imagen resultante es una que es la convolución de la imagen de destino y la función de dispersión de puntos. Al menos para imágenes no coherentes. Entonces, la percepción de la profundidad de campo es lineal con el f-stop y la distancia focal.

Desafortunadamente, la profundidad de campo tiene sus límites, y una apertura muy, muy pequeña no proporcionará una profundidad de campo casi infinita, porque la difracción juega un papel más importante en el desenfoque de la imagen, a medida que la apertura se hace más pequeña.

Entonces, lo que realmente sucede con la profundidad de campo es que los objetos no están realmente enfocados fuera del plano enfocado, sino que el desenfoque se considera insignificante. Piénselo de esta manera: una foto en miniatura puede verse clara, pero si se expande para ser una foto de 8x10", puede ser inaceptablemente borrosa. Por lo tanto, la profundidad de campo aceptable es una determinación del efecto del impacto de una imagen desenfocada en el observador, dado el sistema óptico (atmósfera, lente, sensor/película y proceso de reproducción/impresión) y la perspectiva de percepción (cuán grande es la imagen vista).

En la aplicación práctica, el llamado ajuste hiperfocal en una lente puede dar una imagen aceptable de una escena cuando se ve en una pantalla o impresión de formato pequeño, pero cuando se expande o amplía, producirá una apariencia más borrosa como en la realidad no está completamente enfocada a través de la "profundidad de campo".

Como fotógrafo y físico, estoy tratando de explicar este fenómeno a mi amigo músico que acaba de comprar una cámara cara.

Lo mejor que se me ocurre es tomar, en el extremo, una cámara estenopeica con una profundidad de campo infinita. A medida que colocamos una lente al frente y ampliamos la apertura, se acerca a la situación familiar con la distancia del objeto y la imagen determinada por la distancia focal.