Что такое «дифракционный предел»?

Было несколько очень хороших ответов, однако есть пара деталей, которые не были упомянуты. Во-первых, на каждой диафрагме всегда происходит дифракция, поскольку свет огибает края диафрагмы и создает « Диск Эйри ». Размер воздушного диска и доля диска, состоящего из внешних колец, и амплитуда каждой волны во внешних кольцах увеличиваются по мере закрытия апертуры (физическая апертура становится меньше). как Whuber упомянул в своем ответе:

Думайте о сцене как о множестве маленьких дискретных точек света.

Вы понимаете, что каждая из этих точек света, сфокусированная вашим объективом, создает свой собственный воздушный диск на носителе изображения.

Относительно носителя изображения

Следует также четко отметить, что дифракционный предел на самом деле не является ограничением линзы. Как отмечалось выше, линзы всегда создают дифракционную картину, меняется только степень и протяженность этой картины, когда линза закрывается. «Предел» дифракции зависит от среды формирования изображения. Сенсор с меньшими фотосайтами или пленка с меньшим зерном будут иметь более низкий предел дифракции, чем датчики с более крупными фотосайтами/зернами. Это связано с тем, что фотосайт меньшего размера покрывает меньшую площадь воздушного диска, чем фотосайт большего размера. Когда воздушный диск увеличивается в размере и интенсивности по мере того, как линза закрывается, воздушный диск влияет на соседние фотосайты.

Дифракционный пределэто точка, в которой воздушные диски становятся достаточно большими, чтобы они начали воздействовать более чем на один фотосайт. По-другому на это можно посмотреть, когда воздушные диски от двух точечных источников света, разрешаемых сенсором, начинают сливаться. При широкой апертуре два точечных источника света, отображаемые датчиком, могут воздействовать только на отдельные соседние фотосайты. Когда апертура закрыта, воздушный диск, создаваемый каждым точечным источником света, увеличивается до точки, в которой внешние кольца каждого воздушного диска начинают сливаться. Это точка, в которой датчик «ограничен дифракцией», поскольку отдельные точечные источники света больше не разрешаются в один фотосайт ... они сливаются и охватывают более одного фотосайта. Точка, в которой сливаются центры каждого воздушного диска, является пределом разрешения, и вы больше не сможете разрешить более мелкие детали независимо от используемой диафрагмы. Это частота среза дифракции.

Следует отметить, что линза может разрешать меньшее пятно пикселей в среде формирования изображения. Это тот случай, когда воздушные диски, сфокусированные линзой, покрывают лишь часть фотосайта. В этом случае, даже если два точечных источника света с высоким разрешением генерируют воздушные диски, которые сливаются на одном фотосайте, конечный результат будет одинаковым... датчик обнаружит только один точечный источник света независимо от апертуры. «Дифракционный предел» такого датчика будет выше (скажем, f/16), чем у датчика, способного четко различать оба точечных источника света (который может иметь дифракционное ограничение при f/8). Также возможно и вероятночто точечные источники света НЕ будут идеально сфокусированы на центр фотосайта. Вполне вероятно, что воздушный диск будет сфокусирован на границе между двумя фотосайтами или на стыке четырех фотосайтов. В черно-белом датчике или фовеонном датчике (составные датчики цвета) это вызовет только смягчение. В цветном датчике Байера, где квадратное соединение 4 фотосайтов будет фиксировать чередующийся узор цветов GRGB, воздушный диск может повлиять на окончательный цвет, воспроизводимый этими четырьмя фотосайтами, а также вызвать смягчение или неправильное разрешение.

Мой Canon 450D с 12,2-мегапиксельным датчиком APS-C имеет дифракционный предел f/8,4. Напротив, полнокадровый сенсор Canon 5D Mark II с разрешением 21,1 МП имеет дифракционный предел f/10,3. Сенсор большего размера, несмотря на то, что у него почти в два раза больше мегапикселей, может сделать дополнительную остановку, прежде чем столкнется с дифракционным пределом. Это связано с тем, что физический размер фотосайтов на 5D II больше, чем на 450D. (Хороший пример одного из многочисленных преимуществ больших сенсоров.)

Ключи в миксе

Вы можете часто сталкиваться с таблицами в Интернете, в которых указана определенная апертура с ограничением дифракции для определенных форматов. Я часто вижу, что f/16 используется для сенсоров APS-C, а f/22 — для полнокадровых. В цифровом мире эти цифры вообще бесполезны. Апертура, ограничивающая дифракцию (DLA), в конечном счете, является функцией отношения размера сфокусированной точки света (включая рисунок воздушного диска) к размеру одного светочувствительного элемента на датчике. Для любого заданного размера сенсора, APS-C или Full Frame, предел дифракции будет меняться в зависимости от размера фотосайтов. Пример этого можно увидеть в линейке камер Canon EOS Rebel на протяжении многих лет:

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

История должна быть похожа на размер зерна пленки. Пленки с более мелкой зернистостью в конечном итоге будут более восприимчивы к дифракционному размягчению при более низких значениях апертуры, чем пленки с более крупной зернистостью.

Частота среза дифракции

Дифракцию часто рекламируют как убийцу изображения, и люди говорят о «пределе дифракции» как о точке, в которой вы больше не можете разрешать изображение «полезно». Напротив, предел дифракции — это только точка, в которой дифракция начинает влиять на изображение для конкретного носителя изображения, который вы используете. Частота среза дифракции — это точка, в которой дополнительная резкость невозможна для данной апертуры, и это действительно функция объектива и физической апертуры.

Формула для частоты среза дифракции для (идеальных) оптических систем выглядит следующим образом:

fc = 1 / (λ * f#) циклов/мм

В нем говорится, что обратная величина длины волны фокусируемого света, умноженная на число f линзы, представляет собой количество циклов на миллиметр, которое может быть разрешено. Частота среза дифракции обычно представляет собой точку, в которой разрешение достигает длины волны частот самого света. Для видимого света λ между 380–750 нм или 0,38–0,75 мкм. До тех пор, пока не будет достигнута частота среза для данной апертуры, можно достичь большего разрешения.

Визуальные примеры

Последовательность изображений Whubers выше является достойным примером эффекта дифракции, а также эффекта оптических аберраций, когда объектив широко открыт. Я думаю, что он немного страдает от смещения фокуса из-за сферической аберрации, поэтому я создал анимированный GIF-файл, демонстрирующий эффекты изменения диафрагмы объектива Canon 50mm f/1.4 от самой широкой до самой узкой с полными стопами. .

(Примечание: изображение большое, 3,8 мегабайта, поэтому дайте ему загрузиться полностью, чтобы увидеть сравнение резкости на каждой остановке.) Изображение демонстрирует заметные оптические аберрации при съемке с широко открытой диафрагмой, в частности хроматические аберрации и некоторые сферические аберрации (могут быть некоторые небольшая пурпурная окантовка ... Я пытался сфокусироваться.) При остановке до f / 2 CA значительно уменьшается. От f/2.8 до f/8 резкость находится на пике, а f/8 идеальна. На f/11 резкость немного падает из-за дифракции . При f/16 и особенно f/22 дифракция заметно влияет на резкость изображения. Обратите внимание, что даже с дифракционным размытием f/22 все еще значительно резче, чем f/1.4 или f/2.

Думайте о сцене как о множестве маленьких дискретных точек света . Предполагается, что линза преобразует каждую точку в другую точку в соответствующем месте изображения. Дифракция заставляет каждую точку распространяться в виде круговой волнообразной картины, диска Эйри . Диаметр диска прямо пропорционален числу f: это « дифракционный предел ».

По мере увеличения числа f от минимального (широко открытый объектив) свет, падающий в точку на изображении, будет исходить из более узкой области объектива. Это, как правило, делает изображение более четким. По мере увеличения числа f диски Эйри становятся больше. В какой-то момент два эффекта уравновешиваются, чтобы сделать изображение максимально четким. Эта точка обычно находится в диапазоне от f/5,6 до f/8 на зеркальных камерах. При меньших числах f общие свойства объектива (его аберрации) преобладают, делая изображение более мягким. При больших числах f в мягкости преобладает эффект дифракции.

Вы можете достаточно хорошо измерить это с помощью собственных объективов и без специального оборудования . Установите камеру на штатив перед четкой, детализированной, хорошо освещенной плоской мишенью с большим контрастом. (Я использовал страницу из журнала, все работало нормально.) Используйте свои лучшие настройки: самое низкое значение ISO, правильная экспозиция, зеркало заблокировано, среднее фокусное расстояние для зум-объектива (или также меняйте фокусное расстояние), среднее расстояние, идеально в фокусе, формат RAW. Сделайте серию фотографий, на которых вы меняете только диафрагму и время экспозиции (чтобы сохранить постоянную экспозицию). Посмотрите на последовательность изображений в масштабе 100% на хорошем мониторе: вы увидите, где находится «золотое пятно» вашей камеры, и вы увидите эффект от использования более широкой или узкой апертуры.

Следующая последовательность взята из серии для объектива Canon 85 мм f/1.8, который является довольно хорошим. Сверху вниз показаны 100% обрезки (преобразованные в высококачественный JPEG для отображения в Интернете) при f/1,8, 2,8, 5,6, 11 и 22. Вы можете увидеть усиливающийся эффект дифракции при f/11 и f/22 в два нижних изображения. Обратите внимание, что для этого конкретного объектива, используемого с этой конкретной камерой (EOS T2i, датчик APS-C), мягкость дифракции при высоких числах f не приближается к мягкости, наблюдаемой при широко открытом объективе. Наличие сопоставимой информации для собственных объективов, которую можно получить за несколько минут, может оказаться полезным для выбора параметров экспозиции на важных фотографиях.

f/1.8

f/2.8

f/5.6

f/11

f/22

Происходит дифракция. Это правда жизни. Когда линзы используются широко открытыми, аберрации других линз слишком заметны, чтобы вы могли заметить небольшую потерю резкости из-за дифракции. Немного уменьшите диафрагму, и эти аберрации будут сведены к минимуму — кажется, что объектив становится все лучше и лучше. Дифракция есть, но вы все еще не замечаете ее, потому что свет, который не проходит вблизи краев, значительно превосходит свет, который проходит слишком близко к лепесткам диафрагмы.

В какой-то момент, когда вы закрываете объектив, преимущества, которые вы получаете, устраняя оптические различия между центральной и внешней частями элементов объектива, начинают исчезать — больше не остается достаточно четко сфокусированного света, чтобы заглушить внешний свет. расфокусированное изображение, вызванное отклонением света от краев оптического пути (дифракция). Объектив не станет лучше, когда вы переместите диафрагму ниже — дифрагирует слишком много света по сравнению со светом, проходящим через середину. С этого момента диафрагмирование сделает изображение более мягким.

Точка, в которой линза закрывается настолько, насколько это возможно без увеличения мягкости, является пределом дифракции. Для некоторых объективов это максимальное значение диафрагмы — Nikon, например, традиционно сохраняет относительно широкую минимальную диафрагму (f/16) во многих своих моделях. На других объективах (особенно на макросъемке) у вас может быть пара ступеней или больше; соображения глубины резкости могут быть более важными, чем абсолютная резкость в некоторых приложениях.

Вся фотография — это компромисс. Могут быть моменты, когда вы хотите остановиться дальше оптимального, но это помогает осознавать компромиссы, на которые вы идете. Уменьшение резкости — это простой ответ на вопрос о ГРИП, но если вы увлекаетесь пейзажами и снимаете их все с диафрагмой f/22 или f/32, возможно, пришло время взглянуть на объектив с наклоном/сдвигом.

Хотя ответы уже здесь хорошо описывают дифракцию . Дифракционный предел чаще всего используется для описания точки, в которой диафрагма вашего объектива не дает вам более подробной информации по отношению к размеру пикселя сенсора вашей камеры.

Когда вы достигли дифракционного предела вашей камеры, ЛЮБОЙ объектив, остановленный за пределами этой апертуры, даст вам более мягкие результаты. Это напрямую связано с размером отдельных пикселей, а не с размером сенсора.

На современных зеркальных фотокамерах дифракционный предел находится между F/11 и F/16. На камерах с маленькими матрицами это может быть F/8 или даже меньше. Вы заметите, что большинство крошечных камер не используют апертуру меньше F/8 именно по этой причине. Некоторые даже используют фиксированную диафрагму (F / 3,5 или около того) и имитируют меньшее количество поступающего света, вставляя фильтр нейтральной плотности вместо диафрагмы. К сожалению, они на самом деле помещают смоделированный F-stop в EXIF, поэтому вам нужно знать камеру, чтобы понять, что она использует фильтр ND, а не обычную диафрагму.

На этой странице сайта Cambridge In Color содержится подробное техническое объяснение дифракционного предела. Он также имеет онлайн-калькулятор для проверки того, является ли конкретная комбинация апертуры, камеры, размера отпечатка и расстояния просмотра дифракционным ограничением или нет.

Короткий ответ…

Дифракционный предел — это наименьшее пятно, которое данная система линз может создать/разрешить/сфокусировать.

Размахивание руками: линзы могут фокусировать свет в маленьком пятне, но не в точке. Размер пятна может варьироваться в зависимости от длины волны, при этом короткие волны образуют пятно меньшего размера, чем более длинные. Когда используется очень хороший объектив без аберраций (с ограничением дифракции), коллимированный свет будет создавать воздушный диск в виде пятна в фокусе. Воздушный диск по-прежнему является наименьшим пятном, которое можно получить с помощью этой линзы с такой апертурой и с этой длиной волны (с использованием коллимированного света). Большие апертуры дают меньшие размеры пятна с более плотным фокусом и меньшей глубиной резкости, чем меньшие апертуры.

Обратите внимание, что вы не можете создать воздушный диск с картинной сценой. Коллимированный свет не формирует изображение.

Ого, остановитесь прямо здесь : большие числовые апертуры производят меньшие пятна, что имеет смысл, если учесть, что в формуле апертура используется как обратное значение. Дисперсия здесь тоже играет роль.

Дифракционный предел — это максимальный предел резкости объектива, обусловленный законами физики. По сути, вы не сможете получить более четкое фото, независимо от того, сколько пикселей у вашей камеры или насколько совершенна оптическая система.

Нежелательный эффект возникает, когда вы устанавливаете масштаб больше, чем позволяет дифракционный предел, и фотография не становится резче, а только больше. Это часто случается в телескопах и микроскопах. По этой же причине электронные микроскопы используются вместо оптических, так как оптические не могут видеть четко острее, чем X.

Иммерсионные жидкости позволяют увеличить предел для получения фотографий более высокого разрешения в оптической микроскопии.