Fotografie: optica, scherptediepte, depth of field (DOF)

Optica

Laatst (ondertussen al meer dan 10 jaar geleden) kreeg ik een vraag wat "scherptediepte" was. Hoe kan ik de scherptediepte verhogen? Vroeger had ik een goedkoop toestel dat kon scherpstellen van één meter tot oneindig en waarom kan mijn dure fototoestel dat niet meer? En wat zijn al die aanduidingen op mijn toestel?

Ik kreeg ook een vraag waarom het hoofdstuk "digitale fotografie" (site ondertussen niet meer online)op de website enkel in het engels beschikbaar was? "wij leven nochtans in vlaanderen!". Ik heb vele sites bezocht, en daarbij viel mij op dat de engelstalige sites grondiger waren, beter opgesteld, accuraat, grappig. Kortom een plezier om ze te lezen. Van nederlandstalige sites kan ik enkel zeggen dat ze schools, saai, oppervlakkig en onnauwkeurig zijn. En ze nemen elkaars fouten klakkeloos over "De scherptediepte wordt groter als je uitzoomt". Iedereen neemt dit blijkbaar aan als een goddelijke openbaring!

Het is aangeraden eerst de theorie van de lenzen te lezen. Dit is een beknopte inleiding. De engelstalige tekst waarnaar verwezen wordt is ondertussen al meer dan 10 jaar niet meer bijgewerkt en is dus totaal geen referentie meer.

Scherptediepte

In het voorbeeld rechts lijkt de foto scherp van 1 cm tot 5 cm. Fotografen weten dat ze de scherptediepte kunnen vergroten door de opening (iris) te verkleinen, maar meestal weten ze niet waarom. Zou dit te maken hebben met de kwaliteit van de lenzen? Amateur-fotografen zijn meestal versteld dat de scherptediepte dat ze bekomen met een duur toestel veel kleiner is dan deze dat ze bekomen met een goedkoop toestel.

Over scherptediepte worden de meest absurde verhalen verteld, en die worden zelfs gepropageerd door beroepsfotografen die het verhaal klakkeloos overnemen omdat ze het fenomeen onvoldoende begrijpen.

Op de figuur hieronder is de gele stip links het onderwerp waarop wij scherpgesteld hebben. De witte en grijze stippen zijn respectievelijk verder en dichter gelegen dan de ideale afstand. Op de gevoelige plaat is enkel de gele stip scherp, de focuspunt van de andere punten ligt voor of achter de gevoelige plaat. Om te kunnen scherpstellen op een ander punt wordt de lens naar voren of achteren bewogen. Men had evengoed de gevoelige plaat kunnen bewegen; dit gebeurt trouwens met professionele toestellen die nog echt met "gevoelige platen" (tegenwoordig: met een digitale rug!) werken. <^> Punten die hun focuspunt niet ter hoogte van de gevoelige plaat hebben laten een vlek achter op de plaat, de blur disc of verstrooiingscirkel.

Om de scherptediepte te kunnen uitleggen, moet ik eerst een ander begrip uitleggen:
de verstrooingscirkel of circle of confusion (COF).

Scherptediepte: Definitie: De scherptediepte (depth of field = DOF) is de volledige afstand (bereik) waarop een onderwerp scherp waargenomen wordt.

Scherptediepte indikatie
Als de lens geen zoominstelling heeft is het mogelijk een indikatie te geven van de scherptediepte naargelang de opening (bijvoorbeeld mijn Praktika MTL5). Deze indikatie zit natuurlijk op de lens, niet op de body. Zelfs de kitlens van m'n Praktika had zo'n scherptediepte-indikator, terwijl de meeste moderne lenzen die niet meer hebben. Vooruitgang noemen we dit, terwijl scherptediepte één van de basisbegrippen van de fotografie is.

Als het onderwerp op 2 meter staat, dan gaat het scherpe gebied van 1.6 tot 2.8 meter bij ƒ/8 en van 1.3 tot 5 meter bij ƒ/16. Bij ƒ/1.8 is het beeld scherp van 1.9 tot 2.1 meter.

Verstrooingscirkel

Eigenlijk is de foto maar scherp op één vlak, namelijk precies op de afstand waarop scherpgesteld werd. In de fysica bestaat er enkel scherpte zonder diepte. Alles wat verder of dichter gelegen is, is "onscherp". Een aantal factoren spelen echter ook een rol. Wij kunnen onmogelijk fijne details zien (onze ogen hebben maar een beperkt oplossend vermogen), daarom lijken bepaalde onderwerpen scherp, terwijl ze eigenlijk al een beetje flou zouden moeten zijn. Lees opnieuw de definitie van scherptediepte en let op het woord "waargenomen". De scherptediepte is een waarnemingsfout. Zowel de sensor in de camera, de optische low pass filter en de color filter array, het beeldscherm, de printer en uiteindelijk onze ogen spelen een rol.

En hier valt te bewijzen waarom een goedkoop toestel een grotere scherptediepte heeft dan een duur toestel; het duur toestel heeft een hogere resolutie, dus een hoger oplossend vermogen. Anders gezegd, de grenzen van het scherp gebied vallen duidelijker op bij een duur toestel; bij een goedkoop toestel is alles "een beetje onscherp". Een foto, afgedrukt op klein formaat lijkt prima in orde vanwege de printerresolutie en het beperkt oplossend vermogen van onze ogen. De foto afkomstig van het duur toestel, doorgaans afgedrukt op groot formaat om te kunnen stoeffen heeft een duidelijk afgetekend scherp-onscherp gebied.

De benaming verstrooingscirkel heeft zowel betrekking op de

circle of confusion (het kleinste object dat we kunnen waarnemen), maar ook op de
blur disc, de vorm van een lichtpunt op de gevoelige plaat.

Als de blur disc kleiner is dan de circle of confusion, dan wordt het onderwerp scherp waargenomen. Ik gebruik in het vervolg enkel de juiste engelse benaming, alhoewel de engelsen ook het ene woord voor het andere gebruiken. De blur disc mag niet verward worden met de Airy disc dat door diffractie veroorzaakt wordt. Voorwaar, optica is één van de moeilijkste takken van de fysica!

Verstrooingscirkel: Definitie: De verstrooiingscirkel (circle of confusion = COF) is een groep mensen, doorgaans in een cirkel opgesteld, die proberen klaarheid te scheppen in het begrip scherptediepte.

Opening (diafragma, iris)

De opening die door fotografen gehanteerd wordt verschilt dus van de opening die door musici gehanteerd wordt. Om de boel nog ingewikkelder te maken, is de opening geen opening ("een gat in de muur"), maar een verhouding. Waarom dit zo is wordt verder uitgelegd op de pagina over de opening.

Wat gebeurt er nu als we de diafragma kleiner maken? De lichtstralen aan de buitenkant van de lens worden tegengehouden. Zoals je uit het beeld kan afleiden wordt daardoor de blur disc van een onderwerp dat niet in focus is kleiner. In bepaalde gevallen kan de blur disc zelfs kleiner worden dan het oplossend vermogen (de circle of confusion), waardoor hocus focus, het onderwerp wel scherp waargenomen wordt! Vroeger speelde de kwaliteit van de lenzen ook een rol, en kon men door een kleinere opening te gebruiken, de gebreken van de gebruikte lenzen omzeilen. Nog altijd is het zo, dat men het scherpste beeld bekomt door de lens niet op zijn maximale opening te gebruiken. Deze "sweet spot" hangt af van de gebruikte lens en het oplossend vermogen van de body.

Opening: Definitie: De opening (ouverture) is het eerste deel van een opera, gebruikt om een sfeer te scheppen voor de eigenlijke aktie plaatstvindt. Niet te verwarren met opening (aperture).

Oplossend vermogen

Aan de hand van het oplossend vermogen kan men de kleinste detail bepalen die nog scherp waargenomen kan worden, om uiteindelijk de scherptediepte te bepalen. Men gaat daarbij uit van veronderstellingen (die in de tijd van de film misschien wel te rechtvaardigen zijn, maar nu niet altijd juist zijn).

Het oplossend vermogen van het menselijk ook is in het beste geval 1 graadminuut. Op een kijkafstand van 25 cm komt dit overeen met een oplossend vermogen van ongeveer 0.15mm.
Foto's worden in het algemeen 5X uitvergroot. Voor een negatief van 24 * 36 mm betekent dit afdrukken op 12 * 18 cm
De kwaliteit van het fotopapier is zeer goed, met een korrelgrootte dat kleiner is dan het oplossend vermogen van onze ogen (0.15mm => 7 dots per mm => 167 dots per inch of DPI)

Het oplossend vermogen van onze ogen van 0.15mm komt overeen met 0.03mm op negatiefniveau, en dit is het getal dat verder gehanteerd wordt door fabrikanten (full size sensoren). Als de blur disc van een (licht)punt kleiner is dan het oplossend vermogen, dan is de onscherpte niet waarneembaar. Het is mogelijk de scherptediepte te berekenen uit

het oplossend vermogen dat hier (eigenlijk verkeerdelijk) als constante gebruikt wordt
de afstand tot het onderwerp (de scherptediepte is een percentage van de afstand tot het onderwerp)
de opening (diafragmawaarde)

Het probleem van deze werkwijze die klakkeloos wordt overgenomen op gerenomeerde sites zoals DOF-master, en dit zonder verdere uitleg, is dat het oplossend vermogen niet meer een vaste waarde is.

Een voorbeeld: het LCD scherpje waarop de gemaakte foto's bekeken kunnen worden heeft een laag oplossend vermogen. De blur cirkel mag al heel groot zijn voordat het opvalt, en daarom lijken de foto's scherp van bijvoorbeeld 1 meter tot oneindig. Toestellen met een live preview hebben daarom een zoomfunktie (10X digitale crop op het LCD schermpje en dus tienmaal verhoging van het oplossend vermogen) om na te zien of bepaalde details wel scherp zijn.
Een ander voorbeeld: op een klein televisietoestel is de beeldkwaliteit van de uitzendingen van de VRT optimaal. Op een groot plasma of LCD scherm is het beeld storend onscherp. De reden is hier ook eenvoudig: op een klein scherm heb je een kleiner oplossend vermogen (zowel van het toestel zelf als van je ogen). Een groot scherm heeft meestal een hogere resolutie (HD ready!) en op een groter beeld valt het op dat het studiobeeld eigenlijk niet scherp is.

Grote opening
Kleine opening

Hier twee foto's van een willenkeurig toestel, gefotografeerd met een grote en een kleine opening. Je kan duidelijk zien welke foto met een grote diafragma-opening en welke foto met een kleine diafragma-opening genomen werd omdat bij een grotere opening de scherptediepte kleiner is. In beide gevallen werd er scherpgesteld op de cijfers op de zoomring. Letters in de voorgrond (T*) en achteraan zijn niet meer leesbaar.

Om evenveel licht te bekomen werd een langere sluitertijd gebruikt bij de tweede foto, maar verder zijn alle andere parameters (er zijn een twintigtal parameters dat je kan instellen bij deze Sony) dezelfde gebleven.
Bij de instelling A (van aperture, niet van automatic) stel je zelf de lensopening in, en het toestel regelt de sluitertijd om een correct verlicht beeld te bekomen.

Gebruik je een goed softwareprogramma om je foto's te bekijken (ACDSee), dan kan je de gebruikte instellingen van iedere foto opvragen. Deze instellingen zijn ingebed in de foto zelf (als meta-data). Opgelet, bij het aanpassen van de foto kunnen deze parameters verloren gaan als je bewerkingssoftware geen weet heeft van meta-data.

Oplossend vermogen: Definitie: eigenschap van waspoeders en andere reinigingsprodukten, geeft aan hoe goed het produkt vuil kan verwijderen. Niet te verwarren met scheidend vermogen.

De kodes op de lens worden hier verklaard.

Hyperfocale afstand

De scherptediepte strekt zich uit rond de afstand waarop scherpgesteld wordt. In het algemeen verdeelt dit gebied zich in ±33% vòòr en ±66% achter het focaal vlak (50% - 50% bij zeer korte afstanden). Als je dus scherpstelt op oneindig, is het beeld scherp vanaf een bepaalde afstand (hyperfocale afstand genaamd), maar ook nog scherp op 2 X oneindig, wat zelfs voor de meest veeleisende fotograaf niet nodig is.

Scherpstellen op oneindig

Scherpstellen op de hyperfocale afstand

Als je nu zou scherpstellen op de hyperfocale afstand, dan is het beeld nog altijd scherp tot oneindig, maar daarbij ook scherp op een veel kortere afstand! Wegwerpcamera's worden ingesteld op de hyperfocale afstand, zodat je een redelijk beeld hebt vanaf bijvoorbeeld 1 meter tot oneindig.

als je dichterbij scherpstelt, dan wordt de scherptediepte ook kleiner (bij macro-fotografie is de scherptediepte extreem klein)
als je verder dan de hyperfocale afstand scherpstelt dan verlies je een deel van de scherptediepte die in het oneindige verdwijnt.

Bij wegwerpcamera's is de scherptediepte zo groot omdat de lens breedhoekig is en een relatief kleine opening heeft, maar ook omdat het oplossend vermogen laag is: de film heeft een grove korrelstruktuur om een hoge lichtgevoeligheid te bekomen (om te kunnen werken met een kleine diafragma) en de kwaliteit van de lens is minimaal. Anders gezegd, de eisen die aan een dergelijk toestel opgelegd worden zijn zo laag, dat het beeld als scherp bestempeld mag worden van 1 meter tot oneindig. Bij uitvergroten valt de beperkte scherptediepte in het niet ten opzichte van de nog mindere algemene scherpte.

Hyperfocale afstand: Definitie: Als de tekst dat je nu aan het lezen bent schemert, koop je best een bril met multifocale glazen. Gaan slapen zou ook helpen.

Brandpuntafstand en scherptediepte

Breedhoek
Tele

Nu moeten we nog een onderwerp aansnijden, namelijk de invloed van de brandpuntafstand. De brandpuntafstand regel je met de zoom-instelling (voor zover je toestel daarmee uitgerust is), van wide (breedhoek) naar tele.

Iedereen weet dat je met de zoom-instelling een voorwerp dichterbij kan brengen. De zoom-instelling verandert ook de verhoudingen in het beeld: bij breedhoek lijken onderwerpen dichtbij relatief groter dan dat ze in werkelijkheid zijn, bij tele-stand lijkt alles evengroot.
In het eerste voorbeeld lijkt de buis (een PCL86, een triode-pentode gebruikt als eindtrap in audio versterkers) bijna even groot als het boek (een duur gecartoneerd werk dat goed zou staan in uw bibliotheek, mocht u er een hebben) dat als achtergrond gebruikt wordt.

Bij de tweede foto werd de camera zodanig geplaatst dat de buis nog steeds evengroot is. Buis en boek werden niet verplaatst. In vergelijking is het boek op de achtergrond nu veel groter geworden. Het boek is nog steeds even onscherp; aan de scherptediepte is er dus niets veranderd!

Snijden we een deel van de achtergrond uit en tonen we die op dezelde vergroting, dan is de uitsnijding van het beeld in breedhoek identiek aan de uitsnede in telestand (nadat beide uitsneden naar dezelfde afmetingen zijn omgezet), zie voorbeeld hieronder. Dat wil dus zeggen dat de branpuntafstand geen invloed heeft op de scherptediepte.

Maar het is wel zo dat met een breedhoeklens er méér getoond wordt in de achtergrond in vergelijking met een telelens. De elementen worden kleiner getoond, maar de verstrooingscirkel (waarnemingsfout) blijft even groot. De kleinere elementen worden dus subjectief scherper waargenomen, waardoor het lijkt dat de scherptediepte groter is geworden.

Het deel over diffractie heeft een nieuwe pagina gekregen.

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren