从技术上讲，使用较大的光圈时，为什么离焦区域会更加模糊？

从技术上讲，我想知道为什么使用较大的光圈时，焦外区域的模糊程度以及模糊程度如何？如果我提出了一个困扰我很长时间的问题，那对我很有帮助：

我读到，人眼的f值从非常明亮的光中的f / 8.3到黑暗中的f / 2.1有所不同。但是从我的测试中，我总是看到模糊程度相同的离焦区域。

这使我问：光圈是如何工作的，为什么从技术角度来看会产生模糊，它是否也适用于眼睛，或者仅仅是我们所使用的相机镜头中的“故障”？喜欢并且从来不想“修复”？

我将从先前对光圈问题的回答出发：

当孔径很小时，入射光会高度“准直”，这是一种“所有光线都很好地平行”的奇特方式。这会为所有进入的光产生清晰的焦点。当光圈更开阔时，只有与焦点对准的光线会被准直-这意味着您所聚焦的东西都是清晰的，但距离更远或更近场景将越来越模糊。

基本上，光圈越小，光线就越难以精确地聚焦。较大的光圈可以提供更多的光线，但是“价格”是控制较少。

Wikimedia的以下图表可能会有所帮助：

在左侧，宽光圈仅导致清晰呈现的中央聚焦♡卡。右侧较窄的光圈可排除来自散焦♣和♣卡的准直光线较少，从而使整体图像更清晰。

请记住，图中的红色/绿色/蓝色虚线描绘了锥形光线的外部。在左侧具有较大光圈的图像中也包含更多聚焦的光，但是图像传感器（或胶卷）无法分辨是哪一个，因此除了碰巧是恰好在焦点上。

当然，这也是人眼作为镜头发生的情况。我认为控制您的实验真的很困难，因为您实际上无法拍张照片并排比较。在傍晚到中午之间的时间（甚至在半小时内，您的眼睛要适应一个黑暗的房间），您会失去对多少模糊的完美记忆。事实是，您的大脑正在非常努力地纠正眼睛的所有缺陷，并以完美的焦点呈现整个世界的心理模型，这一事实使情况更加复杂。（这就是人类视觉系统的大脑部分所做的。）

很难看到一个地方。您的眼睛会在不知不觉中向四周滑动，并从实际上仅在中央清晰的那幅图像中建立完美的图像。这增加了另一个巨大的复杂性-不仅是眼透镜是一个具有许多像差的相对简单的系统，而且传感器是不规则的。或者说，它是高度专业化的。中央区域称为中央凹，直径仅为1毫米- 最尖锐的部分中央凹只有0.2毫米。那就是真正的敏锐眼光的来源。但是该区域不包含任何杆（对暗光敏感的细胞），因此在昏暗的光线下根本不涉及该尖锐区域。这使得与摄像系统的简单比较基本上是不可能的。

最重要的是，您的基本假设还有另一个缺陷–即无论光线多少，人眼都能看到相同数量的运动模糊这一想法。实际上，输入实际上是随时间积分的，并且在较低的光照水平下时间会增加。而且，“曝光”实际上是通过另一种方式控制的：在黑暗中提高了感光度-有效等同于自动ISO。

因此，直接问一个问题：这是光学的本质，因此它也适用于我们的眼睛。但是我们的眼睛是不同于照相机和镜头的系统。人类视觉系统具有一个简单的镜头，一个复杂的传感器，非常复杂的即时后处理以及一个极其复杂的存储和检索系统。相机通常使用精密的镜头，相对简单的传感器矩阵和相对简单的后处理（直到计算摄影成真-不管Lytro是今年成功还是五年后其他人都成功）。而且存储系统是逐点完美的-至少不像人类的记忆。

这种差异是否是我们“喜欢”的，并且不想解决，这取决于解释。当然，景深的概念在我们作为一个社会的艺术/视觉词汇中是存在的；它是否会在一百年后保持这种状态是一个猜测的问题。我的猜测是肯定的，即使技术在变化。

像Lytro中使用的那样，带有不同类型传感器的摄像机实际上可以记录入射光线的方向。这些附加数据使这些相机即使具有很大的光圈，也可以创建完全清晰的图像。但这不是Lytro公司出售它的方式：相反，他们的头是图像，您可以单击以更改飞行中焦点的计算点。他们选择这条路线而不是全部

为什么大光圈会使背景更加模糊

让我从维基百科的人物开始：

在上方，我们有一个大的开放光圈。只有第2点是焦点。第一点和第三点没有重点。由于光圈宽，来自它们的光线通过镜头的不同部分与屏幕5（胶片或数字传感器）的交叉点不同。我们还可以说这些光线在屏幕（红色）之前（绿色）之前形成了一个点（相交）。相应的光锥与屏幕相交，并在屏幕上形成椭圆形的图像。较宽的光圈可实现更宽的锥形光（因此，它可以收集更多的光并模糊更多）。

有效地，失焦点会引起混乱。这就是我们所说的模糊或散景。

对于下方较小的光圈，离中心太远的光线会被遮挡，因此，离焦点的圆会较小。

如果混乱的圆小于胶片颗粒或传感器子像素，则我们根本无法分辨出焦点是否聚焦，然后即使焦点没有聚焦，该点也会显示为焦点对准。因此，对于有限的光圈，存在一定范围的距离，所有距离都显示为聚焦。该范围的深度称为景深（DoF）。对于较小的光圈，它更大。

如果光圈真的很小，那么只有中心光线可以通过，无论什么情况，我们都有无限的景深。每个点，无论接近还是远离，都表示为图像上的一个点。这就是针孔相机的工作原理。可调光圈允许介于两者之间。

看起来如何

在较小的光圈f / 32时：

在较大的光圈f / 5时，离焦背景会更加模糊：

（图片再次来自维基百科）

来自聚焦对象的光线在穿过镜头并入射到传感器（胶片）时会发生折射。从单个点发出的光线形成一个圆锥体，该圆锥体是透镜中的空心圆。孔径越大，圆锥体的底面越大。然后，形成第二锥体，并且射线在焦点处再次相遇。

来自与镜头距离不同的物体的光线会形成不同长度（更准确地说，是高度）的圆锥。对于较长的圆锥体（超出聚焦对象的对象），次圆锥体较短。对于较短的圆锥体（前面的对象），辅助圆锥体较长。次锥的长度由主锥的长度确定。

因此，当来自非聚焦物体上某个点的光接近传感器时，图像是一个小圆圈，而不是单个点（实际上是一个椭圆形，但可以忽略不计）。

当孔径变大时，两个圆锥的底面会变大，因此其头角也会变大。由于长度保持不变，因此图像圆变大。这就是为什么当光圈变宽时您会得到更多模糊的原因。

作为参考，以及能真正解释以上所有曼波大猫的示意图，请阅读本文。

其他答案错误地将模糊效果与某些镜头属性相关联。您不必假设透镜如何形成图像，甚至不需要存在透镜。

场景看起来与光圈中不同位置的图像略有不同。

如您在图片中看到的，如果您选择将红色物体的每个光圈点保持在相同的位置，那么绿色物体就无法停留在相同的位置。这会造成模糊，因为最终图像会合并所有这些单独的视图。

这意味着从理论上讲（忽略衍射），只有一切都可以聚焦的情况才是针孔，从单个点创建图像。在现实生活中，由于衍射和增加的光量，较小但不是点状的孔径会更好，但这是另一个问题。

进一步追求这个主题，“谁”实际上选择了重点？

为什么是红色物体而不是绿色物体？几何形状仅确定它们不能同时聚焦，并且散焦量取决于光圈，这是自由度效应的根本原因。

最终图像实际上是如何从局部视图中组合的？这取决于“蓝框”设备。在现实生活中，“蓝盒子”当然是镜头。到目前为止，我们假装对图像的组合方式一无所知，以表明失焦现象是由几何而不是镜头特性引起的。

但这不必是镜头。相反，我们可能会在光圈表面上放置数千个针孔图像记录器，并获取数千个单独的图像。然后，通过简单地叠加这些图像，我们将获得相同的景深效果-完全取决于光圈。并且与镜头不同，我们然后可能会以不同的方式覆盖相同的图像，从而使绿色物体保持静止（显然，红色物体会模糊）。

当光射到传感器上时，它会形成一个与光圈形状相同的光斑，但光斑的大小取决于源物体与焦平面的真实距离。如果光圈是一个圆，则得到一个圆；如果光圈是正方形，则得到一个正方形。光圈越大，形状越大，因此它将与相邻形状重叠更多，并给您带来更多的模糊感。

当您靠近焦平面时，投射到传感器中的形状的尺寸是如此之小，以至于无法与圆点区分开。这些距离定义了景深。

您的眼睛以完全相同的方式工作，但是我不相信您看到的内容，因为大脑进行了大量的处理！您只能在每只眼睛的中心的一个小斑点内看到细节。您的大脑会快速移动每只眼睛，以“扫描”场景并将其拼凑在一起，而您根本不知道！

这样看。光圈足够小，您甚至不需要镜头！那就是所谓的针孔照相机。

镜头会通过弯曲光线来使物体聚焦在特定距离处。

针孔（至少是理想的针孔）通过将不同角度的光点映射到胶片上的相应角度来工作，而与距离无关。（实际的针孔有局限性。针孔太小会由于衍射而使光散射。）

镜头前面的光圈带来了针孔的某些特性。孔径越小，您将相机更有效地变成针孔相机。这带来了宽景深聚焦的优点，但也带来了针孔的一些缺点：较少的聚光能力，在非常高的光圈数下产生的衍射伪像。

这不是技术解释，而是实验。以下文字摘自本·朗（Ben Long）的著作《完整的数码摄影》：

如果您的视线足够近，需要戴眼镜，请尝试进行此快速的小景深实验。摘下眼镜，将食指卷曲在拇指上。您应该能够将手指卷曲得足够紧，从而在食指的曲线上形成一个小孔。如果您不戴眼镜直视孔，您可能会发现一切都在聚焦中。这个孔的孔径很小，因此可以提供非常深的景深-实际上足够深，可以矫正您的视力。不利的一面是，它不会让大量的光线通过，因此，除非您在明亮的日光下，否则您可能看不到足够清晰的物体来确定它是否聚焦。下次您对光圈与景深的关系感到困惑时，请记住此测试

我尝试过，它确实有效。尝试看一些距离您约100m的文字。我戴着近视眼镜。

由于使用较大的孔径会不利地改变光学系​​统的脉冲响应，因此模糊会更大。但是，如果将光圈做得更小（在某些镜头中通常为f / 11或f / 16），则由于衍射效应而引起的劣化将变得更加明显。因此，存在一个最佳孔径，该孔径介于理想脉冲响应和透镜的衍射极限之间。

点扩展函数是光学传递函数，它是光学脉冲响应函数的傅立叶变换。

MTF（调制传递函数）与OTF相似，但它忽略相位。在非相干摄影应用中，可以认为它们非常相似。

本质上，OTF，MTF，点扩展函数描述了光学系统的响应能力。

当镜头大开时，光的路径在路径中具有更大的可变性，因此在精确的焦点之外，它具有更大的点扩展功能，随着与图像的卷积而变得模糊。

以下是我最近对类似问题提供的答案。https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

景深是影响HVS（人类视觉系统）的一种感知现象。这实际上是一个游戏，“直到变得令人反感之前，我们才能拥有多少模糊？” 只有一个“平面”（通常实际上是球体的一部分）聚焦。在那时，成像系统根据诸如大气和透镜的MTF（调制传递函数）之类的损耗来执行。

当物体离开该平面时，它立即变为“焦点不清晰”，并且存在点扩散函数，该函数描述了一个成长的圆盘，该圆盘在某些圆圈中（无双关），称为“混乱圆”。

采用透镜中心部分的较小光圈使光线通过透镜的路径更短（且更一致）。这有助于减少点扩散函数，该函数描述了混乱的圆（而不总是圆）。光学系统的点扩展功能也称为脉冲响​​应。

所得图像是目标图像和点扩散函数的卷积图像。至少对于非相干成像。因此，景深的感知与光圈和焦距成线性关系。

不幸的是，景深有其限制，并且非常小的光圈将无法提供几乎无限的景深，因为随着光圈变小，衍射在模糊图像中起更大的作用。

因此，景深的真正变化是物体并不是真正聚焦在聚焦平面之外，而是模糊被认为可以忽略不计。可以这样考虑：缩略图照片看起来很清晰，但是如果扩展为8x10英寸的照片，则可能会变得模糊不清。观察者，给定光学系统（大气，镜头，传感器/胶片和渲染/打印过程）和感知角度（所观察的图像有多大）。

在实际应用中，镜头上的所谓超焦距设置可以在小尺寸显示器或打印件上观看时给出可接受的场景图像，但是当放大或放大时，会产生更模糊的外观现实并非通过“景深”完全聚焦。

欢迎发表评论，也许我可以重写两个答案，以便更通用地解决这个常见问题。