UKLON LEČ IN FOTOGRAFIJA

Difrakcija je optični učinek, ki omejuje skupno ločljivost vaše fotografije - ne glede na to, koliko megapikslov ima vaš fotoaparat. To se zgodi, ker se svetloba začne razpršiti ali "difraktirati", ko gre skozi majhno odprtino (kot je zaslonka vašega fotoaparata). Ta učinek je običajno zanemarljiv, saj manjše zaslonke pogosto izboljšajo ostrino z zmanjšanjem aberacij objektiva. Vendar pri dovolj majhnih zaslonkah ta strategija postane kontraproduktivna – takrat naj bi vaš fotoaparat postal omejen z uklonom . Če poznate to omejitev, lahko povečate podrobnosti in se izognete nepotrebno dolgi osvetlitvi ali visoki hitrosti ISO.

OZADJE

Svetlobni žarki, ki gredo skozi majhno odprtino, se bodo začeli razhajati in motiti drug drugega. To postane pomembnejše, ko se velikost zaslonke zmanjša glede na valovno dolžino svetlobe, ki prehaja skozi, vendar se do neke mere pojavi pri kateri koli zaslonki ali viru koncentrirane svetlobe.

Ker divergentni žarki zdaj potujejo na različne razdalje, se nekateri premaknejo iz faze in začnejo motiti drug drugega – na nekaterih mestih se dodajajo, na drugih delno ali popolnoma izničijo. Ta interferenca povzroči uklonski vzorec z največjo intenzivnostjo, kjer se amplituda svetlobnih valov dodaja, in manj svetlobe, kjer se odvzema. Če bi merili intenzivnost svetlobe, ki doseže vsak položaj na črti, bi bile meritve videti kot pasovi, podobni tistim, prikazanim spodaj.

Uklonski vzorec

Za idealno krožno odprtino se 2-D uklonski vzorec imenuje "zračen disk" po odkritelju Georgeu Airyju. Širina zračnega diska se uporablja za določitev teoretične največje ločljivosti za optični sistem (definirano kot premer prvega temnega kroga).

Airy Disk 3-D vizualizacija

Ko premer osrednjega vrha zračnega diska postane velik glede na velikost slikovnih pik v kameri (ali največji dopustni krog zmede), začne vizualno vplivati ​​na sliko. Ko se dva zračna diska približata manj kot polovici svoje širine, ju tudi ni več mogoče razrešiti (Rayleighov kriterij).

Komajda razrešeno Ni več razrešeno

Difrakcija tako postavlja temeljno mejo ločljivosti, ki ni odvisna od števila megapikslov ali velikosti formata filma. Odvisno je le od števila f vašega objektiva in valovne dolžine svetlobe, ki jo slikate. Lahko si ga predstavljamo kot najmanjšo teoretično "piksel" podrobnosti v fotografiji. Poleg tega je začetek uklona postopen; pred omejitvijo ločljivosti lahko še vedno zmanjša kontrast majhnega merila, tako da povzroči delno prekrivanje zračnih diskov.

VIZUALNI PRIMER:APERTURA VS. VELIKOST PIKSLA

Velikost zračnega diska je uporabna predvsem v kontekstu velikosti slikovnih pik. Naslednje interaktivno orodje prikazuje en zračen disk v primerjavi z velikostjo slikovnih pik za več modelov kamer:

Opomba:zgornji zračni disk bo videti ožji od določenega premera (ker je ta določen s tem, kje doseže svoj prvi minimum, namesto z vidnim notranjim svetlim območjem).

Zaradi anti-aliasing filtra senzorja (in zgornjega Rayleighovega kriterija) ima lahko zračen disk premer približno 2-3 slikovnih pik, preden uklon omeji ločljivost (ob predpostavki sicer popolne leče). Vendar bo uklon verjetno imel vizualni učinek, preden doseže ta premer.

Kot dva primera, Canon EOS 20D začne kazati uklon pri približno f/11, medtem ko Canon PowerShot G6 začne kazati svoje učinke šele pri približno f/5,6. Po drugi strani pa Canon G6 ne potrebuje tako majhnih zaslonk kot 20D, da bi dosegel enako globinsko ostrino (zaradi veliko manjše velikosti senzorja).

Ker je velikost zračnega diska odvisna tudi od valovne dolžine svetlobe, bo vsaka od treh osnovnih barv dosegla svojo mejo uklona pri drugačni zaslonki. Zgornji izračun predvideva svetlobo v sredini vidnega spektra (~550 nm). Običajni digitalni fotoaparati SLR lahko zajamejo svetlobo z valovno dolžino od 450 do 680 nm, tako da bi imel zračni disk v najboljšem primeru premer 80 % velikosti, prikazane zgoraj (za čisto modro svetlobo).

Drug zaplet je, da senzorji, ki uporabljajo Bayerjevo matriko, dodelijo zeleni dvojni del slikovnih pik kot rdeči ali modri svetlobi in nato interpolirajo te barve, da ustvarijo končno barvno sliko. To pomeni, da bodo prvi znaki, ko se približamo meji uklona, ​​izguba ločljivosti v zeleni barvi in ​​svetilnosti na ravni slikovnih pik. Modra svetloba zahteva najmanjše zaslonke (najvišja stopnja f), da se zmanjša njena ločljivost zaradi uklona.

Druge tehnične opombe:

• Fizične slikovne pike dejansko ne zasedajo 100 % površine senzorja, ampak imajo vmes vrzeli. Ta izračun predpostavlja, da so te vrzeli zaradi mikroleč zanemarljive.
• Nekatere kamere imajo slikovne pike, ki so rahlo pravokotne, v tem primeru bo uklon bolj zmanjšal ločljivost v eno smer kot v drugo.
• Zgornja tabela približno prikazuje odprtino kot krožno (običajni približek), v resnici pa so poligonalne s 5-8 stranicami.
• Izračun površine slikovnih pik predvideva, da te segajo vse do roba vsakega senzorja in vse prispevajo h končni sliki. V resnici proizvajalci kamer pustijo nekaj slikovnih pik neuporabljenih okoli roba senzorja. Ker vsi proizvajalci ne navedejo števila uporabljenih slikovnih pik v primerjavi z neuporabljenimi, so pri izračunu deleža celotne površine senzorja upoštevane samo uporabljene slikovne pike. Zgornje velikosti slikovnih pik so tako nekoliko večje, kot bi bile izmerjene (vendar za največ 5 %).

KAKO IZGLEDA

Čeprav zgornji diagrami pomagajo dati občutek koncepta uklona, ​​lahko le fotografije iz resničnega sveta pokažejo njegov vizualni učinek. Naslednja serija slik je bila posneta s Canon EOS 20D, ki običajno kaže zmehčanje zaradi uklona nad približno f/11. Premaknite miško nad posamezno število f, da vidite, kako to vpliva na podrobnosti:

Izberite zaslonko:

f/8,0

f/11

f/16

f/22

Brez prekrivanja diskov Airy Delno prekrivanje Airy diskov

Upoštevajte, da je večina črt v tkanini še vedno razločljivih pri f/11, vendar imajo nekoliko nižji kontrast ali ostrino v majhnem merilu (zlasti tam, kjer so črte tkanine zelo blizu). To je zato, ker se zračni diski le delno prekrivajo, podobno kot učinek na sosednje vrste izmenično črnih in belih zračnih diskov (kot je prikazano na desni). Pri f/22 so bile skoraj vse drobne črte zglajene, ker so zračni diski večji od te podrobnosti.

IZRAČUN UKOMNE MEJE

Spodnji obrazec izračuna velikost zračnega diska in oceni, ali je kamera postala omejena na uklon. Kliknite »prikaži napredno«, da določite krog zmede po meri (CoC) ali da vidite vpliv velikosti slikovnih pik.

Opomba:CF ="faktor obrezovanja" (običajno imenovan množitelj goriščne razdalje); predpostavlja kvadratne slikovne pike, razmerje stranic 4:3 za kompaktne digitalne fotoaparate in 3:2 za zrcalno-refleksne fotoaparate.*Kalkulator predvideva, da senzor vašega fotoaparata uporablja tipično Bayerjevo polje .

Ta kalkulator kaže, da ima kamera omejen uklon, ko premer zračnega diska presega tisto, kar je običajno ločljivo v odtisu velikosti 8 x 10 palcev, gledanem z ene noge. Kliknite "pokaži napredno", če želite spremeniti merila za doseganje te omejitve. Potrditveno polje »nastavi krog zmede na podlagi slikovnih pik« označuje, kdaj bo uklon verjetno postal viden na računalniku v 100-odstotnem merilu. Za nadaljnjo razlago vsake nastavitve vnosa si oglejte tudi kalkulator globinske ostrine.

V praksi meja uklona ne povzroči nujno nenadne spremembe; pravzaprav obstaja postopen prehod med tem, kdaj je uklon viden in kdaj ni. Poleg tega je ta omejitev samo najboljši scenarij pri uporabi sicer popolnega objektiva; rezultati v resničnem svetu se lahko razlikujejo.

OPOMBE O UPORABI V RESNIČNEM SVETU V FOTOGRAFIJI

Tudi ko je sistem kamere blizu meje uklona ali tik pred njo, so drugi dejavniki, kot so natančnost ostrenja, zamegljenost gibanja in nepopolne leče, verjetno bolj pomembni. Uklon torej omejuje popolno ostrino le pri uporabi trdnega stojala, zaklepanja ogledala in zelo kakovostnega objektiva.

Nekateri uklon je pogosto v redu če ste pripravljeni žrtvovati ostrino v goriščni ravnini v zameno za ostrino zunaj globinske ostrine. Druga možnost je, da so morda potrebne zelo majhne zaslonke za doseganje dovolj dolgih osvetlitev, na primer za povzročitev zamegljenosti zaradi gibanja s tekočo vodo. Z drugimi besedami, uklon je le nekaj, na kar se morate zavedati, ko izbirate nastavitve osvetlitve, podobno kot bi uravnovesili druge kompromise, kot je šum (ISO) in hitrost zaklopa.

To vas ne bi smelo voditi k misli, da so "večje zaslonke boljše," čeprav zelo majhne zaslonke ustvarijo mehko sliko; večina leč je tudi precej mehkih, če jih uporabljamo široko odprte (pri največji razpoložljivi zaslonki). Sistemi kamer imajo običajno optimalno zaslonko med največjo in najmanjšo nastavitvijo; pri večini leč je optimalna ostrina pogosto blizu uklonske meje, pri nekaterih lečah pa se to lahko zgodi celo pred uklonsko mejo. Ti izračuni pokažejo le, ko uklon postane pomemben, ne pa nujno tudi lokacijo optimalne ostrine (za več o tem glejte kakovost objektiva kamere:MTF, ločljivost in kontrast).

Ali so manjše slikovne pike slabše? Ni nujno. Samo zato, ker je bila dosežena meja uklona (z velikimi piksli), ne pomeni nujno, da je slika slabša, kot če bi bile uporabljene manjše piksle (in je bila meja presežena); oba scenarija imata še vedno enako skupno ločljivost (čeprav manjše slikovne pike ustvarijo večjo datoteko). Vendar pa bo fotoaparat z manjšimi slikovnimi pikami upodobil fotografijo z manj artefakti (kot sta barvni moiré in alias). Manjše slikovne pike dajejo tudi več ustvarjalne prilagodljivosti, saj lahko zagotovijo višjo ločljivost, če je možna uporaba večje zaslonke (na primer, ko je lahko globinska ostrina majhna). Po drugi strani, ko se upoštevajo drugi dejavniki, kot sta šum in dinamični razpon, postane razprava o "majhnih proti velikim" slikovnim pikam bolj zapletena...

Tehnična opomba:neodvisnost od goriščne razdalje Ker je fizična velikost zaslonke večja pri teleobjektivih (f/4 ima premer 50 mm pri 200 mm, a le premer 25 mm pri 100 mm), zakaj se zračni disk ne zmanjša? To je zato, ker daljše goriščne razdalje tudi povzročijo, da svetloba potuje dlje, preden zadene senzor fotoaparata - s čimer se poveča razdalja, na kateri lahko zračni disk še naprej odstopa. Konkurenčni učinki večje zaslonke in daljše goriščne razdalje se zato izničijo, pomembno pa ostane samo število f (ki opisuje goriščno razdaljo glede na velikost zaslonke).

Za dodatno branje o tej temi glejte tudi dodatek:Difrakcija digitalne kamere, 2. del:Ločljivost, barva in mikrokontrast

Stran št.:1 2