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Text File  |  1994-03-21  |  12KB  |  301 lines

  1. Newsgroups: rec.photo,rec.answers,news.answers
  2. Path: bloom-beacon.mit.edu!hookup!swrinde!sdd.hp.com!hpscit.sc.hp.com!hplextra!cello!jacobson
  3. From: jacobson@cello.hpl.hp.com (David Jacobson)
  4. Subject: Photographic Lenses FAQ
  5. Summary:  This posting contains a list of Frequently Asked Questions
  6.     about lenses.  It is intended for photographers.  It 
  7.     defines terms, gives a large number of formulas, discusses
  8.     depth of field issues, diffraction, and lens aberrations.
  9. Message-ID: <1994Mar22.032803.25692@cello.hpl.hp.com>
  10. Supersedes: <1994Feb22.173331.14777@cello.hpl.hp.com>
  11. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  12. Date: Tue, 22 Mar 1994 03:28:03 GMT
  13. Expires: Fri, 22 Apr 1994 06:00:00 GMT
  14. Organization: Hewlett-Packard Laboratories
  15. Followup-To: rec.photo
  16. Lines: 282
  17. Xref: bloom-beacon.mit.edu rec.photo:44485 rec.answers:4566 news.answers:16723
  18.  
  19. Archive-name: rec-photo/lenses/faq
  20. Last-modified 1994/02/10
  21. Version: 1.0
  22.  
  23. Frequently Asked Questions regarding lenses.
  24. By David Jacobson
  25. jacobson@hpl.hp.com
  26.  
  27.  
  28. Q. What is the meaning of the symbols in the rest of this FAQ?
  29.  
  30. A.  f       focal length
  31.     So      distance from front principal point to subject (object)
  32.     Sfar    distance from front principal point to farthest point in focus
  33.     Sclose  distance from front principal point to closest point in focus
  34.     Si      distance from rear principal point to film (image) plane
  35.     M       magnification
  36.     N       f-number or f-stop
  37.     Ne      effective f-number (corrected for bellows factor)
  38.     c       diameter of largest acceptable circle of confusion
  39.     h       hyperfocal distance
  40.  
  41. See the technical notes at the end for more infomation on subject
  42. distances, more information on the meaning of f-number and
  43. limitations to be observed when applying these formulas to lenses in
  44. which the aperture does not appear the same size front and rear.
  45.  
  46. Q. What meant by f-stop?
  47.  
  48. A. The focal length of the lens divided by the diameter of the
  49. aperture (as seen from the front).  It is also called an f-number.
  50. The brightness of the image on the film is inversely proportional
  51. to the f-number squared.
  52.  
  53. Q.  What is the basic formula for the conditions under which an image
  54. is in focus?
  55.  
  56. A.  There are several forms.
  57.         1/Si + 1/So = 1/f      (Gaussian form)
  58.         (Si-f)*(So-f) = f^2    (Newtonian form)
  59.  
  60.  
  61. Q.  What is the formula for magnification?
  62.  
  63. A.  There are several forms.
  64.         M = Si/So
  65.         M = (Si-f)/f
  66.         M = f/(So-f)
  67.  
  68.  
  69. Q.  How do I correct for bellows factor?
  70.  
  71. A.  Ne = N*(1+M)
  72.  
  73.  
  74. Q.  What is meant by circle of confusion?
  75.  
  76. A.  When a lens is defocused, a point in the subject gets rendered as
  77. a small circle, called the circle of confusion.  If the circle of
  78. confusion is small enough, the image will look sharp.  There is no one
  79. circle "small enough" for all circumstances, but rather it depends on
  80. how much the image will be enlarged, the quality of the rest of the
  81. system, and even the subject.  Nevertheless, for 35mm work c=.03mm is
  82. generally agreed on as the diameter of the acceptable circle of
  83. confusion.  Another rule of thumb is c=1/1730 of the diagonal of the
  84. frame, which comes to .025mm for 35mm film.  (Zeiss and Sinar are
  85. known to be consistent with this rule.)
  86.  
  87.  
  88. Q.  What is hyperfocal distance?
  89.  
  90. A.  The closest distance that is in acceptable focus when the lens is
  91. focused at infinity.  (See below for a variant use of this term.)
  92.  
  93.         h = f^2/(N*c)
  94.  
  95.  
  96.  
  97. Q.  What are the closest and farthest points that will be in sharp
  98. focus?
  99.  
  100. A.  Sclose = h * So / (h + (So - f))
  101.     Sfar   = h * So / (h - (So - f))
  102.  
  103. If the denominator is zero or negative, Sfar is infinity.
  104.  
  105. Q.  What is depth of field?
  106.  
  107. A.  It is convenient to think of a rear depth of field and a front
  108. depth of field.  The rear depth of field is the distance from the
  109. subject to the farthest point that is sharp and the front depth of
  110. field is the distance from the closest point that is sharp to the
  111. subject.  (Here we assume the lens is focused on the subject.)
  112. Sometimes the term depth of field is used for the combination of these
  113. two, i.e. the distance from the closest point that is sharp to the
  114. farthest point that is sharp.
  115.  
  116. frontdepth = S - Sclose
  117. frontdepth = Ne*c/(M^2 * (1 + (So-f)/h))
  118. frontdepth = Ne*c/(M^2 * (1 + (N*c)/(f*M)))
  119.  
  120. reardepth = Sfar - S
  121. reardepth = Ne*c/(M^2 * (1 - (So-f)/h))
  122. reardepth = Ne*c/(M^2 * (1 - (N*c)/(f*M)))
  123.  
  124. In the last two, if the denominator is zero or negative, reardepth is
  125. infinity.  
  126.  
  127.  
  128. Q.  Where should I focus my lens so I will get everything from some
  129. close point to infinity in focus?
  130.  
  131. A.  At approximately the hyperfocal distance.  More precisely, at 
  132. So = h + f.  In this condition the closest point that will be in focus
  133. is at half the subject distance.  (Some authorities use this as the
  134. definition of hyperfocal distance.)
  135.  
  136.  
  137. Q.  I have heard that the depth of field depends only the the f-stop and
  138. the magnification.  Is this true?
  139.  
  140. A.  Yes, under some conditions.  When the subject distance is small
  141. with respect to the hyperfocal distance, the front and rear depth of
  142. field are almost equal and depend only on the magnification and f-stop.
  143. As the subject distance approaches the hyperfocal distance, the front
  144. depth of field gets smaller and the rear depth gets larger, eventually
  145. extending to infinity.
  146.  
  147.  
  148. Q. I have heard that one should use a long lens to get a shallow depth
  149. of field and a short lens to get a large depth of field.  Is this
  150. true?
  151.  
  152. A.  Assuming that you frame the subject the same way, using a long
  153. lens does not make the depth of field very much shorter.  It does make
  154. the front and rear depths more even, but you probably didn't care
  155. about that very much.  Using a short lens can make the rear depth of
  156. field very large, or even infinite.  (See the previous question.)  Now
  157. back to the long lens issue.  Even though making the lens very long
  158. has little effect on the maximum distance behind the subject at which
  159. points still appear to be sharp, it has a big effect on how fuzzy very
  160. distant points appear.  Specifically, if the lens is focused on some
  161. nearby point rendered with magnification M, a distant point at
  162. infinity will be rendered as a circle of diameter C, given by
  163.  
  164. C = f M / N
  165.  
  166. which shows that the distant background point will be fuzzed out in
  167. direct proportion to the focal length.
  168.  
  169.  
  170. Q.  If I focus on some point, and then recompose with that point not
  171. in the center, will the focus be off?
  172.  
  173. A.  Yes, but maybe only a little bit.  If the object is far enough
  174. away, the depth of field will cover the shift in distance.
  175.  
  176. An approximate formula for the minimum distance such that the error
  177. will be covered by depth of field is given by 
  178.  
  179. d = w^2/(2 N c)
  180.  
  181. where
  182.     d = minimum distance to make the point be sharply rendered
  183.         d is measured from the film plane
  184.     w = distance image point on the film is from center of the image
  185.  
  186. Thus for 35mm you can recompose the image moving the subject clear to
  187. the edge of the frame and still have it be sharp if the subject
  188. distance (at the center) was at least 5.4 meters (18 feet) divided by
  189. the f-number.  See the technical notes at the end for a bunch of
  190. assumptions.
  191.  
  192.  
  193. Q.  What is diffraction?
  194.  
  195. A.  When a beam of light passes through any aperture it spreads out.
  196. This effect limits how sharp a lens can possibly be.
  197.  
  198.  
  199. Q.  What is the diffraction limit of a lens.
  200.  
  201. A.  A lens is diffraction limited at about 1500/N line pairs per mm.
  202.  
  203.  
  204. Q.  What are aberrations?
  205.  
  206. A.  Aberrations are image defects that result from limitations in the
  207. way lenses can be designed.  Better lenses have smaller aberrations,
  208. but aberrations can never be completely eliminated, just reduced.
  209.  
  210. The classic aberrations are:
  211.  
  212. * Spherical aberration.  Light passing through the edge of the lens is
  213. focused at a different distance (closer in simple lenses) than light
  214. striking the lens near the center.  
  215.  
  216. * Coma.  The distance from the axis at which an off-axis object point
  217. is rendered varies with the distance from the center of the lens at
  218. which the light passes.  In other words, magnification varies with the
  219. distance from the center of the lens.  Off axis points are rendered
  220. with tails, reminiscent of comets, hence the name.
  221.  
  222. * Astigmatism.  Off-axis points are blurred in their the radial or
  223. tangential direction, and focusing can reduce one at the expense
  224. of the other, but cannot bring both into focus at the same time.
  225. (Optometrists apply the word "astigmatism" to a defect in the human
  226. eye that causes *on-axis* points to be blurred along one axis or at 90
  227. degrees to that axis.  That astigmatism is not quite the same as
  228. astigmatism in photographic lenses.)
  229.  
  230.  
  231. * Curvature of field.  Points in a plane get focused sharply on a
  232. curved surface, rather than a plane (the film).  Or equivalently, the
  233. set of points in the subject space that are sharp makes a curved
  234. surface rather than a plane.  With a plane subject or a subject at
  235. infinite distance the net effect is that when the center is in focus
  236. the edges are out of focus, and if the edges are in focus the center
  237. is out of focus.
  238.  
  239. * Distortion (pincushion and barrel).  The image of a square object
  240. has sides that curve in or out.  (This should not be confused with the
  241. natural perspective effects that become particularly noticeable with
  242. wide angle lenses.)  This happens because the magnification is not a
  243. constant, but rather varies with the angle from the axis.
  244.  
  245. * Chromatic aberration.  The position (forward and back) of sharp focus 
  246. varies with the wavelength.
  247.  
  248. * Lateral color.  The magnification varies with wavelength.
  249.  
  250.  
  251. Q. Can I eliminate these aberrations by stopping down the lens?
  252.  
  253. A.  The effect of all aberrations except distortion and lateral color
  254. is reduced by stopping down.
  255.  
  256.  
  257. Q. What are "elements" and "groups", and are more better?
  258.  
  259. A. The number of elements is the number of pieces of glass used in the
  260. lens.  If two or more are cemented together, that whole set is called
  261. a group.  Thus a lens that has 8 elements in 7 groups has 8 pieces of
  262. glass with 2 cemented together.  It is impossible to completely
  263. correct all aberrations.  Each additional element the designer has at
  264. his/her disposal gives a few more degrees of freedom to design out an
  265. aberration.  So one would expect a 4 element Tessar to be better than
  266. a 3 element Triotar.  However, each element also reflects a little
  267. light, causing flare.  So too many elements is not good either.  Note
  268. that an unscrupulous manufacturer could slap together 13 pieces of
  269. glass and claim to have a 13 element lens, but it might be terrible.
  270. So by itself the number of elements is no guarantee of quality.
  271.  
  272.  
  273. Technical notes:
  274.  
  275. The subject distance, So, as used in the formulas is measured from the
  276. subject to the lens's front principal point.  On most cameras the
  277. focusing scale is calibrated to read the distance from the subject to
  278. the film plane.  There is no easy way to precisely convert between the
  279. focusing scale distance and So.
  280.  
  281. The formulas presented here all assume that the aperture looks the
  282. same size front and rear.  If it does not, which is particularly
  283. common in wide angle lenses, use the front diameter and note that the
  284. formulas for bellows correction and depth of field will not be correct
  285. at macro distances.  Formulas that are exact even with this condition
  286. are given in the lens tutorial, posted separately.  
  287.  
  288. The conditions under which the formula for the minimum distance at
  289. which the effect of focusing and recomponsing will be covered by depth
  290. of field are:
  291.  
  292. 1.  w is no more than the focal length of the lens.  At the edge
  293. w=18mm for 35mm, so this will very seldom be a problem.  2.  The
  294. lens's two nodal points are not very widely separated.  But if the
  295. front nodal point is in front of the rear nodal point, which I think
  296. is the more common case, the formula is too conservative, so this is
  297. not a problem either.  3.  The camera is rotated about the front nodal
  298. point.  Almost always the camera will be rotated about an axis behind
  299. the front nodal point which again makes the formula too conservative.
  300. For guide number given assumes c=.03mm.
  301.