DIFFRAZIONE DELL'OBIETTIVO E FOTOGRAFIA

La diffrazione è un effetto ottico che limita la risoluzione totale della tua fotografia, indipendentemente dal numero di megapixel della tua fotocamera. Succede perché la luce inizia a disperdersi o "diffrarsi" quando passa attraverso una piccola apertura (come l'apertura della fotocamera). Questo effetto è normalmente trascurabile, poiché aperture più piccole spesso migliorano la nitidezza riducendo al minimo le aberrazioni dell'obiettivo. Tuttavia, per aperture sufficientemente piccole, questa strategia diventa controproducente, a quel punto si dice che la tua fotocamera sia diventata diffrazione limitata . Conoscere questo limite può aiutare a massimizzare i dettagli ed evitare un'esposizione inutilmente lunga o una sensibilità ISO elevata.

SFONDO

I raggi di luce che passano attraverso una piccola apertura inizieranno a divergere e interferiranno l'uno con l'altro. Ciò diventa più significativo quando la dimensione dell'apertura diminuisce rispetto alla lunghezza d'onda della luce che passa, ma si verifica in una certa misura per qualsiasi apertura o sorgente di luce concentrata.

Poiché i raggi divergenti ora percorrono distanze diverse, alcuni si spostano fuori fase e iniziano a interferire l'uno con l'altro, aggiungendosi in alcuni punti e annullandosi parzialmente o completamente in altri. Questa interferenza produce un modello di diffrazione con intensità di picco in cui l'ampiezza delle onde luminose si somma e meno luce dove vengono sottratte. Se si misurasse l'intensità della luce che raggiunge ogni posizione su una linea, le misurazioni apparirebbero come bande simili a quelle mostrate di seguito.

Modello di diffrazione

Per un'apertura circolare ideale, il modello di diffrazione 2-D è chiamato "disco arioso", dal nome del suo scopritore George Airy. La larghezza dell'airy disk viene utilizzata per definire la risoluzione massima teorica per un sistema ottico (definita come il diametro del primo cerchio scuro).

Airy Disk Visualizzazione 3D

Quando il diametro del picco centrale del disco arioso diventa grande rispetto alla dimensione dei pixel nella fotocamera (o al massimo circolo di confusione tollerabile), inizia ad avere un impatto visivo sull'immagine. Una volta che due dischi ariosi diventano più vicini della metà della loro larghezza, non sono più risolvibili (criterio di Rayleigh).

Appena risolto Non più risolto

La diffrazione stabilisce quindi un limite di risoluzione fondamentale che è indipendente dal numero di megapixel o dalla dimensione del formato della pellicola. Dipende solo dal numero f dell'obiettivo e dalla lunghezza d'onda della luce che viene ripresa. Si può pensare ad esso come al più piccolo "pixel" teorico di dettaglio in fotografia. Inoltre, l'inizio della diffrazione è graduale; prima di limitare la risoluzione, può comunque ridurre il contrasto su piccola scala causando la parziale sovrapposizione dei dischi ariosi.

ESEMPIO VISIVO:APERTURA VS. DIMENSIONE IN PIXEL

La dimensione dell'airy disk è utile principalmente nel contesto della dimensione dei pixel. Il seguente strumento interattivo mostra un singolo disco arioso rispetto alla dimensione dei pixel per diversi modelli di fotocamera:

Nota:sopra il disco arioso apparirà più stretto del suo diametro specificato (poiché questo è definito da dove raggiunge il suo primo minimo invece che dalla regione luminosa interna visibile).

Come risultato del filtro anti-aliasing del sensore (e del criterio di Rayleigh sopra), un disco arioso può avere un diametro di circa 2-3 pixel prima che la diffrazione limiti la risoluzione (supponendo un obiettivo altrimenti perfetto). Tuttavia, la diffrazione avrà probabilmente un impatto visivo prima di raggiungere questo diametro.

Come due esempi, Canon EOS 20D inizia a mostrare la diffrazione intorno a f/11, mentre la Canon PowerShot G6 inizia a mostrare i suoi effetti solo a circa f/5,6. D'altra parte, la Canon G6 non richiede aperture piccole come la 20D per ottenere la stessa profondità di campo (a causa delle dimensioni del sensore molto più ridotte).

Poiché la dimensione del disco arioso dipende anche dalla lunghezza d'onda della luce, ciascuno dei tre colori primari raggiungerà il suo limite di diffrazione a un'apertura diversa. Il calcolo sopra presuppone la luce nel mezzo dello spettro visibile (~550 nm). Le tipiche fotocamere SLR digitali possono catturare la luce con una lunghezza d'onda compresa tra 450 e 680 nm, quindi nella migliore delle ipotesi il disco arioso avrebbe un diametro dell'80% delle dimensioni mostrate sopra (per luce blu pura).

Un'altra complicazione è che i sensori che utilizzano un array Bayer allocano il doppio della frazione di pixel al verde come luce rossa o blu, quindi interpolano questi colori per produrre l'immagine finale a colori. Ciò significa che quando si avvicina il limite di diffrazione, i primi segni saranno una perdita di risoluzione in verde e luminosità a livello di pixel. La luce blu richiede le aperture più piccole (f-stop più alto) per ridurne la risoluzione a causa della diffrazione.

Altre note tecniche:

• I pixel fisici in realtà non occupano il 100% dell'area del sensore, ma hanno degli spazi intermedi. Questo calcolo presuppone che le microlenti rendano trascurabili queste lacune.
• Alcune fotocamere hanno pixel leggermente rettangolari, nel qual caso la diffrazione ridurrà la risoluzione più in una direzione che nell'altra.
• Il grafico sopra approssima l'apertura come circolare (un'approssimazione comune), ma in realtà sono poligonali con 5-8 lati.
• Il calcolo dell'area dei pixel presuppone che questi si estendano fino al bordo di ciascun sensore e contribuiscano tutti all'immagine finale. In realtà, i produttori di fotocamere lasciano alcuni pixel inutilizzati attorno al bordo del sensore. Poiché non tutti i produttori specificano il numero di pixel utilizzati rispetto a quelli non utilizzati, nel calcolo della frazione dell'area totale del sensore sono stati considerati solo i pixel utilizzati. Le dimensioni dei pixel sopra sono quindi leggermente maggiori rispetto a quelle misurate (ma non più del 5%).

COME SEMBRA

Sebbene i diagrammi sopra riportati aiutino a dare un'idea del concetto di diffrazione, solo la fotografia del mondo reale può mostrarne l'impatto visivo. La seguente serie di immagini è stata scattata con Canon EOS 20D, che in genere mostra un ammorbidimento dovuto alla diffrazione oltre f/11 circa. Sposta il mouse su ciascun numero f per vedere come questi influiscono sui minimi dettagli:

Seleziona apertura:

f/8.0

f/11

f/16

f/22

Nessuna sovrapposizione di Airy Disks Sovrapposizione parziale di Airy Disks

Nota come la maggior parte delle linee nel tessuto sono ancora risolte a f/11, ma hanno un contrasto o un'acutezza su piccola scala leggermente inferiore (in particolare dove le linee del tessuto sono molto vicine). Questo perché i dischi ariosi si sovrappongono solo parzialmente, in modo simile all'effetto sulle file adiacenti di dischi ariosi bianchi e neri alternati (come mostrato a destra). Di f/22, quasi tutte le linee sottili sono state smussate perché i dischi ariosi sono più grandi di questo dettaglio.

CALCOLO DEL LIMITE DI DIFFRAZIONE

Il modulo seguente calcola la dimensione del disco arioso e valuta se la diffrazione della telecamera è stata limitata. Fai clic su "mostra avanzate" per definire un cerchio di confusione personalizzato (CoC) o per vedere l'influenza della dimensione dei pixel.

Nota:CF ="fattore di ritaglio" (comunemente indicato come moltiplicatore della lunghezza focale); presuppone pixel quadrati, proporzioni 4:3 per le fotocamere digitali compatte e 3:2 per le reflex.*La calcolatrice presuppone che il sensore della fotocamera utilizzi il tipico array bayer .

Questa calcolatrice mostra che una fotocamera ha una diffrazione limitata quando il diametro del disco arioso supera quello che è tipicamente risolvibile in una stampa di 8x10 pollici vista da un piede. Fare clic su "mostra avanzate" per modificare i criteri per il raggiungimento di questo limite. La casella di controllo "imposta cerchio di confusione in base ai pixel" indica quando è probabile che la diffrazione diventi visibile su un computer con una scala del 100%. Per un'ulteriore spiegazione di ciascuna impostazione di input, vedere anche il calcolatore della profondità di campo.

In pratica, il limite di diffrazione non comporta necessariamente un brusco cambiamento; in realtà c'è una transizione graduale tra quando la diffrazione è e non è visibile. Inoltre, questo limite è solo uno scenario ottimale quando si utilizza un obiettivo altrimenti perfetto; i risultati nel mondo reale possono variare.

NOTE SULL'UTILIZZO NEL MONDO REALE IN FOTOGRAFIA

Anche quando un sistema di telecamere è vicino o appena oltre il limite di diffrazione, è probabile che altri fattori come la precisione della messa a fuoco, l'effetto mosso e le lenti imperfette siano più significativi. La diffrazione quindi limita la nitidezza totale solo quando si utilizza un robusto treppiede, blocco dello specchio e un obiettivo di altissima qualità.

Un po' di diffrazione spesso va bene se sei disposto a sacrificare la nitidezza sul piano focale in cambio di nitidezza al di fuori della profondità di campo. In alternativa, potrebbero essere necessarie aperture molto piccole per ottenere esposizioni sufficientemente lunghe, ad esempio per provocare sfocatura da movimento con acqua che scorre. In altre parole, la diffrazione è solo qualcosa di cui essere consapevoli quando si scelgono le impostazioni di esposizione, in modo simile a come si bilanciano altri compromessi come il rumore (ISO) e la velocità dell'otturatore.

Questo non dovrebbe farti pensare che "aperture più grandi sono migliori" anche se aperture molto piccole creano un'immagine morbida; la maggior parte degli obiettivi sono anche abbastanza morbidi se usati a tutta apertura (alla massima apertura disponibile). I sistemi di telecamere in genere hanno un'apertura ottimale tra le impostazioni più grandi e più piccole; con la maggior parte degli obiettivi, la nitidezza ottimale è spesso vicina al limite di diffrazione, ma con alcuni obiettivi ciò può verificarsi anche prima del limite di diffrazione. Questi calcoli mostrano solo quando la diffrazione diventa significativa, non necessariamente la posizione di nitidezza ottimale (vedi la qualità dell'obiettivo della fotocamera:MTF, risoluzione e contrasto per ulteriori informazioni).

I pixel più piccoli sono in qualche modo peggio? Non necessariamente. Solo perché il limite di diffrazione è stato raggiunto (con pixel grandi) non significa necessariamente che un'immagine sia peggiore che se fossero stati utilizzati pixel più piccoli (e il limite è stato superato); entrambi gli scenari hanno ancora la stessa risoluzione totale (anche se i pixel più piccoli producono un file più grande). Tuttavia, la fotocamera con i pixel più piccoli renderà la foto con meno artefatti (come moiré del colore e aliasing). I pixel più piccoli offrono anche una maggiore flessibilità creativa, poiché possono produrre una risoluzione maggiore se è possibile utilizzare un'apertura più ampia (come quando la profondità di campo può essere ridotta). D'altra parte, se si considerano altri fattori come il rumore e la gamma dinamica, il dibattito sui pixel "piccoli e grandi" diventa più complicato...

Nota tecnica:indipendenza dalla lunghezza focale Poiché la dimensione fisica di un'apertura è maggiore per i teleobiettivi (f/4 ha un diametro di 50 mm a 200 mm, ma solo un diametro di 25 mm a 100 mm), perché il disco arioso non diventa più piccolo? Questo perché lunghezze focali maggiori fanno sì che la luce viaggi più lontano prima di colpire il sensore della fotocamera, aumentando così la distanza su cui il disco arioso può continuare a divergere. Gli effetti concorrenti di un'apertura maggiore e di una lunghezza focale maggiore vengono quindi annullati, lasciando solo il numero f come importante (che descrive la lunghezza focale rispetto alla dimensione dell'apertura).

Per ulteriori letture su questo argomento, vedere anche l'addendum:Digital Camera Diffraction, Part 2:Resolution, Color &Micro-Contrast

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