Что такое дифракция объектива?
Фотографы используют небольшую диафрагму, чтобы получить большую глубину резкости. Но меньшая диафрагма вызывает определенные проблемы, например, дифракцию. Дифракция объектива приводит к потере резкости фотографии при малых значениях диафрагмы. Так как же получить максимальную резкость на своих изображениях? Рассказывает фотограф Габор Хольтцер (Gabor Holtzer).
Что такое дифракция?
Дифракция - это физическое явление, влияющее на все типы волн. Вы можете наблюдать его в жидкостях, звуковых волнах и свете. Вы сталкиваетесь с ним все время, даже если оно не привлекает вашего внимания.
Когда волны на своем пути встречаются с препятствием, их поведение меняется. Барьер может быть прорезью или отдельным объектом.
Здесь мы наблюдаем пример с разрезом. (Позже вы примените его к отверстию диафрагмы в камере.)
Начало изгиба волн. В зависимости от размера щели по сравнению с длиной волны этот изгиб может варьироваться по размеру. Если щель широкая, то он небольшой. Если отверстие сопоставимо с длиной волны, дифракция будет происходить в гораздо большем относительном масштабе.
Мы моделируем это изменение поведения, как если бы новые волны создавались на линии щели. По всей этой линии новые волны начинают распространяться в разные стороны. Степень этого распространения варьируется в зависимости от размера щели.
Идея циркулярно распространяющихся волн и их физическое объяснение называется принципом Гюйгенса.
Затем волны интерферируют, что приводит к различиям в силе волн. Они гасят друг друга в одних местах и складываются вместе в других.
Если мы наблюдаем эти изменения вдоль линии, параллельной щели, мы получаем паттерн. В середине получается очень сильное наложение волн.
Затем происходят повторяющиеся сложения и подавления, уменьшающиеся по амплитуде наружу. Так продолжается до тех пор, пока паттерн не станет неразличимым.
Самый яркий пример - дифракция в воде. Взгляните на изображение ниже. Вы можете увидеть щель, размер которой сопоставим с длиной волны воды. Дифракция очень заметна. Мы наблюдаем силу волн на длинной фиолетовой линии.
Наиболее интенсивны они посередине, перед самой щелью. Далее следует провал гашения волн. Затем постепенно к берегу реки уровень интерференции снижается. Этот узор (показанный оранжевым цветом) называется узором Эйри.
Узор интенсивности Эйри. Исходное изображение из Википедии
Дифракция света
Пример воды двумерный. Но дифракция возникает и в трехмерных ситуациях. Для нас, фотографов, имеет значение дифракция света.
Когда свет проходит через щель, происходит дифракция. В фотографии размер апертурной щели намного больше длины волны света. Это применимо даже при больших значениях диафрагмы, например, f/32. Таким образом, свет не будет изгибаться сильно, но это все же может вызывать некоторые проблемы.
Пиксели на современных камерах крошечные. И на самом деле настолько крошечные, что их размер часто всего на одну величину больше, чем длина волны видимого света. Это означает, что даже несмотря на то, что свет не сильно преломляется, эффект заметен.
Мы вернемся к точным значениям, но сначала давайте посмотрим, что происходит при прохождении света через щель.
В этом примере красный лазер проецировался на датчик через диафрагму 90 микрометров.
Помните, что 90 микрометров намного меньшее значение, чем у любого объектива. Такой размер помогает лучше визуализировать эффект. На объективе 50 мм это будет диафрагма f/550.
Вы можете увидеть узор Эйри, но в данном случае он двумерный. Самый сильный участок находится посередине - там складываются волны. Пары подавления и складывания являются порядками - их 27 ниже.
Этот двумерный узор Эйри называется диском Эйри.
«Настоящий диск Эйри, созданный пропусканием красного лазерного луча через апертуру диаметром 90 микрометров с дифракцией 27 порядков»
Как дифракция линз влияет на фотографию?
Дифракция влияет на повседневную фотографию. В зависимости от шага пикселя сенсора камеры дифракция объектива может ограничивать разрешение изображения. Это часто вызывает проблемы при высоких значениях диафрагмы. В некоторых устройствах, например, в компактных камерах с высоким разрешением, вы можете начать видеть это при значении диафрагмы f/3,5.
По мере того как вы уменьшаете стопы, эффект дифракции линзы становятся все более очевидным. Дифракция ограничивает разрешение. Независимо от того, насколько хорош ваш объектив, это всегда правда. Степень этого указывается в упрощенной формуле:
р = (1,22 λ A)/ 2
Здесь p - это наименьший шаг пикселя, который может принимать информацию на уровне пикселей от объектива. λ - длина волны падающего света, а A - диафрагма.
Давайте посчитаем с камерой iPhone XR. Он имеет 12-мегапиксельный сенсор с шагом пикселя 1,3 микрометра. У него фиксированная диафрагма f/1.8. Длина волны видимого света составляет около 0,5 мкм.
p = (1,22 * 0,5 мкм * 1,8)/2
В результате p составляет 1,1 мкм.
Если два объекта расположены ближе друг к другу на датчике, чем p, они будут сливаться вместе. Их невозможно отрегулировать, как бы плотно ни были упакованы пиксели. Это означает, что iPhone XR (с шагом пикселя 1,3 мкм) очень близок к дифракционному ограничению.
Таким образом, даже если объектив оптически безупречный, без каких-либо аберраций, это его пике. Он не поддерживает пиксели меньшего размера.
Другой пример
При f/16 результирующий p составляет 7,3 мкм. Это означает, что камеры с шагом пикселя около этого значения подвержены дифракции только выше f/16. Таким образом, исходный 5D с шагом пикселя 8 мкм получает ограничение дифракции только после f/16.
Взгляните на эту иллюстрацию, которую фотограф снял с помощью Canon 5D MkIV и макрообъектива Canon 100mm f/2.8L IS. Оба кадра идеально сфокусированы; смягчение происходит из-за дифракции объективов.
Фото(Влияние дифракции объектива на разрешение)
Как найти самую резкую диафрагму
Вы, наверное, уже узнали, что чем больше вы опустите стопы, тем резче будет изображение. И вас может удивить, что этот принцип частично ошибочен. Истина где-то посередине - во всех аспектах.
Если вы используете широко открытую диафрагму, линзы страдают от сферической аберрации и потенциальных проблем с дизайном. Их кажущаяся резкость ниже из-за меньшей глубины резкости.
Если вы слишком сильно диафрагмируете объектив, он будет подвержен дифракции.
На DSLR и беззеркальных объективах вы обнаружите, что самая резкая диафрагма обычно на 2–3 стопа выше максимальной.
На объективе Canon 50mm f/1.8 II (его часто называют nifty fifty) она составляет около f/4.
Проверьте свой объектив, чтобы узнать его поведение при разных значениях диафрагмы.
Глубина резкости и дифракция на объективе
Имейте в виду, что в определенных ситуациях вы все равно можете использовать узкие диафрагмы. Если вам нужно держать большую часть сцены в фокусе, диафрагмирование, как правило, является самым простым методом. Пейзажным фотографам часто приходится снимать при f/16 и выше.
Таким образом, глубина резкости будет больше, и в результате изображение будет казаться более резким. Участки в идеальной фокусировке не будут такими резкими, как при f/8, но большая часть сцены будет почти такой же резкой.
Метод одновременного достижения большой глубины резкости и максимально возможной резкости называется наложением фокуса. Это довольно сложный процесс с ограничениями, при этом он может дать отличные результаты.
Чтобы идеально его использовать, вам нужно сделать серию изображений полностью устойчивого объекта, используя штатив. Вы постепенно меняете фокус между кадрами, охватывая все, от самых близких до самых удаленных объектов. Позже вы объедините их в редакторе постобработки.
Заключение
Дифракция линз будет присутствовать всегда. Если вы не будете осторожны, ваши изображения потеряют резкость. Как только вы увидите дифракцию объектива и поймете, как она работает, обращение с ней станет в фотографии вашей второй натурой.
