Co to jest „granica dyfrakcji”?

Widziałem używany termin, ale co to jest „granica dyfrakcji”, kiedy powinienem się tym martwić i jakie niepożądane skutki są z tego wynikłe?

Było kilka bardzo dobrych odpowiedzi, ale jest kilka szczegółów, o których nie wspomniano. Po pierwsze, dyfrakcja zawsze zachodzi na każdym otworze, ponieważ światło zagina się wokół krawędzi przepony i tworzy „ zwiewny dysk ”. Rozmiar przewiewnego dysku i proporcja dysku, który zawiera pierścienie zewnętrzne, oraz amplituda każdej fali w pierścieniach zewnętrznych, zwiększają się wraz z przymykaniem przysłony (apertura fizyczna zmniejsza się.) Gdy zbliżasz się do fotografii w sposób, w jaki Whuber wspomniał w swojej odpowiedzi:

Pomyśl o scenie złożonej z wielu małych dyskretnych punktów światła.

Zdajesz sobie sprawę, że każdy z tych punktów światła, gdy jest zogniskowany przez obiektyw, generuje swój własny przewiewny dysk na nośniku obrazowania.

Odnośnie Image Medium

Należy również wyraźnie zauważyć, że granica dyfrakcji nie jest w rzeczywistości ograniczeniem soczewki. Jak wspomniano powyżej, soczewki zawsze tworzą wzór dyfrakcyjny, tylko stopień i zakres tego wzoru zmienia się wraz z przymykaniem soczewki. „Granica” dyfrakcji jest funkcją ośrodka obrazowania. Czujnik z mniejszymi zdjęciami lub filmem z mniejszym ziarnem będzie miał niższą granicę dyfrakcji niż te z większymi zdjęciami / ziarnami. Wynika to z faktu, że mniejsza strona zajmuje mniej miejsca na dysku niż większa strona. Gdy przewiewny dysk powiększa się i zwiększa wraz z przymykaniem obiektywu, przewiewny dysk wpływa na sąsiednie zdjęcia.

Granica dyfrakcjajest punktem, w którym przewiewne dyski stają się na tyle duże, że zaczynają oddziaływać na więcej niż jedną stronę. Innym sposobem na to jest to, że zwiewne dyski z dwóch punktowych źródeł światła, które są rozwiązywane przez czujnik, zaczynają się łączyć. Przy szerokim otworze dwa punktowe źródła światła zobrazowane przez czujnik mogą wpływać tylko na pojedyncze sąsiednie strony. Kiedy apertura jest zatrzymana, przewiewny dysk generowany przez każde punktowe źródło światła rośnie do punktu, w którym zewnętrzne pierścienie każdego przewiewnego dysku zaczynają się łączyć. Jest to punkt, w którym czujnik jest „ograniczony dyfrakcyjnie”, ponieważ pojedyncze punktowe źródła światła nie rozdzielają się już na jedną stronę fotograficzną ... łączą się i pokrywają więcej niż jedną stronę fotograficzną. Punktem, w którym łączy się środek każdego zwiewnego dysku, jest granica rozdzielczości, i nie będziesz już w stanie uzyskać dokładniejszych szczegółów, niezależnie od zastosowanej przysłony. Jest to częstotliwość odcięcia dyfrakcji.

Należy zauważyć, że soczewka może rozpoznać mniejszy punkt pikseli w medium obrazującym. Dzieje się tak, gdy zwiewne dyski zogniskowane obiektywem pokrywają tylko ułamek strony fotograficznej. W takim przypadku, nawet jeśli dwa punktowe źródła światła o wysokiej rozdzielczości generują przewiewne dyski, które łączą się w jednym miejscu na zdjęciach, efekt końcowy będzie taki sam ... czujnik wykryje tylko jedno światło punktowe niezależnie od przysłony. „Granica dyfrakcji” takiego czujnika byłaby wyższa (powiedzmy f / 16) niż dla czujnika, który jest w stanie wyraźnie rozdzielić oba punktowe źródła światła (który może być ograniczony dyfrakcją przy f / 8). Jest to również możliwe i prawdopodobnepunktowe źródła światła NIE będą idealnie skupione na środku strony fotograficznej. Jest całkiem prawdopodobne, że zwiewny dysk zostanie ustawiony na granicy między dwiema stronami lub skrzyżowaniem czterech stron. W przypadku czujnika czarno-białego lub czujnika Foveon (ułożone w stosy kolorów), spowodowałoby to jedynie zmiękczenie. W czujniku Bayera kolorów, w którym kwadratowe połączenie 4 stron internetowych będzie rejestrować naprzemienny wzór kolorów GRGB, ponieważ zwiewny dysk może wpływać na ostateczny kolor renderowany przez te cztery strony, a także powodować zmiękczenie lub niewłaściwą rozdzielczość.

Mój Canon 450D, matryca APS-C 12,2mp, ma granicę dyfrakcji f / 8.4. Natomiast Canon 5D Mark II, pełnoklatkowy czujnik 21,1mp, ma ograniczenie dyfrakcji f / 10,3. Większy czujnik, mimo że ma prawie dwa razy więcej megapikseli, może zatrzymać się jeszcze zanim osiągnie granicę dyfrakcji. Wynika to z faktu, że fizyczny rozmiar stron w 5D II jest większy niż w 450D. (Dobry przykład jednej z wielu zalet większych czujników).

Klucze w miksie

Często możesz natknąć się na tabele w Internecie, które określają konkretny otwór o ograniczonej dyfrakcji dla określonych formatów. Często widzę f / 16 zastosowany w czujnikach APS-C, a f / 22 w przypadku pełnej klatki. W świecie cyfrowym liczby te są na ogół bezużyteczne. Otwór ograniczający dyfrakcję (DLA) jest ostatecznie funkcją stosunku wielkości skupionego punktu światła (w tym wzoru zwartej tarczy) do wielkości pojedynczego elementu wykrywającego światło na czujniku. Dla dowolnego rozmiaru matrycy, APS-C lub pełnej klatki, limit dyfrakcji zmieni się w zależności od wielkości stron. Przykładem tego jest linia aparatów Canon EOS Rebel na przestrzeni lat:

Camera   |   DLA
--------------------
350D     |   f/10.4
400D     |   f/9.3
450D     |   f/8.4
500D     |   f/7.6
550D     |   f/6.8

Historia powinna być podobna do wielkości ziarna filmu. Folie z drobniejszym ziarnem byłyby ostatecznie bardziej podatne na zmiękczanie dyfrakcyjne w niższych otworach niż folie z większymi ziarnami.

Częstotliwość odcięcia dyfrakcji

Dyfrakcja jest często reklamowana jako narzędzie do zabijania obrazów, a ludzie mówią o „limicie dyfrakcji” jako punkcie, w którym nie można już rozwiązać obrazu „pożytecznie”. Przeciwnie, granica dyfrakcji jest tylko punktem, w którym dyfrakcja zaczyna wpływać na obraz dla konkretnego używanego medium obrazowego. Częstotliwość odcięcia dyfrakcja jest punkt, w którym dodatkowy ostrość jest niemożliwe dla danego otworu, a to jest rzeczywiście funkcją obiektywu i fizycznej przysłony.

Wzór na częstotliwość odcięcia dyfrakcyjnego dla (idealnych) układów optycznych jest następujący:

fc = 1 / (λ * f #) cykli / mm

Stwierdza to, że odwrotność długości fali ogniskowanego światła pomnożona przez liczbę f soczewki to liczba cykli na milimetr, które można rozwiązać. Częstotliwość odcięcia dyfrakcyjnego jest na ogół punktem, w którym rozdzielczość osiąga długość fali samych częstotliwości światła. Dla światła widzialnego λ między 380-750 nm lub 0,38-0,75 mikrona. Dopóki częstotliwość odcięcia nie zostanie osiągnięta dla danego otworu, można uzyskać większą rozdzielczość.

Przykłady wizualne

Powyższa sekwencja zdjęć Whubera jest dobrym przykładem efektu dyfrakcji, a także efektu aberracji optycznych, gdy obiektyw jest szeroko otwarty. Wydaje mi się, że cierpi z powodu przesunięcia ostrości z powodu aberracji sferycznej, dlatego stworzyłem animowany plik GIF, który demonstruje efekty zmiany przysłony obiektywu Canon 50 mm f / 1.4 w dół z najszerszego do najwęższego, w kropkach .

(Uwaga: obraz jest duży, 3,8 megapiksela, więc należy go w pełni pobrać, aby zobaczyć porównanie ostrości na każdym przystanku.) Obraz wykazuje wyraźną aberrację optyczną po szerokim otwarciu, szczególnie Aberracja chromatyczna i pewna Aberracja sferyczna (mogą być pewne lekkie fioletowe frędzle ... Próbowałem skupić się na martwym punkcie.) W przypadku f / 2 CA jest znacznie zmniejszone. Od f / 2.8 do f / 8 ostrość jest na pierwszym miejscu, a f / 8 jest idealny. Na przysłonie f / 11 ostrość spada nieznacznie z powodu dyfrakcji . Przy f / 16, a szczególnie f / 22, dyfrakcja widocznie wpływa na ostrość obrazu. Zauważ, że nawet przy rozmyciu dyfrakcyjnym f / 22 jest wciąż znacznie ostrzejszy niż f / 1.4 lub f / 2.

Pomyśl o scenie złożonej z wielu małych dyskretnych punktów światła . Obiektyw ma konwertować każdy punkt na inny punkt w odpowiednim miejscu na obrazie. Dyfrakcja powoduje, że każdy punkt rozprzestrzenia się w kołowy wzór falowy, dysk Airy . Średnica dysku jest wprost proporcjonalna do liczby f: to jest „ granica dyfrakcji ”.

Gdy liczba f jest zwiększana od minimum (szeroko otwarta soczewka), światło padające w punkcie na obrazie będzie pochodzić z węższego obszaru soczewki. To sprawia, że ​​obraz jest ostrzejszy. Wraz ze wzrostem liczby f dyski Airy stają się większe. W pewnym momencie oba efekty równoważą się, aby uzyskać ostry obraz. Ten punkt jest zwykle w zakresie od f / 5.6 do f / 8 w lustrzankach. Przy mniejszych wartościach f przejmowane są ogólne właściwości obiektywu (jego aberracji), aby uzyskać bardziej miękki obraz. Przy większych liczbach f miękkość jest zdominowana przez efekt dyfrakcji.

Można to dość dobrze zmierzyć za pomocą własnych obiektywów i bez specjalnego sprzętu . Zamontuj aparat na statywie przed ostrym, szczegółowym, dobrze oświetlonym płaskim celem o dużym kontraście. (Użyłem strony z czasopisma; działało dobrze.) Użyj najlepszych ustawień: najniższego ISO, właściwej ekspozycji, zablokowanego lustra, średniej długości ogniskowej dla obiektywu zmiennoogniskowego (lub też zmieniaj długość ogniskowej), średniej odległości, idealnie w centrum uwagi, w formacie RAW. Zrób serię zdjęć, na których zmieniasz tylko przysłonę i czas ekspozycji (aby utrzymać stałą ekspozycję). Spójrz na sekwencję zdjęć w 100% na dobrym monitorze: zobaczysz, gdzie jest „słaby punkt” aparatu i zobaczysz efekty używania szerszych lub węższych przysłon.

Poniższa sekwencja pochodzi z serii dla obiektywu Canon 85 mm f / 1.8, który jest całkiem niezły. Od góry do dołu są rośliny w 100% (przekonwertowane na wysokiej jakości JPEG do wyświetlania w Internecie) na f / 1.8, 2.8, 5.6, 11 i 22. Możesz zobaczyć rosnące efekty dyfrakcji na f / 11 i f / 22 w dolne dwa obrazy. Należy pamiętać, że w przypadku tego konkretnego obiektywu używanego z tym konkretnym aparatem (EOS T2i, czujnik APS-C) miękkość dyfrakcyjna przy wysokich wartościach f nie zbliża się do miękkości obserwowanej przy szeroko otwartym obiektywie. Posiadanie porównywalnych informacji dla własnych obiektywów, które można uzyskać w ciągu kilku minut, może być cenne przy wyborze parametrów ekspozycji na ważnych zdjęciach.

f / 1.8

f / 2.8

f / 5.6

f / 11

f / 22

Dyfrakcja się dzieje. To fakt z życia. Gdy soczewki są używane szeroko otwarte, inne aberracje soczewki są zdecydowanie zbyt widoczne, aby można było zauważyć niewielką utratę ostrości z powodu dyfrakcji. Zatrzymaj się trochę, a abberacje zostaną zminimalizowane - obiektyw wydaje się być coraz lepszy. Dyfrakcja jest tam, ale wciąż tak naprawdę nie zauważyć, ponieważ światło nie przechodzi w pobliżu krawędzi znacznie outvotes światło, które jest przechodzącą się trochę zbyt blisko ostrza przysłony.

W pewnym momencie, gdy zatrzymujesz obiektyw w dół, zyski, które osiągasz dzięki wyeliminowaniu różnic optycznych między środkową i zewnętrzną częścią elementów soczewki, zaczynają zanikać - nie ma już wystarczającej ilości ostro skupionego światła, aby zagłuszyć światło zewnętrzne - obrazu ostrości spowodowanego zginaniem światła wokół krawędzi ścieżki optycznej (dyfrakcja). Obiektyw nie poprawi się już po przymknięciu - zbyt dużo światła ulega dyfrakcji w porównaniu do światła przechodzącego przez środek. Od tego momentu zatrzymanie spowoduje, że obraz będzie bardziej miękki.

Punktem, w którym soczewka jest zatrzymana tak daleko, jak to możliwe, bez zwiększania miękkości, jest granica dyfrakcji. W przypadku niektórych obiektywów jest to o tyle, na ile można się przymknąć - na przykład Nikon tradycyjnie utrzymywał stosunkowo szeroki minimalny otwór względny (f / 16) w wielu swoich konstrukcjach. W przypadku innych obiektywów (szczególnie makr) możesz mieć jeszcze kilka przystanków lub więcej; względy głębi ostrości mogą być ważniejsze niż absolutna ostrość w niektórych zastosowaniach.

Cała fotografia to kompromis. Może się zdarzyć, że chcesz zatrzymać się dalej niż optymalnie, ale pomaga to być świadomym poczynionych kompromisów. Przymykanie jest łatwą odpowiedzią na DOF, ale jeśli jesteś uzależniony od krajobrazów i robienia ich wszystkich na f / 22 lub f / 32, może być czas rzucić okiem na obiektyw uchylno-przesuwny.

Podczas gdy odpowiedzi już tutaj opisują dobrze dyfrakcję . Limit dyfrakcji jest najczęściej używany do opisania punktu, w którym przymknięcie obiektywu nie daje więcej szczegółów w stosunku do wielkości piksela czujnika aparatu.

Po osiągnięciu limitu dyfrakcji aparatu DOWOLNY obiektyw zatrzymany poza tą przysłoną daje bardziej miękkie rezultaty. Jest to bezpośrednio związane z rozmiarem poszczególnych pikseli, a nie wielkości czujnika.

W nowoczesnych lustrzankach cyfrowych granica dyfrakcji zostanie osiągnięta między F / 11 a F / 16. W aparatach z małymi czujnikami może to być F / 8 lub nawet mniej. Zauważysz, że większość małych aparatów nie korzysta z otworów mniejszych niż F / 8 z tego właśnie powodu. Niektórzy używają nawet stałej przysłony (F / 3.5 lub podobnej) i symulują mniej światła wpadającego przez poślizg filtra ND zamiast przymykania. Niestety faktycznie umieścili symulowany F-stop w EXIF, więc musisz wiedzieć, że aparat zdaje sobie sprawę, że używa filtra ND zamiast normalnej apertury.

Ta strona na stronie Cambridge In Colour zawiera szczegółowe techniczne wyjaśnienie limitu dyfrakcji. Ma również kalkulator online do sprawdzania, czy określona kombinacja przysłony, aparatu, rozmiaru wydruku i odległości oglądania jest ograniczona dyfrakcją, czy nie.

Krótka odpowiedź…

Limit Dyfrakcja jest najmniejsza plamka dany system soczewek mogą tworzyć / resolve / ostrość.

Machanie rękami: Soczewki mogą skupiać światło w małym miejscu, ale nie w punkcie. Rozmiar plamki może różnić się w zależności od długości fali, przy czym krótkie długości fal tworzą mniejsze plamki niż dłuższe. Gdy zostanie użyta bardzo dobra soczewka wolna od aberracji (ograniczona dyfrakcja), kolimowane światło wytworzy zwiewny dysk jako plamkę w ognisku. Zwiewny dysk jest wciąż najmniejszym miejscem, które można wytworzyć za pomocą tej soczewki na tym otworze przy tej długości fali (przy użyciu skolimowanego światła). Większe przysłony dają mniejsze plamki z większym skupieniem i zmniejszoną głębią ostrości niż mniejsze otwory.

Zauważ, że nie możesz stworzyć zwiewnego dysku ze sceną obrazkową. Skolimowane światło nie tworzy obrazu.

Zaraz, zatrzymaj się tutaj : większe otwory numeryczne wytwarzają mniejsze plamy ma sens, jeśli weźmiesz pod uwagę, że we wzorze formuła jest stosowana jako wartość wzajemna. Także w tym przypadku ważną rolę odgrywa dyspersja.

Limit dyfrakcji to maksymalny limit ostrości obiektywu wynikający z praw fizyki. Zasadniczo nie można uzyskać ostrzejszych zdjęć bez względu na to, ile pikseli ma aparat lub jak doskonały jest układ optyczny.

Niepożądanym efektem jest ustawienie powiększenia większego niż pozwala na to limit dyfrakcji, a zdjęcie nie staje się ostrzejsze, a jedynie większe. Często dzieje się tak w teleskopach i mikroskopach. Dlatego właśnie mikroskopy elektroniczne są używane zamiast optycznych, ponieważ te optyczne nie widzą wyraźnie ostrzejszego niż X.

Ciecze zanurzeniowe pozwalają zwiększyć limit do robienia zdjęć w wyższej rozdzielczości w mikroskopie optycznym.