Что такое «дифракционный предел»?

Я видел используемый термин, но что такое «дифракционный предел», когда мне следует беспокоиться об этом и какие нежелательные эффекты являются его результатом?

Было несколько очень хороших ответов, однако есть пара деталей, которые не были упомянуты. Во-первых, дифракция всегда происходит в каждой апертуре, когда свет огибает края диафрагмы и создает « воздушный диск ». Размер воздушного диска, а также пропорция диска, который включает в себя внешние кольца, и амплитуда каждой волны во внешних кольцах, увеличивается при остановке диафрагмы (физическая апертура становится меньше.) Когда вы приближаетесь к фотографии в как Уубер упомянул в своем ответе:

Представьте себе сцену, состоящую из множества маленьких отдельных точек света.

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

Что касается изображения среднего

Также следует четко отметить, что дифракционный предел на самом деле не является ограничением линзы. Как отмечалось выше, линзы всегда создают дифракционную картину, только степень и степень этой картины изменяется при остановке объектива. «Предел» дифракции является функцией среды изображения. Датчик с меньшими фотосайтами или пленка с меньшим зерном будет иметь более низкий предел дифракции, чем сенсор с более крупными фотосайтами / зернами. Это связано с тем, что меньший фотосайт покрывает меньшую площадь воздушного пространства, чем больший фотосайт. Когда воздушный диск увеличивается в размерах и интенсивности по мере того, как объектив останавливается, воздушный диск воздействует на соседние фотосайты.

Дифракционный пределэто точка, где воздушные диски становятся настолько большими, что начинают воздействовать не только на один фотосайт. Еще один способ взглянуть на это, когда воздушные диски от двух точечных источников света, разрешаемых датчиком, начинают сливаться. При широкой апертуре два точечных источника света, отображаемых датчиком, могут воздействовать только на отдельные соседние фотосайты. Когда диафрагма останавливается, воздушный диск, генерируемый каждым точечным источником света, увеличивается до точки, где внешние кольца каждого воздушного диска начинают сливаться. Это та точка, в которой датчик «ограничен дифракцией», поскольку отдельные точечные источники света больше не распадаются на один фотосайт ... они объединяются и покрывают более одного фотосайта. Точка, в которой центр каждого воздушного диска сливается, является пределом разрешения, и вы больше не сможете разрешать мелкие детали независимо от используемой диафрагмы. Это частота среза дифракции.

Следует отметить, что для линзы возможно разрешить 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 высокой разрешающей способностью генерируют воздушные диски, которые сливаются на одном фотосайте, конечный результат будет одинаковым ... датчик будет обнаруживать только одну точечную лампу независимо от апертуры. «Предел дифракции» такого датчика будет выше (скажем, f / 16), чем для датчика, который способен четко различать оба точечных источника света (который может быть ограничен дифракцией при f / 8). Это также возможно и вероятноточечные источники света НЕ будут идеально сфокусированы на центре фотосайта. Весьма вероятно, что воздушный диск будет сфокусирован на границе между двумя фотосайтами или на стыке четырех фотосайтов. В черно-белом датчике или датчике фовеона (сложенные цветные сенсоры) это может привести только к смягчению. В цветном сенсоре Байера, где квадратное соединение из 4-х фотосайтов будет захватывать чередующийся рисунок цветов GRGB, поскольку воздушный диск может влиять на конечный цвет, представленный этими четырьмя фотосайтами, а также вызывать смягчение или неправильное разрешение.

Мой Canon 450D, 12,2-мегапиксельный датчик APS-C, имеет дифракционный предел f / 8,4. Напротив, Canon 5D Mark II, 21,1-мегапиксельный полнокадровый датчик, имеет предел дифракции f / 10,3. Более крупный датчик, несмотря на то, что он имеет почти вдвое больше мегапикселей, может сделать дополнительную остановку, прежде чем он достигнет своего предела дифракции. Это связано с тем, что физические размеры фотосайтов на 5D II больше, чем на 450D. (Хороший пример одного из многочисленных преимуществ больших датчиков.)

Гаечные ключи в смеси

В Интернете часто встречаются таблицы, в которых указана определенная диафрагма с ограничением диафрагмы для определенных форматов. Я часто вижу f / 16, используемый для датчиков APS-C, и f / 22 для Full Frame. В цифровом мире эти цифры, как правило, бесполезны. Диафрагма, 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 на 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 мелким зерном в конечном итоге будут более подвержены дифракционному смягчению при более низких отверстиях, чем пленки с более крупными зернами.

Частота отсечки дифракции

Дифракцию часто называют убийцей изображений, и люди говорят о «пределе дифракции» как о точке, в которой вы больше не можете разрешать изображение «с пользой». Напротив, предел дифракции - это только точка, в которой дифракция начинает влиять на изображение для конкретного носителя изображения, который вы используете. Частота дифракционной отсечки - 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

Это говорит о том, что обратная длина волны фокусируемого света, умноженная на число f линзы, равна числу циклов на миллиметр, которое можно разрешить. Частота дифракционной отсечки, как правило, является точкой, в которой разрешение достигает длины волны частот самого света. Для видимого света λ между 380-750 нм или 0,38-0,75 мкм. Пока частота среза не будет достигнута для данной апертуры, может быть достигнуто большее разрешение.

Визуальные примеры

Последовательность изображений Whubers, представленная выше, является достойным примером эффекта дифракции, а также эффекта оптических аберраций, когда объектив широко открыт. Я думаю, что это немного страдает от некоторого смещения фокуса из-за сферической аберрации, поэтому я создал анимированный GIF, который демонстрирует эффекты изменения диафрагмы объектива Canon 50mm f / 1.4 от его самой широкой диафрагмы до самой узкой, на полной остановке ,

(Примечание: изображение большое, 3,8 мг, поэтому дайте ему полностью загрузиться, чтобы увидеть сравнение резкости на каждой остановке.) Изображение демонстрирует заметную оптическую аберрацию при широко открытой съемке, в частности, хроматическую аберрацию и некоторую сферическую аберрацию (могут быть некоторые легкая фиолетовая окантовка ... Я пытался сфокусироваться на.) Остановился на f / 2, CA значительно уменьшился. От f / 2.8 до f / 8 резкость в самом начале, при этом f / 8 идеальна. На f / 11 резкость падает очень незначительно из-за дифракции . При f / 16 и особенно f / 22 дифракция заметно влияет на резкость изображения. Обратите внимание, что даже при дифракционном размытии f / 22 все же значительно острее, чем f / 1.4 или f / 2.

Представьте себе сцену, состоящую из множества маленьких отдельных точек света . Объектив должен преобразовывать каждую точку в другую точку в соответствующем месте на изображении. Дифракция заставляет каждую точку распространяться по круговому волнообразному образцу, воздуху Эйри . Диаметр диска прямо пропорционален f-числу: это « предел дифракции ».

Поскольку число f увеличивается от минимума (широко открытая линза), свет, падающий в точку на изображении, будет исходить из более узкой области линзы. Это делает изображение более четким. По мере увеличения числа f диски Эйри становятся больше. В какой-то момент два эффекта уравновешивают, чтобы сделать самое четкое изображение. Эта точка обычно находится в диапазоне от f / 5,6 до f / 8 на зеркальных камерах. При меньших значениях f общие свойства объектива (его аберрации) приобретают более мягкое изображение. При больших числах f мягкость определяется эффектом дифракции.

Вы можете измерить это достаточно хорошо с вашими собственными линзами и без специального оборудования . Установите камеру на штатив перед острой, четкой, хорошо освещенной плоской мишенью с большим контрастом. (Я использовал страницу из журнала; она работала нормально.) Используйте ваши лучшие настройки: самый низкий ISO, правильная экспозиция, заблокированное зеркало, среднее фокусное расстояние для зум-объектива (или изменяйте фокусное расстояние тоже), среднее расстояние, идеально в фокусе, формат RAW. Сделайте серию фотографий, на которых вы изменяете только диафрагму и время экспозиции (чтобы сохранить экспозицию постоянной). Посмотрите на последовательность изображений на 100% на хорошем мониторе: вы увидите, где находится «слабое место» вашей камеры, и вы увидите эффект от использования более широкой или более узкой апертуры.

Следующая последовательность взята из серии для объектива Canon 85 мм f / 1.8, которая является довольно хорошей. Сверху вниз 100% кадрирование (преобразованное в высококачественный JPEG для веб-дисплея) при f / 1.8, 2.8, 5.6, 11 и 22. Вы можете увидеть усиливающиеся эффекты дифракции при f / 11 и f / 22 в нижние два изображения. Обратите внимание, что для этого конкретного объектива, используемого с этой конкретной камерой (EOS T2i, датчик APS-C), дифракционная мягкость при больших числах f не приближается к мягкости, наблюдаемой при широко открытом объективе. Наличие сопоставимой информации для ваших собственных объективов, которую можно получить за несколько минут, может оказаться полезным для выбора параметров экспозиции на важных фотографиях.

е / 1,8

F / 2.8

F / 5.6

F / 11

F / 22

Дифракция происходит. Это факт жизни. Когда линзы используются широко открытыми, другие аберрации линз слишком заметны, чтобы вы могли заметить незначительную потерю резкости из-за дифракции. Немного остановитесь, и эти аббревиатуры сведены к минимуму - кажется, что линза становится все лучше и лучше. Дифракция есть, но вы до сих пор не заметили, потому что свет , который не проходит вблизи краев значительно outvotes света , который является проходящим становится немного слишком близко к лопастям диафрагмы.

В какой-то момент, когда вы останавливаете объектив, выигрыш, который вы получаете, устраняя оптические различия между центральной и внешней частями элементов объектива, начинает исчезать - больше нет достаточно четко сфокусированного света, чтобы заглушить внешнюю сфокусированное изображение, вызванное изгибом света по краям оптического пути (дифракция). Объектив не станет лучше, когда вы остановитесь - слишком много света рассеивается по сравнению со светом, проходящим через середину. С этого момента остановка сделает изображение более мягким.

Точка, в которой объектив останавливается настолько далеко, насколько это возможно, без увеличения мягкости, является пределом дифракции. На некоторых объективах это так далеко, как вы можете остановиться - например, Nikon традиционно сохраняет относительно широкую минимальную диафрагму (f / 16) на многих своих моделях. На других объективах (особенно на макросах) у вас может быть пара или более остановок; соображения глубины резкости могут быть важнее абсолютной резкости в некоторых приложениях.

Вся фотография - это компромисс. Могут быть случаи, когда вы хотите остановиться дальше, чем оптимум, но это помогает знать о компромиссах, которые вы делаете. Остановка - простой ответ для DOF, но если вы увлечены пейзажами и берете их все в f / 22 или f / 32, может быть, пришло время взглянуть на объектив наклона / сдвига.

Хотя ответы уже здесь хорошо описывают дифракцию . Дифракционный предел чаще всего используется для описания точки, в которой остановка объектива не дает вам более подробной информации относительно размера пикселя датчика вашей камеры.

Когда вы достигнете дифракционного предела вашей камеры, ЛЮБОЙ объектив, остановившийся за этой диафрагмой, даст вам более мягкие результаты. Это напрямую связано с размером отдельных пикселей, а не с размером сенсора.

На современных зеркалках предел дифракции будет находиться между F / 11 и F / 16. На камерах с маленькими датчиками это может быть F / 8 или даже меньше. Вы заметите, что большинство крошечных камер не используют диафрагму меньше, чем F / 8 по этой самой причине. Некоторые даже используют фиксированную диафрагму (F / 3.5 или около того) и имитируют меньшее количество входящего света, пропуская ND-фильтр вместо остановки. К сожалению, они фактически помещают симулированный F-stop в EXIF, поэтому вам нужно знать камеру, чтобы понять, что она использует фильтр ND, а не обычную апертуру.

Эта страница на сайте Cambridge In Color содержит подробное техническое описание предела дифракции. Он также получил онлайн-калькулятор для проверки того, ограничена ли дифракция конкретной комбинацией диафрагмы, камеры, размера отпечатка и расстояния просмотра.

Краткий ответ…

Дифракционный предел является самым маленьким пятном данная система линз может создать / решимость / фокус.

Размахивание руками: линзы могут фокусировать свет на маленькое пятно, но не на точку. Размер пятна может варьироваться в зависимости от длины волны, при этом короткие волны образуют пятна меньшего размера, чем более длинные. При использовании очень хорошей линзы без аберраций (с дифракционной ограниченностью) коллимированный свет создает воздушный диск в качестве пятна в фокусе. Воздушный диск - все еще самое маленькое пятно, которое может быть произведено с этой линзой в той апертуре с той длиной волны (используя коллимированный свет). Большие апертуры дают меньшие размеры пятна с более плотной фокусировкой и меньшей глубиной фокуса, чем меньшие апертуры.

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

О, остановитесь прямо здесь : большие числовые апертуры дают меньшие пятна, имеет смысл, если учесть, что в формуле апертура используется как обратное значение. Дисперсия также играет здесь свою роль.

Предел дифракции - это максимальный предел резкости объектива по законам физики. По сути, вы не можете получить более четкое фото, независимо от того, сколько пикселей у вашей камеры или насколько совершенна оптическая система.

Нежелательный эффект возникает, когда вы устанавливаете масштабирование, большее, чем позволяет дифракционный предел, и фотография не становится четче, а только увеличивается. Это часто случается в телескопах и микроскопах. По этой же причине вместо оптических используются электронные микроскопы, поскольку оптические микроскопы не могут видеть четче, чем X.

Иммерсионные жидкости позволяют увеличить предел, чтобы сделать фотографии более высокого разрешения в оптической микроскопии.