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Text File  |  1995-04-11  |  18.3 KB  |  434 lines

  1. Archive-name: rec-photo/lenses/faq
  2. Last-modified 1995/1/30
  3. Version: 1.3
  4.  
  5. Frequently Asked Questions regarding lenses.
  6. By David Jacobson
  7. jacobson@hpl.hp.com
  8.  
  9.  
  10. Q1. What is the meaning of the symbols in the rest of this FAQ?
  11.  
  12. A.  f       focal length
  13.     So      distance from front principal point to subject (object)
  14.     Sfar    distance from front principal point to farthest point in focus
  15.     Sclose  distance from front principal point to closest point in focus
  16.     Si      distance from rear principal point to film (image) plane
  17.     M       magnification
  18.     N       f-number or f-stop
  19.     Ne      effective f-number (corrected for bellows factor)
  20.     c       diameter of largest acceptable circle of confusion
  21.     h       hyperfocal distance
  22.  
  23. See the technical notes at the end for more information on subject
  24. distances, more information on the meaning of f-number and
  25. limitations to be observed when applying these formulas to lenses in
  26. which the aperture does not appear the same size front and rear.
  27.  
  28. Q2.  What is the meaning of focal length?  In other words, what about
  29. a 50mm lens is 50mm?
  30.  
  31. A.  A 50mm lens produces an image of a distant object on the film that
  32. is the same size as would be produced by a pinhole 50mm from the film.
  33. See also Q5 below.
  34.  
  35. Q3. What meant by f-stop?
  36.  
  37. A. The focal length of the lens divided by the diameter of the
  38. aperture (as seen from the front).  It is also called an f-number.
  39. The brightness of the image on the film is inversely proportional
  40. to the f-number squared.
  41.  
  42. Q4.  What is the basic formula for the conditions under which an image
  43. is in focus?
  44.  
  45. A.  There are several forms.
  46.         1/Si + 1/So = 1/f      (Gaussian form)
  47.         (Si-f)*(So-f) = f^2    (Newtonian form)
  48.  
  49.  
  50. Q5.  What is the formula for magnification?
  51.  
  52. A.  There are several forms.
  53.         M = Si/So
  54.         M = (Si-f)/f
  55.         M = f/(So-f)
  56.  
  57. Q6. For a given lens and format what is angle of coverage?
  58.  
  59. A.  If the format has a width, height, or diagonal of distance X, the 
  60. angle of coverage along width, height, or diagonal is 
  61. 2*arctan(X/(2*f*(M+1))).  For example a 35mm frame is 24x36 mm, so
  62. with a 50 mm lens and a distance subject (i.e. M virtually zero), 
  63. the coverage is 27 degrees by 40 degrees, with a diagonal of 47 degrees.     
  64.  
  65.  
  66. Q7.  How do I correct for bellows factor?
  67.  
  68. A.  Ne = N*(1+M)
  69.  
  70.  
  71. Q8.  What is meant by circle of confusion?
  72.  
  73. A.  When a lens is defocused, a point in the subject gets rendered as
  74. a small circle, called the circle of confusion.  If the circle of
  75. confusion is small enough, the image will look sharp.  There is no one
  76. circle "small enough" for all circumstances, but rather it depends on
  77. how much the image will be enlarged, the quality of the rest of the
  78. system, and even the subject.  Nevertheless, for 35mm work c=.03mm is
  79. generally agreed on as the diameter of the acceptable circle of
  80. confusion.  Another rule of thumb is c=1/1730 of the diagonal of the
  81. frame, which comes to .025mm for 35mm film.  (Zeiss and Sinar are
  82. known to be consistent with this rule.)
  83.  
  84.  
  85. Q9.  What is hyperfocal distance?
  86.  
  87. A.  The closest distance that is in acceptable focus when the lens is
  88. focused at infinity.  (See below for a variant use of this term.)
  89.  
  90.         h = f^2/(N*c)
  91.  
  92.  
  93.  
  94. Q10.  What are the closest and farthest points that will be in sharp
  95. focus?
  96.  
  97. A.  Sclose = h * So / (h + (So - f))
  98.     Sfar   = h * So / (h - (So - f))
  99.  
  100. If the denominator is zero or negative, Sfar is infinity.
  101.  
  102. Q11.  What is depth of field?
  103.  
  104. A.  It is convenient to think of a rear depth of field and a front
  105. depth of field.  The rear depth of field is the distance from the
  106. subject to the farthest point that is sharp and the front depth of
  107. field is the distance from the closest point that is sharp to the
  108. subject.  (Here we assume the lens is focused on the subject.)
  109. Sometimes the term depth of field is used for the combination of these
  110. two, i.e. the distance from the closest point that is sharp to the
  111. farthest point that is sharp.
  112.  
  113. frontdepth = So - Sclose
  114. frontdepth = Ne*c/(M^2 * (1 + (So-f)/h))
  115. frontdepth = Ne*c/(M^2 * (1 + (N*c)/(f*M)))
  116.  
  117. reardepth = Sfar - So
  118. reardepth = Ne*c/(M^2 * (1 - (So-f)/h))
  119. reardepth = Ne*c/(M^2 * (1 - (N*c)/(f*M)))
  120.  
  121. In the last two, if the denominator is zero or negative, reardepth is
  122. infinity.  
  123.  
  124.  
  125. Q12.  Where should I focus my lens so I will get everything from some
  126. close point to infinity in focus?
  127.  
  128. A.  At approximately the hyperfocal distance.  More precisely, at 
  129. So = h + f.  In this condition the closest point that will be in focus
  130. is at half the subject distance.  (Some authorities use this as the
  131. definition of hyperfocal distance.)
  132.  
  133.  
  134. Q13.  I have heard that the depth of field depends only the the f-stop and
  135. the magnification.  Is this true?
  136.  
  137. A.  Yes, under some conditions.  When the subject distance is small
  138. with respect to the hyperfocal distance, the front and rear depth of
  139. field are almost equal and depend only on the magnification and f-stop.
  140. As the subject distance approaches the hyperfocal distance, the front
  141. depth of field gets smaller and the rear depth gets larger, eventually
  142. extending to infinity.
  143.  
  144. Q14.  Is there a simpler approximate formula for depth of field?
  145.  
  146. A.  Yes.  When the subject distance is small with respect to the
  147. hyperfocal distance, the following approximate formulas can be used.
  148.  
  149. Sfar = So + Ne*c/M^2  
  150. Sclose = So - Ne*c/M^2
  151.  
  152. frontdepth = reardepth = Ne*c/M^2
  153.  
  154.  
  155. Q15. I have heard that one should use a long lens to get a shallow depth
  156. of field and a short lens to get a large depth of field.  Is this
  157. true?
  158.  
  159. A.  Assuming that you frame the subject the same way, using a long
  160. lens (and a correspondingly larger distance) does not make the depth
  161. of field very much shorter.  It does make the front and rear depths
  162. more even, but you probably didn't care about that very much.  Using a
  163. short lens can make the rear depth of field very large, or even
  164. infinite.  (See the previous question.)  Now back to the long lens
  165. issue.  Even though making the lens very long has little effect on the
  166. maximum distance behind the subject at which points still appear to be
  167. sharp, it has a big effect on how fuzzy very distant points appear.
  168. Specifically, if the lens is focused on some nearby point rendered
  169. with magnification M, a distant point at infinity will be rendered as
  170. a circle of diameter C, given by
  171.  
  172. C = f M / N
  173.  
  174. which shows that the distant background point will be fuzzed out in
  175. direct proportion to the focal length.
  176.  
  177.  
  178. Q16.  If I focus on some point, and then recompose with that point not
  179. in the center, will the focus be off?
  180.  
  181. A.  Yes, but maybe only a little bit.  If the object is far enough
  182. away, the depth of field will cover the shift in distance.
  183.  
  184. An approximate formula for the minimum distance such that the error
  185. will be covered by depth of field is given by 
  186.  
  187. d = w^2/(2 N c)
  188.  
  189. where
  190.     d = minimum distance to make the point be sharply rendered
  191.         d is measured from the film plane
  192.     w = distance image point on the film is from center of the image
  193.  
  194. Thus for 35mm you can recompose the image with the subject at the edge
  195. of the frame and still have it be sharp if the subject distance (at
  196. the center) was at least 5.4 meters (18 feet) divided by the f-number.
  197. See the technical notes at the end for a bunch of assumptions.
  198.  
  199.  
  200. Q17.  What is vignetting and light falloff?  Vignetting is a reduction
  201. in light falling on the film far from the center of the image that is
  202. caused by physical obstructions.  Independent of vignetting, even with
  203. an ideal rectilinear lens (one that renders a square grid in subject
  204. space as a square grid on the film) the light on the film falls off
  205. with Cos(theta)^4, where theta is the angle a subject point is off the
  206. axis.  (With suitable optical trickery this can be reduced a little,
  207. but never less than Cos(theta)^3 in a rectilinear lens.  It can be
  208. made much smaller in a fisheye lens.)  
  209.  
  210. Q18.  How can I tell if a lens has vignetting, or if a filter is
  211. causing vignetting?
  212.  
  213. A.  Open the back and, if necessary, trick the camera into opening the
  214. shutter and stopping down.  Imagine putting your eye right in the
  215. corner of the frame and looking at the diaphragm.  Or course, you
  216. really can't do this, so you have to move your head and sight through
  217. the corner of the frame, trying to imagine what you would see.  If you
  218. "see" the entire opening in the diaphragm and through it to subject
  219. space, there is no vignetting.  However, at wide apertures in most
  220. lenses the edge of the rear element or the edge of the front element
  221. or filter ring will obstruct your vision.  This is vignetting.  Try to
  222. guess the fraction of the area of the diaphragm is this obstructed.
  223. Log base two of this fraction is the falloff in f-stops at the corner.
  224.  
  225. You can also do this from the front.  With SLRs hold the camera a fair
  226. distance away with a fairly bright area behind the viewfinder hole.
  227. With non-SLRs open the back and arrange so a reasonably bright area is
  228. behind the camera.  Look through the lens, and rotate the camera until
  229. you are looking right at the corner of the viewing screen or frame.
  230. Now for the hard part.  Look at the aperture you see.  If there is
  231. vignetting you see something about the shape of an American football.
  232. If the filter is causing the vignetting, one of the edges of the
  233. football is formed by the filter ring.
  234.  
  235. A third way to detect vignetting is to aim the camera at a small
  236. bright spot surrounded by a fairly dark background.  (A distant street
  237. light at night would serve well.)  Deliberately defocus the image some
  238. and observe the shape of the spot, particularly in the corners.  If it
  239. is round there is no vignetting.  If it looks like the intersection of
  240. some arcs, then there is vignetting.  Note that near top of the image
  241. the top of the circle may get clipped a bit.  This is because in many
  242. cameras some light (from the top part of the image) misses the bottom
  243. of the mirror.  This affects only the viewfinder, not the film.  You
  244. can use depth of field preview (if your camera has it) to determine
  245. the f-stop at which the spot becomes round.
  246.  
  247.  
  248. Q19.  What is diffraction?
  249.  
  250. A.  When a beam of light passes through any aperture it spreads out.
  251. This effect limits how sharp a lens can possibly be.
  252.  
  253.  
  254. Q20.  What is the diffraction limit of a lens.
  255.  
  256. A.  A lens is diffraction limited at about 1500/N to 1800/N line pairs 
  257. per mm.
  258.  
  259.  
  260. Q21.  What are aberrations?
  261.  
  262. A.  Aberrations are image defects that result from limitations in the
  263. way lenses can be designed.  Better lenses have smaller aberrations,
  264. but aberrations can never be completely eliminated, just reduced.
  265.  
  266. The classic aberrations are:
  267.  
  268. * Spherical aberration.  Light passing through the edge of the lens is
  269. focused at a different distance (closer in simple lenses) than light
  270. striking the lens near the center.  
  271.  
  272. * Coma.  The distance from the axis at which an off-axis object point
  273. is rendered varies with the distance from the center of the lens at
  274. which the light passes.  In other words, magnification varies with the
  275. distance from the center of the lens.  Off axis points are rendered
  276. with tails, reminiscent of comets, hence the name.
  277.  
  278. * Astigmatism.  Off-axis points are blurred in their the radial or
  279. tangential direction, and focusing can reduce one at the expense
  280. of the other, but cannot bring both into focus at the same time.
  281. (Optometrists apply the word "astigmatism" to a defect in the human
  282. eye that causes *on-axis* points to be blurred along one axis or at 90
  283. degrees to that axis.  That astigmatism is not quite the same as
  284. astigmatism in photographic lenses.)
  285.  
  286.  
  287. * Curvature of field.  Points in a plane get focused sharply on a
  288. curved surface, rather than a plane (the film).  Or equivalently, the
  289. set of points in the subject space that are sharp makes a curved
  290. surface rather than a plane.  With a plane subject or a subject at
  291. infinite distance the net effect is that when the center is in focus
  292. the edges are out of focus, and if the edges are in focus the center
  293. is out of focus.
  294.  
  295. * Distortion (pincushion and barrel).  The image of a square object
  296. has sides that curve in or out.  (This should not be confused with the
  297. natural perspective effects that become particularly noticeable with
  298. wide angle lenses.)  This happens because the magnification is not a
  299. constant, but rather varies with the angle from the axis.
  300.  
  301. * Chromatic aberration.  The position (forward and back) of sharp focus 
  302. varies with the wavelength.
  303.  
  304. * Lateral color.  The magnification varies with wavelength.
  305.  
  306.  
  307. Q22. Can I eliminate these aberrations by stopping down the lens?
  308.  
  309. A.  The effect of all aberrations except distortion and lateral color
  310. is reduced by stopping down.  The amount of field curvature is not
  311. affected by stopping down, but its effect on the film is.
  312.  
  313.  
  314. Q23.  Why do objects look distorted when photographed with a wide
  315. angle lens?
  316.  
  317. This is because the size of the image of an object depends on the
  318. distance the object is from the lens.  This is not a defect in the
  319. lens---even pinhole cameras with no lens at all exhibit this
  320. perspective effect.
  321.  
  322. For image calculation purposes, think of the lens as being a geometric
  323. point at one focal length in front of the film, and centered over the
  324. center of the film.  (If the lens is not focussed at infinity, the
  325. distance from the film gets larger.) Then the image of a subject point
  326. can be found by drawing a straight line from the subject point through
  327. the lens point and finding its intersection with the film. That line
  328. represents one light ray. (Diffraction and out-of-focus conditions
  329. have been ignored here, since they are irrelevant to this effect.)
  330.  
  331. If you do this, you'll find that the image of a nearby object will be
  332. larger than the image of the same object farther away, by the ratio of
  333. the distances. You'll also find that any straight line in the subject,
  334. no matter at what angle or position, will be rendered as a straight
  335. line on the film. (Proof outline: A line, and a point not on the line
  336. define a plane.  All rays from the subject line will stay in the plane
  337. defined by the line and the lens, and the intersection of that plane
  338. with the film plane is a straight line.)
  339.  
  340. Q24. Why do people use long lenses to get "better perspective"? 
  341.  
  342. A.  A longer lens provides more subject magnification at a given
  343. distance, so you can get farther from your subject without having the
  344. image be too small. By moving back, you make the magnification ratio
  345. between the front and back of your subject smaller, because the
  346. distance ratio is smaller. So, in a portrait, instead of a nose that's
  347. magnified much more than the rest of the head, the nose is magnified
  348. only very slightly more than the rest of the head, and the picture
  349. looks more pleasing.
  350.  
  351. You can get the same perspective with a shorter focal length lens by
  352. simply moving back, and enlarging the central portion of the image. Of
  353. course, this magnifies grain as well, so it's better to use a longer
  354. lens if you have one.
  355.  
  356.  
  357. Q25. What is "MTF".
  358.  
  359. A.  MTF is an abbreviation for Modulation Transfer Function.  It is
  360. the normalized spatial frequency response of film or an optical
  361. system.  The spatial frequency is usually measured in cycles per
  362. millimeter.  For an ideal lens the MTF would be a constant 1 at all
  363. frequencies.  For practical lenses, the MTF starts out near 1 and
  364. falls off at increasing frequencies.  MTFs vary with the aperture, the
  365. distance the image region is from the center, the direction of the
  366. pattern (along a radius or 90 degrees to that), the color of the
  367. light, and the subject distance.  Flare will lower the value of the
  368. MTF even at zero spatial frequency.
  369.  
  370. Diffraction effects fundamentally limit the MTF of evan an ideal lens
  371. to zero at frequencies beyond 1/(lambda*N) cycles per mm, where lambda
  372. is the wavelength of the light.  For lambda = 555nm, the peak of the
  373. eye's response, this is very close to 1800/N cycles per mm.
  374.  
  375. The MTF of a system is the product of the properly scaled MTFs of each
  376. of its components, as long as there are not two consecutive
  377. non-diffusing components.  (Thus with proper scaling you can multiply
  378. camera lens MTF by film MTF by enlarger lens MTF by paper MTF, but
  379. usually not a telescope objective MTF by an eyepiece MTF.  There are
  380. also some other obscure conditions under which MTFs can be
  381. multiplied.)
  382.  
  383. Q26. What are "elements" and "groups", and are more better?
  384.  
  385. A. The number of elements is the number of pieces of glass used in the
  386. lens.  If two or more are cemented together, that whole set is called
  387. a group.  Thus a lens that has 8 elements in 7 groups has 8 pieces of
  388. glass with 2 cemented together.  It is impossible to completely
  389. correct all aberrations.  Each additional element the designer has at
  390. his/her disposal gives a few more degrees of freedom to design out an
  391. aberration.  So one would expect a 4 element Tessar to be better than
  392. a 3 element Triotar.  However, each element also reflects a little
  393. light, causing flare.  So too many elements is not good either.  Note
  394. that an unscrupulous manufacturer could slap together 13 pieces of
  395. glass and claim to have a 13 element lens, but it might be terrible.
  396. So by itself the number of elements is no guarantee of quality.
  397.  
  398.  
  399.  
  400. Technical notes:
  401.  
  402. The subject distance, So, as used in the formulas is measured from the
  403. subject to the lens's front principal point.  On most cameras the
  404. focusing scale is calibrated to read the distance from the subject to
  405. the film plane.  There is no easy way to precisely convert between the
  406. focusing scale distance and So.
  407.  
  408. The formulas presented here all assume that the aperture looks the
  409. same size front and rear.  If it does not, which is particularly
  410. common in wide angle lenses, use the front diameter and note that the
  411. formulas for bellows correction and depth of field will not be correct
  412. at macro distances.  Formulas that are exact even with this condition
  413. are given in the lens tutorial, posted separately.  
  414.  
  415. The conditions under which the formula for the minimum distance at
  416. which the effect of focusing and recomposing will be covered by depth
  417. of field are:
  418.  
  419. 1.  w is no more than the focal length of the lens.  At the edge
  420. w=18mm for 35mm, so this will very seldom be a problem.  2.  The
  421. lens's two nodal points are not very widely separated.  But if the
  422. front nodal point is in front of the rear nodal point, which I think
  423. is the more common case, the formula is too conservative, so this is
  424. not a problem either.  3.  The camera is rotated about the front nodal
  425. point.  Almost always the camera will be rotated about an axis behind
  426. the front nodal point which again makes the formula too conservative.
  427. The guide number given assumes c=.03mm.
  428.  
  429. Acknowledgements
  430.  
  431. Thanks to Bill Tyler for contributing the section on perspective
  432. effects.  The technique for detecting vignetting in the viewfinder was
  433. suggested by a Maohai Huang.
  434.