O que é um "limite de difração"?

Eu já vi o termo usado, mas o que é um "limite de difração", quando devo me preocupar com isso e quais efeitos indesejáveis ​​são resultado disso?

Houve algumas respostas muito boas, no entanto, existem alguns detalhes que não foram mencionados. Primeiro, a difração sempre acontece, em todas as aberturas, à medida que a luz se curva em torno das bordas do diafragma e cria um " Disco Arejado ". O tamanho do disco arejado e a proporção do disco que compreende os anéis externos e a amplitude de cada onda nos anéis externos aumentam à medida que a abertura é interrompida (a abertura física fica menor.) Quando você aborda a fotografia em da maneira que Whuber mencionou em sua resposta:

Pense em uma cena como composta de muitos pequenos pontos de luz discretos.

Você percebe que cada um desses pontos de luz, quando focado na sua lente, está gerando seu próprio disco no meio de geração de imagens.

Em relação ao meio de imagem

Também deve ser observado claramente que o limite de difração não é realmente uma limitação de uma lente. Como observado acima, as lentes estão sempre criando um padrão de difração, apenas o grau e a extensão desse padrão mudam quando a lente é parada. O "limite" da difração é uma função do meio de imagem. Um sensor com fotossites menores ou um filme com grãos menores terá um limite de difração menor do que aqueles com fotossites / grãos maiores. Isso se deve ao fato de um photosite menor cobrir menos a área do disco do que um photosite maior. Quando o disco arejado cresce em tamanho e intensidade quando uma lente é parada, o disco arejado afeta os photosites vizinhos.

O limite de difraçãoé o ponto em que os discos arejados crescem o suficiente para começar a afetar mais de um único photosite. Outra maneira de ver é quando os discos arejados de duas fontes de luz pontuais, que podem ser resolvidas pelo sensor, começam a se fundir. Em uma abertura ampla, as fontes de luz de dois pontos fotografadas por um sensor podem afetar apenas os photosites vizinhos únicos. Quando a abertura é interrompida, o disco arejado gerado por cada fonte de luz pontual cresce até o ponto em que os anéis externos de cada disco arejado começam a se fundir. Este é o ponto em que um sensor é "limitado por difração", pois as fontes de luz pontuais individuais não se resolvem mais em um único photosite ... elas estão se fundindo e cobrindo mais de um photosite. O ponto em que o centro de cada disco arejado se funde é o limite de resolução, e você não poderá mais resolver nenhum detalhe mais fino, independentemente da abertura usada. Esta é a frequência de corte por difração.

Note-se que é possível que uma lente resolva um ponto menor dos pixels em um meio de imagem. É o caso de discos arejados, focados por uma lente, cobrir apenas uma fração de um photosite. Nesse caso, mesmo que duas fontes de luz pontual altamente resolvidas gerem discos arejados que se fundem em um único photosite, o resultado final será o mesmo ... o sensor detectará apenas uma luz pontual independente da abertura. O "limite de difração" desse sensor seria maior (digamos, f / 16) do que para um sensor capaz de resolver distintamente ambas as fontes de luz pontual (que podem estar limitadas em f / 8). Também é possível e provávelNesse ponto, as fontes de luz NÃO serão perfeitamente focadas no centro de um photosite. É totalmente plausível que um disco arejado seja focado na borda entre dois photosites ou na junção de quatro photosites. Em um sensor preto e branco ou sensor de foveon (sensores de cores empilhados), isso causaria apenas suavização. Em um sensor de camada de cores, em que uma junção quadrada de 4 photosites captura um padrão alternado de cores GRGB, pois o disco arejado pode afetar a cor final renderizada por esses quatro photosites, além de causar suavização ou resolução inadequada.

Minha Canon 450D, um sensor APS-C de 12,2mp, tem um limite de difração de f / 8.4. Por outro lado, a Canon 5D Mark II, um sensor Full Frame de 21.1mp, possui um limite de difração de f / 10.3. O sensor maior, apesar de ter quase o dobro de megapixels, pode fazer uma parada extra antes de encontrar seu limite de difração. Isso ocorre porque o tamanho físico dos photosites no 5D II é maior que o do 450D. (Um bom exemplo de um dos inúmeros benefícios de sensores maiores.)

Chaves na mistura

Muitas vezes, você pode encontrar tabelas na internet que especificam uma abertura limitada por difração específica para formatos específicos. Costumo ver f / 16 usado para sensores APS-C ef / 22 para quadro completo. No mundo digital, esses números geralmente são inúteis. A abertura limitadora de difração (DLA) é, em última análise, uma função da relação do tamanho de um ponto de luz focado (incluindo o padrão de disco arejado) com o tamanho de um único elemento sensor de luz em um sensor. Para qualquer tamanho de sensor especificado, APS-C ou Full Frame, o limite de difração mudará dependendo do tamanho dos photosites. Um exemplo disso pode ser visto com a linha de câmeras EOS Rebel da Canon ao longo dos anos:

Camera   |   DLA
--------------------
350D     |   f/10.4
400D     |   f/9.3
450D     |   f/8.4
500D     |   f/7.6
550D     |   f/6.8

A história deve ser semelhante para o tamanho do grão do filme. Filmes com grãos mais finos acabariam sendo mais suscetíveis ao amolecimento por difração em aberturas mais baixas do que filmes com grãos maiores.

A frequência de corte por difração

A difração é frequentemente apontada como um assassino de imagens, e as pessoas falam sobre o "limite de difração" como o ponto em que você não pode mais resolver uma imagem "de maneira útil". Pelo contrário, o limite de difração é apenas o ponto em que a difração começa a afetar uma imagem para o meio de imagem específico que você está usando. A frequência de corte por difração é o ponto em que a nitidez adicional é impossível para uma determinada abertura, e isso é realmente uma função da lente e da abertura física.

A fórmula para a frequência de corte por difração para sistemas ópticos (perfeitos) é a seguinte:

fc = 1 / (λ * f #) ciclos / mm

Isto afirma que o recíproco do comprimento de onda da luz focalizada multiplicado pelo número f da lente é o número de ciclos por milímetro que pode ser resolvido. A frequência de corte por difração é geralmente o ponto em que a resolução atinge o comprimento de onda das frequências da própria luz. Para luz visível, λ entre 380-750nm ou 0,38-0,75 mícrons. Até que a frequência de corte seja atingida para uma determinada abertura, é possível obter mais resolução.

Exemplos visuais

A sequência de imagens de Whubers acima é um exemplo decente do efeito da difração, bem como do efeito de aberrações ópticas quando a lente está aberta. Eu acho que sofre um pouco de alguma mudança de foco devido à aberração esférica, então eu criei um GIF animado que demonstra os efeitos da alteração da abertura de uma lente Canon 50mm f / 1.4 de sua abertura mais larga para sua mais estreita, em pontos finais .

(Nota: a imagem é grande, 3,8 meg, faça o download completo para ver a comparação da nitidez a cada parada.) leve franja roxa ... Tentei focar completamente.) Parado em f / 2, a CA diminuiu consideravelmente. De f / 2.8 a f / 8, a nitidez está no auge, com f / 8 sendo ideal. Em f / 11, a nitidez cai levemente, devido à difração . Em f / 16 e particularmente em f / 22, a difração afeta visivelmente a nitidez da imagem. Observe que, mesmo com o desfoque por difração, o f / 22 ainda é consideravelmente mais nítido que o f / 1.4 ou f / 2.

Pense em uma cena composta de muitos pequenos pontos de luz discretos . Uma lente deve converter cada ponto em outro ponto em um local apropriado na imagem. A difração faz com que cada ponto se espalhe em um padrão circular tipo onda, o disco Airy . O diâmetro do disco é diretamente proporcional ao número f: esse é o " limite de difração ".

À medida que o número f é aumentado do mínimo (uma lente aberta), a luz que cai em um ponto da imagem virá de uma região mais estreita da lente. Isso tende a tornar a imagem mais nítida. À medida que o número f aumenta, os discos Airy aumentam. Em algum momento, os dois efeitos se equilibram para criar a imagem mais nítida. Esse ponto geralmente está na faixa de f / 5.6 a f / 8 nas câmeras SLR. Com números f menores, as propriedades gerais da lente (suas aberrações) assumem o controle para criar uma imagem mais suave. Com números f maiores, a suavidade é dominada pelo efeito de difração.

Você pode medir isso razoavelmente bem com suas próprias lentes e sem equipamento especial . Monte a câmera em um tripé em frente a um alvo plano, nítido, detalhado e bem iluminado, com muito contraste. (Usei uma página de uma revista; funcionou bem.) Use suas melhores configurações: ISO mais baixo, exposição adequada, bloqueio de espelho, distância focal média para uma lente zoom (ou varie também a distância focal), distância média, perfeitamente em foco, formato RAW. Tire uma série de fotos nas quais você varia apenas f / stop e o tempo de exposição (para manter a exposição constante). Observe a sequência de fotos a 100% em um bom monitor: você verá onde está o "ponto ideal" da sua câmera e os efeitos do uso de aberturas mais amplas ou mais estreitas.

A sequência a seguir é tirada de uma série da lente Canon 85 mm f / 1.8, que é bastante boa. De cima para baixo, há culturas de 100% (convertidas para JPEG de alta qualidade para exibição na Web) em f / 1.8, 2.8, 5.6, 11 e 22. Você pode ver os efeitos crescentes da difração em f / 11 ef / 22 em as duas imagens inferiores. Observe que, para esta lente em particular usada com esta câmera em particular (EOS T2i, um sensor APS-C), a suavidade de difração em números f altos não se aproxima da suavidade vista com a lente totalmente aberta. Ter informações comparáveis ​​para suas próprias lentes, que podem ser obtidas em alguns minutos, pode ser valioso para a escolha de parâmetros de exposição em fotos importantes.

f / 1.8

f / 2.8

f / 5.6

f / 11

f / 22

Difração acontece. É um fato da vida. Quando as lentes são usadas a céu aberto, outras aberrações são muito proeminentes para você notar uma pequena perda de nitidez devido à difração. Pare um pouco e essas aberrações são minimizadas - a lente parece ficar cada vez melhor. A difração está lá, mas você ainda não percebe porque a luz que não passa perto das bordas supera significativamente a luz que está passando, ficando um pouco perto demais das lâminas da abertura.

Em algum momento, enquanto você está parando a lente, os ganhos obtidos com a eliminação das diferenças ópticas entre as partes central e externa dos elementos da lente começam a desaparecer - não há mais luz focada e nítida o suficiente para abafar a imagem de foco causada pela curvatura da luz nas bordas do caminho óptico (difração). A lente não vai melhorar quando você parar mais - muita luz está sendo difratada em comparação com a luz que passa pelo meio. A partir deste momento, a parada diminuirá a imagem.

O ponto em que a lente é parada o máximo possível sem aumentar a suavidade é o limite de difração. Em algumas lentes, é o máximo que você pode parar - a Nikon, por exemplo, tradicionalmente mantém uma abertura mínima relativamente ampla (f / 16) em muitos de seus designs. Em outras lentes (macros, especialmente), você ainda pode ter algumas paradas ou mais à sua disposição; considerações sobre profundidade de campo podem ser mais importantes que a nitidez absoluta em algumas aplicações.

Toda a fotografia é um compromisso. Pode haver momentos em que você queira parar além do ideal, mas ajuda a estar ciente dos compromissos que está fazendo. Parar é uma resposta fácil para o DOF, mas se você é viciado em paisagens e as captura em f / 22 ou f / 32, talvez seja hora de dar uma olhada em uma lente de inclinação / mudança.

Enquanto as respostas já aqui descrevem bem a difração . O limite de difração é usado com mais frequência para descrever o ponto em que parar a lente não fornece mais detalhes em relação ao tamanho de pixel do sensor da câmera.

Quando você atingir o limite de difração da sua câmera, QUALQUER lente parada além dessa abertura fornecerá resultados mais suaves. Está diretamente relacionado ao tamanho de pixels individuais, não ao tamanho do sensor.

Nas DSLRs modernas, o limite de difração será atingido entre F / 11 e F / 16. Em câmeras com sensores pequenos, pode ser F / 8 ou até menos. Você notará que a maioria das câmeras pequenas não usa aberturas menores que F / 8 por esse motivo. Alguns até usam uma abertura fixa (aproximadamente F / 3.5) e simulam menos luz entrando deslizando um filtro ND em vez de parar. Infelizmente, eles colocam o F-stop simulado no EXIF, então você precisa conhecer a câmera para perceber que ela usa um filtro ND em vez de uma abertura normal.

Esta página no site Cambridge In Color tem uma explicação técnica detalhada do limite de difração. Também possui uma calculadora on-line para verificar se uma combinação específica de abertura, câmera, tamanho de impressão e distância de visualização é limitada por difração ou não.

Resposta curta…

O limite de difração é o menor ponto que um determinado sistema de lente pode criar / resolver / focar.

Agitando os braços: as lentes podem focalizar a luz em um ponto pequeno, mas não em um ponto. O tamanho do ponto pode variar com o comprimento de onda, com comprimentos de onda curtos formando tamanhos de ponto menores que os mais longos. Quando uma lente muito boa e sem aberrações (limitada por difração) é usada, a luz colimada produzirá um disco arejado como um ponto no foco. Um disco arejado ainda é o menor ponto que pode ser produzido com essa lente naquela abertura e com esse comprimento de onda (usando luz colimada). Aberturas maiores produzem tamanhos de ponto menores com foco mais apertado e profundidade de foco reduzida do que aberturas menores.

Observe que você não pode produzir um disco arejado com uma cena pictórica. A luz colimada não forma uma imagem.

Whoa, pare aí mesmo : aberturas numéricas maiores produzem pontos menores faz sentido se você considerar que, na fórmula, a abertura é usada como um valor recíproco. A dispersão também desempenha um papel aqui também.

O limite de difração é o limite máximo de nitidez de uma lente devido a leis da física. Basicamente, você não pode obter fotos mais nítidas, independentemente de quantos pixels sua câmera possua ou de quão perfeito é o sistema óptico.

O efeito indesejado é quando você está definindo o zoom maior do que o limite de difração permite e uma foto não está ficando mais nítida, apenas maior. Isso geralmente acontece em telescópios e microscópios. É também por isso que os microscópios eletrônicos são usados ​​em vez de ópticos, pois os ópticos não podem ver claramente mais nítidos que o X.

Líquidos de imersão permitem aumentar o limite para tirar fotos com maior resolução em microscopia óptica.