LENCSÉT DIFFRACIÓ ÉS FÉNYKÉPZÉS

A diffrakció egy optikai hatás, amely korlátozza a fényképezés teljes felbontását – függetlenül attól, hogy a fényképezőgép hány megapixeles. Ez azért történik, mert a fény elkezd szétszóródni vagy "eldiffrakciózni", amikor áthalad egy kis nyíláson (például a fényképezőgép rekesznyílásán). Ez a hatás általában elhanyagolható, mivel a kisebb rekesznyílások gyakran javítják az élességet az objektív aberrációinak minimalizálásával. Megfelelően kis rekesznyílások esetén azonban ez a stratégia kontraproduktívvá válik – ekkor a fényképezőgépről azt mondják, hogy diffrakciókorlátozott . Ennek a határértéknek a ismeretében maximalizálható a részletek, és elkerülhető a szükségtelenül hosszú expozíció vagy a magas ISO-érzékenység.

HÁTTÉR

A kis nyíláson áthaladó fénysugarak elkezdenek eltérni egymástól, és zavarják egymást. Ez egyre jelentősebbé válik, ahogy a rekesznyílás mérete csökken az áthaladó fény hullámhosszához képest, de bizonyos mértékig minden apertúra vagy koncentrált fényforrás esetén előfordul.

Mivel a divergens sugarak mostanra különböző távolságokat tesznek meg, egyesek kimozdulnak a fázisból, és zavarni kezdik egymást – egyes helyeken hozzáadódnak, másutt pedig részben vagy teljesen kihunynak. Ez az interferencia diffrakciós mintázatot hoz létre, amelynek csúcsintenzitása ott van, ahol a fényhullámok amplitúdója összeadódik, és kevesebb fény, ahol kivonják őket. Ha megmérnénk a vonal egyes pontjait elérő fény intenzitását, a mérések az alábbihoz hasonló sávokként jelennének meg.

Diffrakciós minta

Az ideális körkörös apertúra érdekében a 2-D diffrakciós mintát "levegős korongnak" nevezik, felfedezője George Airy után. A levegős lemez szélessége az optikai rendszer elméleti maximális felbontásának meghatározására szolgál (az első sötét kör átmérőjeként definiálva).

Airy Disk 3D-s vizualizáció

Amikor a levegős lemez középső csúcsának átmérője megnő a kamera pixelméretéhez (vagy a maximálisan elviselhető zavaró körhöz) képest, akkor vizuális hatást gyakorol a képre. Ha két levegős korong közelebb kerül a szélességének felénél, akkor már nem is lehet feloldani (Rayleigh-kritérium).

Alig sikerült megoldani Már nincs megoldva

A diffrakció tehát alapvető felbontási korlátot határoz meg, amely független a megapixelek számától vagy a filmformátum méretétől. Ez csak az objektív f-számától és a leképezendő fény hullámhosszától függ. Felfoghatjuk úgy, mint a fotózás legkisebb elméleti „pixelét”. Továbbá a diffrakció kezdete fokozatos; a felbontás korlátozása előtt még mindig csökkentheti a kisméretű kontrasztot azáltal, hogy a levegős lemezeket részben átfedheti.

VIZUÁLIS PÉLDA:APERTURE VS. PIXEL MÉRET

A levegős lemez mérete elsősorban a pixelmérettel összefüggésben hasznos. A következő interaktív eszköz egyetlen levegős lemezt mutat be több kameramodell pixelméretéhez képest:

Megjegyzés:a levegős korong felett keskenyebbnek fog tűnni a megadott átmérőjénél (mivel ezt az határozza meg, hogy hol éri el az első minimumát, nem pedig a látható belső világos terület).

Az érzékelő élsimító szűrőjének (és a fenti Rayleigh-kritériumnak) köszönhetően egy levegős korong átmérője körülbelül 2-3 pixel lehet, mielőtt a diffrakció korlátozza a felbontást (egyébként tökéletes objektívet feltételezve). A diffrakció azonban valószínűleg vizuális hatással lesz az átmérő elérése előtt.

Két példa:a Canon EOS 20D körülbelül f/11-nél kezd el diffrakciót mutatni, míg a Canon PowerShot G6 csak körülbelül f/5,6-nál kezdi mutatni a hatását. Másrészt a Canon G6-nak nincs szüksége olyan kicsi rekeszre, mint a 20D-nél, hogy azonos mélységélességet érjen el (a sokkal kisebb szenzorméret miatt).

Mivel a levegős korong mérete a fény hullámhosszától is függ, a három alapszín mindegyike eltérő apertúrán éri el diffrakciós határát. A fenti számítás a látható spektrum közepén található fényt feltételezi (~550 nm). A tipikus digitális tükörreflexes fényképezőgépek 450 és 680 nm közötti hullámhosszúságú fényt képesek rögzíteni, így a levegős korong átmérője legjobb esetben a fenti méret 80%-a (tiszta kék fény esetén).

Egy másik bonyodalom, hogy a Bayer-tömböt használó érzékelők a pixelek kétszeres részét osztják ki a zöldnek, mint vörös vagy kék fénynek, majd ezeket a színeket interpolálják a végső színes kép elkészítéséhez. Ez azt jelenti, hogy a diffrakciós határhoz közeledve az első jelek a felbontás elvesztése zöld és pixelszintű fényességben. A kék fénynek a legkisebb rekesznyílásokra van szüksége (legmagasabb f-stop), hogy a diffrakció miatt csökkenjen a felbontása.

Egyéb műszaki megjegyzések:

• A fizikai képpontok valójában nem foglalják el az érzékelő területének 100%-át, hanem hézagok vannak közöttük. Ez a számítás feltételezi, hogy a mikrolencsék ezeket a hézagokat elhanyagolhatóvá teszik.
• Egyes kamerák képpontjai enyhén téglalap alakúak, ebben az esetben a diffrakció jobban csökkenti a felbontást az egyik, mint a másik irányban.
• A fenti diagram a rekesznyílást kör alakúnak közelíti (egy általános közelítés), de a valóságban ezek sokszögűek, 5-8 oldallal.
• A pixelterület számítása feltételezi, hogy ezek egészen az egyes érzékelők széléig terjednek, és mindegyik hozzájárul a végső képhez. A valóságban a fényképezőgépgyártók néhány pixelt kihasználatlanul hagynak az érzékelő széle körül. Mivel nem minden gyártó határozza meg a használt és a fel nem használt pixelek számát, csak a használt pixeleket vettük figyelembe a teljes érzékelőterület töredékének kiszámításakor. A fenti pixelméretek így valamivel nagyobbak, mint mérve (de legfeljebb 5%-kal).

HOGY KÉZÜNK

Bár a fenti diagramok segítenek átérezni a diffrakció fogalmát, csak a valós fényképezés képes megmutatni annak vizuális hatását. A következő képsorozatok Canon EOS 20D-vel készültek, amely jellemzően körülbelül f/11 feletti diffrakciós lágyulást mutat. Mozgassa az egeret az egyes f-számok fölé, és nézze meg, hogyan befolyásolják ezek a finom részleteket:

Válassza ki a Rekesznyílást:

f/8.0

f/11

f/16

f/22

Nincs átfedés az Airy lemezek között A levegős lemezek részleges átfedése

Figyelje meg, hogy a szövetben a legtöbb vonal még mindig f/11-nél van felbontva, de valamivel kisebb a kisméretű kontraszt vagy élesség (különösen ott, ahol a szövetvonalak nagyon közel vannak). Ennek az az oka, hogy a levegős lemezek csak részben fedik át egymást, hasonlóan a váltakozó fekete-fehér levegős lemezek szomszédos soraihoz (amint a jobb oldalon látható). Az f/22-vel szinte minden finom vonal kisimult, mert a levegős korongok nagyobbak ennél a részletnél.

A DIFRAKCIÓS HATÁRÉRTÉK KISZÁMÍTÁSA

Az alábbi űrlap kiszámítja a levegős lemez méretét, és felméri, hogy a kamera diffrakciója korlátozott-e. Kattintson a „Speciális megjelenítés” lehetőségre egyéni zavart kör (CoC) meghatározásához, vagy a pixelméret hatásának megtekintéséhez.

Megjegyzés:CF ="kivágási tényező" (gyakran gyújtótávolság-szorzóként hivatkoznak); négyzetes képpontokat, 4:3-as képarányt feltételez a kompakt digitális és 3:2-es SLR esetében.*A kalkulátor feltételezi, hogy a fényképezőgép érzékelője a tipikus Bayer-tömböt használja .

Ez a számológép azt mutatja, hogy a kamera diffrakciókorlátozott, ha a levegős korong átmérője meghaladja a 8x10 hüvelykes nyomatoknál jellemzően feloldható mértéket, egy lábról nézve. Kattintson a „Speciális megjelenítés” lehetőségre a korlát eléréséhez szükséges feltételek módosításához. A „pixelek alapján beállított zavart kör” jelölőnégyzet jelzi, hogy a diffrakció várhatóan mikor válik láthatóvá a számítógépen 100%-os léptékben. Az egyes beviteli beállítások további magyarázatához lásd a mélységélesség kalkulátort is.

A gyakorlatban a diffrakciós határ nem feltétlenül okoz hirtelen változást; valójában fokozatos átmenet van a diffrakció látható és nem látható között. Ezenkívül ez a határérték csak a legjobb eset, ha egyébként tökéletes objektívet használunk; a valós eredmények eltérőek lehetnek.

MEGJEGYZÉSEK A FÉNYKÉPZÉSI VALÓS VILÁG HASZNÁLATÁRÓL

Még akkor is, ha egy kamerarendszer közel van a diffrakciós határához, vagy éppen túl van rajta, más tényezők, például a fókuszpontosság, a mozgási elmosódás és a tökéletlen lencsék valószínűleg jelentősebbek. A diffrakció ezért csak akkor korlátozza a teljes élességet, ha erős állványt, tükörreteszelést és nagyon jó minőségű objektívet használ.

Bizonyos diffrakció gyakran megfelelő ha hajlandó feláldozni az élességet a fókuszsíkon a mélységélességen kívüli élességért cserébe. Alternatív megoldásként nagyon kis rekesznyílásokra lehet szükség a kellően hosszú expozíció eléréséhez, például az áramló vízzel történő elmosódás előidézéséhez. Más szavakkal, a diffrakció csak olyan dolog, amelyet figyelembe kell venni az expozíciós beállítások kiválasztásakor, hasonlóan ahhoz, ahogyan más kompromisszumok, például zaj (ISO) és zársebesség között egyensúlyozna.

Ez nem vezethet arra a gondolatra, hogy "a nagyobb rekesznyílások jobbak" annak ellenére, hogy a nagyon kis rekesznyílások lágy képet hoznak létre; a legtöbb objektív is meglehetősen puha, ha szélesre nyitott állapotban használják (a rendelkezésre álló legnagyobb rekesznyílás mellett). A kamerarendszerek általában optimális rekesznyílással rendelkeznek a legnagyobb és a legkisebb beállítások között; a legtöbb objektívnél az optimális élesség gyakran a diffrakciós határ közelében van, de egyes objektíveknél ez akár a diffrakciós határ előtt is előfordulhat. Ezek a számítások csak akkor jelennek meg, amikor a diffrakció jelentőssé válik, nem feltétlenül az optimális élesség helyét (Erről bővebben lásd a fényképezőgép lencséjének minőségét:MTF, felbontás és kontraszt).

A kisebb képpontok valamivel rosszabbak? Nem feltétlenül. Csak azért, mert elérték a diffrakciós határt (nagy képpontok esetén), nem feltétlenül jelenti azt, hogy a kép rosszabb, mint ha kisebb pixeleket használtak volna (és a határt túllépték); mindkét forgatókönyvnek továbbra is ugyanaz a teljes felbontása (annak ellenére, hogy a kisebb pixelek nagyobb fájlt hoznak létre). A kisebb pixelekkel rendelkező fényképezőgép azonban kevesebb műtermékkel (például színes moaré és aliasing) jeleníti meg a fényképet. A kisebb pixelek kreatívabb rugalmasságot is biztosítanak, mivel nagyobb felbontást eredményezhetnek, ha lehetséges nagyobb rekesznyílás használata (például amikor a mélységélesség sekély lehet). Másrészt, ha más tényezőket is figyelembe veszünk, például a zajt és a dinamikatartományt, a "kis vagy nagy" pixelek vita bonyolultabbá válik...

Műszaki megjegyzés:A fókusztávolság függetlensége Mivel a rekesznyílás fizikai mérete nagyobb a teleobjektíveknél (200 mm-nél az f/4 átmérője 50 mm, 100 mm-en viszont csak 25 mm), miért nem lesz kisebb a levegős korong? Ennek az az oka, hogy a nagyobb gyújtótávolság azt is eredményezi, hogy a fény messzebbre jut, mielőtt elérné a kamera érzékelőjét – így megnő az a távolság, amelyen keresztül a levegős korong tovább tud térni. A nagyobb rekesznyílás és a hosszabb gyújtótávolság versengő hatásai ezért megszűnnek, és csak az f-szám marad a fontos (ami a gyújtótávolságot írja le a rekesznyílás méretéhez viszonyítva).

A témával kapcsolatos további olvasnivalókért tekintse meg a mellékletet is:Digitális fényképezőgép diffrakció, 2. rész:Felbontás, szín és mikrokontraszt

Oldalszám:1 2