ДИФРАКЦИЯ ОБЪЕКТИВА И ФОТОГРАФИЯ

Дифракция — это оптический эффект, который ограничивает общее разрешение вашей фотографии — независимо от того, сколько мегапикселей может иметь ваша камера. Это происходит из-за того, что свет начинает рассеиваться или «дифрагировать» при прохождении через маленькое отверстие (например, апертуру вашей камеры). Этим эффектом обычно можно пренебречь, поскольку меньшая апертура часто улучшает резкость за счет минимизации аберраций объектива. Однако при достаточно малой апертуре эта стратегия становится контрпродуктивной — говорят, что в этот момент ваша камера становится ограниченной дифракцией. . Знание этого предела может помочь максимизировать детализацию и избежать излишне длинной выдержки или высокой чувствительности ISO.

ФОН

Световые лучи, проходящие через маленькое отверстие, начнут расходиться и мешать друг другу. Это становится более важным по мере того, как размер апертуры уменьшается по сравнению с длиной волны проходящего через нее света, но в некоторой степени имеет место для любой апертуры или концентрированного источника света.

Поскольку теперь расходящиеся лучи проходят разные расстояния, некоторые из них смещаются в противофазе и начинают мешать друг другу, добавляя в одних местах и ​​частично или полностью сокращаясь в других. Эта интерференция создает дифракционную картину с максимальной интенсивностью там, где амплитуда световых волн складывается, и меньшей интенсивностью там, где они вычитаются. Если бы кто-то измерил интенсивность света, достигающего каждой позиции на линии, измерения выглядели бы как полосы, подобные показанным ниже.

Дифракционная картина

Двумерная дифракционная картина с идеальной круглой апертурой называется «диском Эйри» в честь ее первооткрывателя Джорджа Эйри. Ширина диска Эйри используется для определения теоретического максимального разрешения оптической системы (определяется как диаметр первого темного круга).

Airy Disk Трехмерная визуализация

Когда диаметр центрального пика воздушного диска становится большим по сравнению с размером пикселя в камере (или максимально допустимым кружком нерезкости), он начинает оказывать визуальное влияние на изображение. Как только два воздушных диска становятся ближе, чем на половину своей ширины, они также больше не могут быть разрешены (критерий Рэлея).

Едва решено больше не разрешено

Таким образом, дифракция устанавливает фундаментальный предел разрешения, который не зависит от количества мегапикселей или размера формата пленки. Это зависит только от числа f вашего объектива и от длины волны отображаемого света. Можно думать об этом как о наименьшем теоретическом «пикселе» детализации в фотографии. Кроме того, начало дифракции происходит постепенно; до ограничения разрешения он все еще может уменьшить мелкомасштабный контраст, заставив воздушные диски частично перекрываться.

ВИЗУАЛЬНЫЙ ПРИМЕР:ДИАФРАГМА VS. РАЗМЕР ПИКСЕЛЯ

Размер воздушного диска в первую очередь полезен в контексте размера пикселя. Следующий интерактивный инструмент показывает один воздушный диск в сравнении с размером в пикселях для нескольких моделей камер:

Примечание:приведенный выше воздушный диск будет казаться более узким, чем его указанный диаметр (поскольку это определяется тем, где он достигает своего первого минимума, а не видимой внутренней яркой областью).

В результате сглаживающего фильтра датчика (и вышеприведенного критерия Рэлея) воздушный диск может иметь диаметр около 2-3 пикселей до того, как дифракция ограничит разрешение (при условии, что в остальном линза идеальна). Однако дифракция, скорее всего, окажет влияние на зрение до достижения этого диаметра.

В качестве двух примеров:Canon EOS 20D начинает демонстрировать дифракцию примерно при f/11, тогда как Canon PowerShot G6 начинает проявлять свои эффекты только при f/5,6. С другой стороны, Canon G6 не требует такой маленькой апертуры, как у 20D, для достижения такой же глубины резкости (из-за гораздо меньшего размера сенсора).

Поскольку размер воздушного диска также зависит от длины волны света, каждый из трех основных цветов достигнет своего дифракционного предела при различной апертуре. Приведенный выше расчет предполагает свет в середине видимого спектра (~ 550 нм). Типичные цифровые зеркальные камеры могут захватывать свет с длиной волны от 450 до 680 нм, поэтому в лучшем случае воздушный диск будет иметь диаметр, равный 80 % размера, показанного выше (для чистого синего света).

Еще одна сложность заключается в том, что датчики, использующие матрицу Байера, выделяют вдвое больше пикселей для зеленого, чем для красного или синего света, а затем интерполируют эти цвета для получения окончательного полноцветного изображения. Это означает, что по мере приближения к дифракционному пределу первыми признаками будут потеря разрешения в зеленом цвете и яркости на уровне пикселей. Для синего света требуется самая маленькая апертура (самая высокая диафрагма), чтобы уменьшить его разрешение из-за дифракции.

Другие технические примечания:

• Физические пиксели на самом деле не занимают 100 % площади сенсора, между ними есть промежутки. Этот расчет предполагает, что микролинзы делают эти зазоры незначительными.
• У некоторых камер пиксели имеют слегка прямоугольную форму, и в этом случае дифракция снижает разрешение больше в одном направлении, чем в другом.
• На приведенной выше диаграмме апертура аппроксимирована как круглая (обычное приближение), но на самом деле это многоугольник с 5–8 сторонами.
• При расчете площади пикселя предполагается, что они простираются до края каждого сенсора, и все они вносят свой вклад в итоговое изображение. На самом деле производители камер оставляют неиспользованными некоторые пиксели по краям сенсора. Поскольку не все производители указывают количество используемых и неиспользуемых пикселей, при расчете доли общей площади сенсора учитывались только используемые пиксели. Таким образом, приведенные выше размеры пикселей немного больше, чем если бы они были измерены (но не более чем на 5%).

КАК ЭТО ВЫГЛЯДИТ

Хотя приведенные выше диаграммы помогают понять концепцию дифракции, только реальная фотография может показать ее визуальное воздействие. Следующая серия изображений была сделана камерой Canon EOS 20D, которая обычно демонстрирует смягчение из-за дифракции за пределами f/11. Наведите указатель мыши на каждое число f, чтобы увидеть, как они влияют на мелкие детали:

Выберите диафрагму:

f/8.0

f/11

f/16

f/22

Диски Airy не перекрываются Частичное перекрытие дисков Эйри

Обратите внимание, что большинство линий на ткани по-прежнему имеют разрешение при f/11, но имеют немного более низкий мелкомасштабный контраст или четкость (особенно там, где линии ткани расположены очень близко). Это связано с тем, что воздушные диски лишь частично перекрываются, подобно эффекту на соседние ряды чередующихся черных и белых воздушных дисков (как показано справа). К диафрагме f/22 почти все тонкие линии были сглажены, потому что воздушные диски больше, чем эта деталь.

РАСЧЕТ ДИФРАКЦИОННОГО ПРЕДЕЛА

В приведенной ниже форме рассчитывается размер диска Эйри и оценивается, стала ли камера ограниченной дифракцией. Нажмите «Показать дополнительные», чтобы определить собственный кружок нерезкости (CoC) или увидеть влияние размера пикселя.

Примечание. CF =«кроп-фактор» (обычно называемый множителем фокусного расстояния); предполагает квадратные пиксели, соотношение сторон 4:3 для компактных цифровых фотоаппаратов и 3:2 для зеркальных фотокамер. .

Этот калькулятор показывает, что камера имеет дифракционное ограничение, когда диаметр воздушного диска превышает то, что обычно разрешается на отпечатке 8x10 дюймов, если смотреть с одного фута. Нажмите «Показать дополнительные», чтобы изменить критерии достижения этого предела. Флажок «установить круг нерезкости на основе пикселей» указывает, когда дифракция может стать видимой на компьютере в масштабе 100%. Дополнительные сведения о каждой настройке ввода см. также в калькуляторе глубины резкости.

На практике дифракционный предел не обязательно вызывает резкое изменение; на самом деле существует постепенный переход между тем, когда дифракция видна, и когда она невидима. Кроме того, этот предел является лишь наилучшим сценарием при использовании во всем остальном идеального объектива; реальные результаты могут отличаться.

ПРИМЕЧАНИЯ ПО РЕАЛЬНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В ФОТОГРАФИИ

Даже когда система камер близка к дифракционному пределу или только что вышла за него, другие факторы, такие как точность фокусировки, размытость изображения при движении и несовершенные линзы, скорее всего, будут иметь большее значение. Таким образом, дифракция ограничивает общую резкость только при использовании прочного штатива, фиксатора зеркала и очень качественного объектива.

Часто некоторая дифракция допустима если вы готовы пожертвовать резкостью в фокальной плоскости в обмен на резкость за пределами глубины резкости. В качестве альтернативы может потребоваться очень маленькая диафрагма для достижения достаточно длительной выдержки, например, для создания размытия движения с текущей водой. Другими словами, дифракция — это просто то, о чем следует помнить при выборе настроек экспозиции, аналогично тому, как можно сбалансировать другие компромиссы, такие как шум (ISO) и скорость затвора.

Это не должно наводить вас на мысль, что "большая апертура лучше" даже несмотря на то, что очень маленькие отверстия создают мягкое изображение; большинство объективов также довольно мягкие при использовании на открытой диафрагме (при максимально доступной диафрагме). Системы камер обычно имеют оптимальную апертуру между самой большой и самой маленькой настройками; с большинством объективов оптимальная резкость часто близка к дифракционному пределу, но с некоторыми объективами это может произойти даже раньше дифракционного предела. Эти расчеты показывают, только когда дифракция становится существенной, а не обязательно место оптимальной резкости (Подробнее об этом см. в разделе качество объектива камеры:MTF, разрешение и контрастность).

Меньшие пиксели чем-то хуже? Не обязательно. Тот факт, что был достигнут предел дифракции (с большими пикселями), не обязательно означает, что изображение хуже, чем если бы использовались меньшие пиксели (и предел был превышен); оба сценария по-прежнему имеют одинаковое общее разрешение (даже несмотря на то, что меньшие пиксели создают файл большего размера). Однако камера с меньшими пикселями будет отображать фотографию с меньшим количеством артефактов (таких как цветовой муар и алиасинг). Меньшие пиксели также обеспечивают большую творческую гибкость, поскольку они могут обеспечить более высокое разрешение, если возможно использование большей диафрагмы (например, когда глубина резкости может быть небольшой). С другой стороны, когда учитываются другие факторы, такие как шум и динамический диапазон, споры о "маленьких или больших" пикселях становятся более сложными...

Техническое примечание:независимость от фокусного расстояния Поскольку физический размер апертуры больше у телеобъективов (f/4 имеет диаметр 50 мм на 200 мм, но только 25 мм на 100 мм), почему воздушный диск не становится меньше? Это связано с тем, что более длинные фокусные расстояния также заставляют свет перемещаться дальше, прежде чем он попадет на датчик камеры, что увеличивает расстояние, на котором воздушный диск может продолжать расходиться. Таким образом, конкурирующие эффекты большей апертуры и большего фокусного расстояния компенсируются, оставляя важным только число f (описывающее фокусное расстояние относительно размера апертуры).

Для дополнительной информации по этой теме см. также приложение:Дифракция цифровой камеры, часть 2:разрешение, цвет и микроконтраст

Номер страницы:1 2