Есть ли в камере интерференция с одной щелью?

Вот серия фотографий, сделанных той же камерой и объективом, но с разным размером входного зрачка (диафрагма используемой части объектива медленная).

Параметр$\rm f/N$имеет$N$называется числом f.
$N = \frac f D$где$f$- фокусное расстояние линзы (в данном случае фиксированное) и$D$диаметр входного зрачка (уменьшается по мере$N$увеличивается).

Даже с проблемой отображения изображений на пикселизированном экране компьютера вы должны увидеть эффект дифракции.
По мере увеличения числа f меньший входной зрачок создавал более крупные дифракционные картины, что приводило к тому, что изображение не выглядело таким четким.

На некоторых камерах эффект может быть не так отчетливо виден, потому что изображение формируется на детекторе, состоящем из множества дискретных областей, называемых пикселями.
Если размер размытия из-за дифракции меньше размера пикселя, то именно размер пикселя приведет к недостаточной резкости изображения.

Однако даже если дифракция может вызвать нечеткость части изображения, как показано ниже.

может случиться так, что фотограф может уменьшить размер входного зрачка, чтобы получить лучшее изображение в целом.

Верхнее изображение с большим входным зрачком, а нижнее — входным зрачком гораздо меньшего размера.

Улучшение, показанное на нижнем рисунке, обусловлено рядом факторов.
Один из возможных факторов заключается в том, что при уменьшении входного зрачка линзой преломляются только лучи, близкие к главной оси, и, таким образом, уменьшаются эффекты, связанные с дефектами (аберрациями) линзы.
Примером этого эффекта является прищуривание или взгляд на удаленный объект через отверстие между двумя соприкасающимися пальцами, что может улучшить ваше зрение, если вы близоруки.

Еще одна вещь, которая улучшается при уменьшении входного зрачка, — это глубина резкости — диапазон расстояний от объектива до объектов, дающих достаточно четкое изображение.
Обратите внимание, как верхнее изображение размыто на периферии, хотя эффект дифракции меньше, чем для нижнего изображения.

Разрешение («резкость»), которое вы получаете с камерой, зависит от ряда факторов (примерно в порядке важности ... хотя это субъективный порядок, поскольку любой из них может испортить ваше изображение:

• Степень фокусировки
• Качество объектива
• Разрешение сенсора (или размер зерна пленки)
• Дифракция

Очевидно, что если вы не сфокусируете объект должным образом, изображение будет нечетким. Теперь получается, что по мере того, как ваш объектив становится меньше (имеется в виду большее число f, то есть отношение фокусного расстояния к диаметру), фокусировка становится менее важной. Это связано с тем, что эффект размытия из-за того, что вы не в фокусе, в основном представляет собой свертку размера апертуры с изображением, масштабируемую степенью расфокусировки. Лучше всего пояснить на схеме:

Из этого вы можете извлечь две вещи: когда ваша пленка (сенсор) находится не в том месте, свет не фокусируется в точку; а размер «капли» зависит от угла, под которым линза прилегает к пленке. Когда вы фотографируете объекты на разном расстоянии, каждый хочет проецироваться на другую плоскость. Когда апертура вашего объектива мала, создаваемые «капли» будут маленькими; мы говорим, что вы получаете хорошую «глубину фокуса». Когда линза больше, пятна больше, и только то, что сфокусировано «точно», будет выглядеть хорошо.

В большинстве случаев это то, что определяет резкость вашего изображения.

Тем не менее, возможно, что другие факторы, которые я перечислил, могут быть важными. В случае дифракции (ваш вопрос) дифракционная картина круглого отверстия (обычно разумное предположение) представляет собой диск Эйри, а ширина диска примерно

Где$f$это фокусное расстояние,$d$диаметр объектива и$\lambda$длина волны.

Сейчас$\frac{f}{d}$называется «числом f» объектива. Для большинства камер этот диапазон может варьироваться от 2,8 до 22, хотя возможен и более широкий диапазон. Когда число f велико, эффект дифракции велик: если вы принимаете длину волны 500 нм, «капли» составляют около f$\times$Ширина 600 нм.

По этой ссылке есть очень хорошая статья, описывающая влияние размера пикселя на ряд проблем с изображением . Он включает в себя красивую таблицу размера дифракционного «капли» для разных цветов в зависимости от числа f:

                      Table 6
    ================================================
                 red=     Green=    Blue=
                  0.6      0.53      0.47
                micron   micron    micron
    ================================================
    f/ratio     diffraction spot diameter in microns
    ================================================
           2      2.9       2.6       2.3
         2.8      4.1       3.6       3.2
           4      5.9       5.2       4.6
         5.6      8.2       7.2       6.4
           8     11.7      10.3       9.2
          11     16.1      14.2      12.6
          16     23.4      20.7      18.3
          19     27.8      24.6      21.8
          22     32.2      28.5      25.2
          32     46.8      41.4      36.7
          45     65.9      58.2      51.6
          64     93.7      82.8      73.4
    ================================================

Размер пикселя Canon 1D Mark II составляет 8,2 мкм, поэтому при съемке объективом с числом f больше 5,6 дифракция (а не размер пикселя) начинает ограничивать производительность. Обратите внимание, что камеры с меньшими датчиками, как правило, имеют меньшие пиксели (ваш телефон iPhone 5 может иметь пиксели примерно 1,5 микрона). Это говорит о том, что датчик достиг дифракционного предела — увеличение количества мегапикселей не поможет в этом форм-факторе, потому что вы не можете уменьшить число f или увеличить фокусное расстояние (и увеличить датчик). Однако, когда дифракционное пятно охватывает 10 или более пикселей, вы можете начать некоторую обработку изображения (фильтрацию деконволюции), чтобы сделать изображение более четким. Как вы можете видеть из таблицы, на самом деле вам нужно «размыть» разные длины волн (R, G,

Я не смог определить, сделано ли это. Камера на вашем iPhone имеет число f 2,2, поэтому дифракция не слишком важна.

Вы найдете соответствующие обсуждения здесь . Кроме того, эффект «звездообразования», о котором спрашивают в этом вопросе, является эффектом дифракции, хотя в данном случае особый эффект вызывает тот факт, что апертура состоит из лепестков с прямыми краями. Это недвусмысленно демонстрирует, что дифракция действительно имеет место, но в этом случае геометрия благоприятствует только нескольким направлениям, что дает эффект на гораздо большем расстоянии (когда источник света настолько яркий, а рисунок проходит только по выбранным направлениям, вы можете видеть N-й дифракционный пик, в основном).

Запоздалая мысль:

Второй момент, который я отметил, «качество объектива», — это то, о чем мы часто забываем в наши дни, потому что большинство объективов очень хороши. Но не линза в человеческом глазу. У меня тяжелый астигматизм — в основном, линза в моем глазу немного цилиндрическая, а это означает, что нет единого расстояния, на котором точка фокусируется в точку — вместо этого это будет вытянутое пятно. Когда много света, и мой зрачок сужается, вещи намного лучше в фокусе, потому что, когда используется меньше «несовершенной» линзы, эффект меньше. Я могу имитировать это, частично закрывая глаз — закрывая «особенно плохую» часть линзы, я в конечном итоге вижу лучше... Дифракция действительно вступает в игру, когда эти другие вещи больше не являются ограничивающим фактором.

Да, но это не единственная проблема. Это может выглядеть так. (См. эту статью в Википедии о дифракции Френеля .) Похоже, это связано с точечным отверстием, а не с большой апертурой камеры. И в этом примере центр представляет собой темное пятно, а не светлое пятно. Для камеры центральное пятно будет ярко выраженным, а кольца маленькими и слабыми, как на вашем графике.

Если вы фотографируете точечный источник, в идеале на фото должна быть точка. На деле покажет пятно. Этому есть ряд причин, одна из которых — дифракция. Дифракция - это интерференция «одной щели», где щель в данном случае представляет собой круглое отверстие.

Но интерференция сочетается с несовершенством объектива. Это так называемые аберрации. Одна из них — сферическая аберрация. Это результат изготовления линзы из сферических поверхностей (намного дешевле), а не идеальной формы. Разница в форме, как правило, крошечная, но достаточная, чтобы образовалось небольшое пятно.

Другое дело хроматическая аберрация. Показатель преломления стекла не является постоянным для всех длин волн. Таким образом, красный свет может фокусироваться на другом расстоянии, чем синий свет.

Есть и другие. Способ компенсировать их состоит в том, чтобы использовать несколько объективов и заставить аберрации одного компенсировать аберрации другого. Сложный трюк для камеры, которая должна работать, может иметь масштабирование, а также все другие проблемы. Если вы хорошо справляетесь, аберрации настолько малы, что самой большой проблемой остается дифракция. В этом случае линза имеет дифракционное ограничение и очень дорогая.

Если вас интересует больше, погуглите о дифракции Фраунгофера, дифракции Френеля, диске Эйри и дизайне линз.

Этот принцип на самом деле называется диском Эйри в честь сэра Джорджа Бидделла Эйри, известного астронома 1800-х годов. Он хорошо изучен и важен в фотографии и визуализации.

Обратите внимание: чем меньше диаметр, тем хуже разрешение, но увеличивается глубина резкости. Большая апертура обеспечивает меньшую дифракцию и лучшее изображение, но теряет глубину резкости.