Absoliutaus ryškumo iliuzija: kodėl ryškumo gylis yra biologinis kompromisas

Optinėje fizikoje egzistuoja viena fundamentali, šalta ir negailestinga tiesa: absoliutus ryškumas egzistuoja tik vienoje vienintelėje geometrinėje plokštumoje, esančioje tiksliai fokusavimo atstumu s. Visi kiti trimatės erdvės taškai – esantys bent vienu milimetru arčiau ar toliau šios plokštumos – objektyvo lęšių sistemoje negali susikirsti į idealius taškus ant jutiklio matricos. Vietoj to jie projektuojami kaip šviesos kūgiai, kurie sensoriaus plokštumą kerta sudarydami neryškius apskritimus, vadinamus sklaidos skrituliais (angl. Circle of Confusion, CoC).

Vadinasi, tai, ką mes kasdienybėje išdidžiai vadiname „ryškumo gyliu“ (angl. Depth of Field, DoF), tėra žmogaus regos sistemos netobulumo pasekmė. Mūsų akies tinklainė standartiniu 25–30 cm atstumu nesugeba atskirti dviejų taškų, jei jų kampinis atstumas yra mažesnis nei viena lanko minutė (apie 0.017°). Kol neryškumo skritulio skersmuo ant atspausto kadro ar ekrano neviršija šios biologinės ribos (klasikiniame 35mm pilname kadre tai atitinka maždaug 0.029–0.030 mm skersmenį ant sensoriaus), mūsų smegenys naiviai apsigauna ir taria: „Ši zona yra tobulo aštrumo“.

Hiperfokalinis atstumas: peizažo fotografo auksinis raktas į begalybę

Daugelis pradedančiųjų peizažistų daro grubią klaidą: norėdami aštraus horizonto, jie sufokusuoja objektyvą tiesiai į begalybės (∞) žymą. Taip jie beprasmiškai paaukoja pusę potencialaus ryškumo gylio, nes visa teorinė ryškumo zona „už begalybės“ tiesiog iššvaistoma kosminei erdvei.

Čia į pagalbą ateina hiperfokalinis atstumas (žymimas H). Tai arčiausias fokusavimo atstumas, kurį nustačius, ryškumo gylis driekiasi nuo pusės šio atstumo (H / 2) iki pat tolimiausių galaktikų horizonto (∞):

Hiperfokalo formulė:
H = (f² / (N · c)) + f
kur f – židinio nuotolis (mm), N – diafragmos f-skaičius, c – leistinas sklaidos skritulys (mm).

Pavyzdžiui, naudojant 24 mm objektyvą pilno kadro kameroje prie diafragmos f/8 (CoC = 0.030 mm), hiperfokalinis atstumas yra lygiai 2.42 metro. Nustačius fokusą ties 2.42 m žyma, visas pasaulis nuo 1.21 m (priekinio plano akmenys, gėlės ar smėlis) iki pat horizonto kalnų viršūnių bus skustuvo aštrumo. Nereikia jokio varginančio kadrų krovimo (angl. focus stacking)!

f/22 spąstai: kaip banginė difrakcija sunaikina mikrokontrastą

Intuityvi logika kužda: „Jei priverta diafragma didina ryškumo gylį, tai užsuksiu iki f/22 ar f/32 ir gausiu absoliutų aštrumą visame kadre!“. Deja, čia įsikiša kvantinė ir banginė optika (Fraunhoferio difrakcija).

Šviesa nėra vien tiesūs geometriniai spinduliai – tai elektromagnetinės bangos. Kai diafragmos anga susiaurėja iki mikroskopinio plyšio (prie f/22 50mm objektyve angos skersmuo yra vos 2.27 mm), pro angos kraštus keliaujantys šviesos bangų frontai užlinksta ir pradeda interferuoti tarpusavyje. Ant jutiklio idealus taškas virsta koncentriniais šviesos žiedais, vadinamais Erčio disku (angl. Airy disk), kurio skersmuo priklauso tik nuo šviesos bangos ilgio λ ir diafragmos:

d_Airy ≈ 2.44 · λ · N ≈ 1.34 · N (mikrometrais, kai λ = 550 nm)

Prie f/22 Erčio disko skersmuo išsipučia iki beveik 30 mikrometrų. Šiuolaikiniame 45–61 megapikselio jutiklyje, kur atskiro pikselio dydis siekia vos 3.76–4.5 µm, vienas difrakcijos diskas užkloja 6–8 gretimus pikselius! Rezultatas – prarandamas mikrokontrastas, o nuotrauka atrodo tarsi sutepta plonu vazelino sluoksniu. Būtent todėl dauguma modernių objektyvų savo optinį piką pasiekia ties f/4.0 – f/8.0.

Bokeho manija: 1 centimetro ryškumo kaina ir optinė izoliacija

Portretų fotografai negaili tūkstančių eurų egzotiniams 85mm f/1.2 ar 50mm f/0.95 objektyvams. Kodėl? Nes atvira diafragma leidžia chirurgiškai atskirti objektą nuo triukšmingo fono. Tačiau už tai mokama itin siauru ryškumo gyliu:

  • Fotografuojant su 85mm @ f/1.4 iš 1.5 metro atstumo, bendras ryškumo gylis siekia vos 1.8 cm.
  • Ryškios bus tik akies blakstienos; nosies galiukas ir ausys jau skęs kreminiame neryškume (angl. bokeh).
  • Menkiausias modelio atodūsis ar fotografo kūno svyravimas gali visiškai išmesti akį iš ryškumo zonos. Štai kodėl moderniose sistemose toks kritiškas tapo akių automatinis fokusavimas (Eye-AF).

Išmaniųjų telefonų f/1.8 iliuzija ir ekvivalentinė optika

Išmaniųjų telefonų gamintojai reklaminiuose stenduose mėgsta girtis „šviesia f/1.6 ar f/1.8 kamera“. Tačiau kodėl nufotografavus portretą telefonu be programinio režimo, fonas beveik nesusilieja?

Atsakymas slypi fiziniame židinio nuotolyje. Dėl mikroskopinio telefono jutiklio (kroopo faktorius apie 5.5× – 6.0×), standartinio matymo kampo objektyvas turi vos f = 6.5 mm fizinį židinio nuotolį. Ryškumo gylio prasme telefono 6.5mm f/1.8 objektyvas yra ekvivalentus pilno kadro 39mm f/11 objektyvui! Štai kodėl telefonai priversti naudoti dirbtinį intelektą ir gilumos žemėlapius (angl. Computational Portrait Mode), kad apgautų optikos dėsnius.