DIFRACCIÓN DE LENTE Y FOTOGRAFÍA

La difracción es un efecto óptico que limita la resolución total de su fotografía, sin importar cuántos megapíxeles tenga su cámara. Ocurre porque la luz comienza a dispersarse o "difractarse" cuando pasa a través de una pequeña abertura (como la abertura de su cámara). Este efecto normalmente es insignificante, ya que las aperturas más pequeñas a menudo mejoran la nitidez al minimizar las aberraciones de la lente. Sin embargo, para aperturas lo suficientemente pequeñas, esta estrategia se vuelve contraproducente, momento en el que se dice que su cámara se ha vuelto limitada en difracción. . Conocer este límite puede ayudar a maximizar los detalles y evitar una exposición prolongada innecesaria o una velocidad ISO alta.

ANTECEDENTES

Los rayos de luz que pasan a través de una pequeña abertura comenzarán a divergir e interferir entre sí. Esto se vuelve más significativo a medida que el tamaño de la apertura disminuye en relación con la longitud de onda de la luz que la atraviesa, pero ocurre hasta cierto punto para cualquier apertura o fuente de luz concentrada.

Dado que los rayos divergentes ahora viajan diferentes distancias, algunos se desfasan y comienzan a interferir entre sí, añadiéndose en algunos lugares y anulándose parcial o completamente en otros. Esta interferencia produce un patrón de difracción con intensidades máximas donde la amplitud de las ondas de luz se suman y menos luz donde se restan. Si uno tuviera que medir la intensidad de la luz que llega a cada posición en una línea, las medidas aparecerían como bandas similares a las que se muestran a continuación.

Patrón de difracción

Para una apertura circular ideal, el patrón de difracción 2-D se denomina "disco de aire", en honor a su descubridor George Airy. El ancho del disco de aire se usa para definir la resolución máxima teórica para un sistema óptico (definido como el diámetro del primer círculo oscuro).

Disco aireado Visualización 3D

Cuando el diámetro del pico central del disco de aire se vuelve grande en relación con el tamaño de píxel de la cámara (o el círculo de confusión máximo tolerable), comienza a tener un impacto visual en la imagen. Una vez que dos discos aireados se acercan más a la mitad de su ancho, tampoco se pueden resolver (criterio de Rayleigh).

Apenas resuelto Ya no se resuelve

La difracción establece así un límite de resolución fundamental que es independiente del número de megapíxeles o del tamaño del formato de la película. Depende solo del número f de su lente y de la longitud de onda de la luz que se refleja. Uno puede pensar en él como el "píxel" teórico más pequeño de detalle en fotografía. Además, el inicio de la difracción es gradual; antes de limitar la resolución, aún puede reducir el contraste a pequeña escala haciendo que los discos aireados se superpongan parcialmente.

EJEMPLO VISUAL:APERTURA VS. TAMAÑO DE PÍXELES

El tamaño del disco aireado es principalmente útil en el contexto del tamaño de píxel. La siguiente herramienta interactiva muestra un único disco aireado en comparación con el tamaño de píxel de varios modelos de cámara:

Nota:el disco aireado anterior aparecerá más angosto que su diámetro especificado (ya que esto se define por el lugar donde alcanza su primer mínimo en lugar de por la región brillante interna visible).

Como resultado del filtro antisolapamiento del sensor (y el criterio de Rayleigh anterior), un disco aireado puede tener un diámetro de aproximadamente 2-3 píxeles antes de que la difracción limite la resolución (suponiendo que la lente sea perfecta). Sin embargo, es probable que la difracción tenga un impacto visual antes de alcanzar este diámetro.

Como dos ejemplos, la Canon EOS 20D comienza a mostrar difracción alrededor de f/11, mientras que la Canon PowerShot G6 comienza a mostrar sus efectos con solo alrededor de f/5.6. Por otro lado, la Canon G6 no requiere aperturas tan pequeñas como la 20D para lograr la misma profundidad de campo (debido a su tamaño de sensor mucho más pequeño).

Dado que el tamaño del disco de aire también depende de la longitud de onda de la luz, cada uno de los tres colores primarios alcanzará su límite de difracción en una apertura diferente. El cálculo anterior supone luz en el medio del espectro visible (~550 nm). Las cámaras SLR digitales típicas pueden capturar luz con una longitud de onda de entre 450 y 680 nm, por lo que, en el mejor de los casos, el disco aireado tendría un diámetro del 80 % del tamaño que se muestra arriba (para luz azul pura).

Otra complicación es que los sensores que utilizan una matriz de Bayer asignan el doble de la fracción de píxeles al verde que a la luz roja o azul, y luego interpolan estos colores para producir la imagen final a todo color. Esto significa que a medida que se acerca el límite de difracción, las primeras señales serán una pérdida de resolución en verde y luminosidad a nivel de píxel. La luz azul requiere las aperturas más pequeñas (el diafragma más alto) para reducir su resolución debido a la difracción.

Otras notas técnicas:

• Los píxeles físicos en realidad no ocupan el 100 % del área del sensor, sino que tienen espacios intermedios. Este cálculo asume que las microlentes hacen que estos espacios sean insignificantes.
• Algunas cámaras tienen píxeles que son ligeramente rectangulares, en cuyo caso la difracción reducirá la resolución más en una dirección que en la otra.
• El gráfico anterior se aproxima a la apertura como circular (una aproximación común), pero en realidad son poligonales con 5-8 lados.
• El cálculo del área de píxeles supone que estos se extienden hasta el borde de cada sensor y todos contribuyen a la imagen final. En realidad, los fabricantes de cámaras dejan algunos píxeles sin usar alrededor del borde del sensor. Dado que no todos los fabricantes especifican la cantidad de píxeles usados ​​frente a los no usados, solo se consideraron los píxeles usados ​​al calcular la fracción del área total del sensor. Los tamaños de píxeles anteriores son, por lo tanto, un poco más grandes que si se midieran (pero no más del 5%).

ASPECTO

Aunque los diagramas anteriores ayudan a dar una idea del concepto de difracción, solo la fotografía del mundo real puede mostrar su impacto visual. La siguiente serie de imágenes se tomaron con la EOS 20D de Canon, que normalmente muestra un ablandamiento por difracción más allá de f/11. Mueva el mouse sobre cada número f para ver cómo impactan en los detalles finos:

Seleccionar apertura:

f/8.0

f/11

f/16

f/22

Sin superposición de discos Airy Superposición parcial de discos Airy

Observe cómo la mayoría de las líneas en la tela aún se resuelven en f/11, pero tienen un contraste o agudeza a pequeña escala ligeramente menor (particularmente donde las líneas de la tela están muy cerca). Esto se debe a que los discos de aire solo se superponen parcialmente, de forma similar al efecto de las filas adyacentes de discos de aire alternados en blanco y negro (como se muestra a la derecha). Con f/22, casi todas las líneas finas se han suavizado porque los discos aireados son más grandes que este detalle.

CÁLCULO DEL LÍMITE DE DIFRACCIÓN

El siguiente formulario calcula el tamaño del disco de aire y evalúa si la cámara se ha vuelto limitada por difracción. Haga clic en "mostrar avanzado" para definir un círculo de confusión (CoC) personalizado o para ver la influencia del tamaño de píxel.

Nota:CF ="factor de recorte" (comúnmente conocido como el multiplicador de distancia focal); asume píxeles cuadrados, relación de aspecto de 4:3 para digital compacta y 3:2 para SLR. * La calculadora asume que el sensor de su cámara usa la matriz Bayer típica .

Esta calculadora muestra una cámara con difracción limitada cuando el diámetro del disco de aire excede lo que normalmente se puede resolver en una impresión de 8x10 pulgadas vista desde un pie. Haga clic en "mostrar avanzado" para cambiar los criterios para alcanzar este límite. La casilla de verificación "establecer círculo de confusión basado en píxeles" indica cuándo es probable que la difracción se vuelva visible en una computadora a una escala del 100%. Para obtener una explicación más detallada de cada configuración de entrada, consulte también la calculadora de profundidad de campo.

En la práctica, el límite de difracción no provoca necesariamente un cambio brusco; en realidad, hay una transición gradual entre cuando la difracción es y no es visible. Además, este límite es solo el mejor de los casos cuando se usa una lente perfecta; los resultados del mundo real pueden variar.

NOTAS SOBRE EL USO DEL MUNDO REAL EN LA FOTOGRAFÍA

Incluso cuando un sistema de cámara está cerca o apenas ha superado su límite de difracción, es probable que otros factores, como la precisión del enfoque, el desenfoque de movimiento y las lentes imperfectas, sean más significativos. Por lo tanto, la difracción limita la nitidez total solo cuando se utiliza un trípode resistente, bloqueo de espejo y una lente de muy alta calidad.

Algo de difracción suele estar bien si está dispuesto a sacrificar la nitidez en el plano focal a cambio de la nitidez fuera de la profundidad de campo. Alternativamente, se pueden requerir aperturas muy pequeñas para lograr exposiciones lo suficientemente largas, como para inducir el desenfoque de movimiento con agua que fluye. En otras palabras, la difracción es algo a tener en cuenta al elegir la configuración de exposición, de forma similar a cómo se equilibrarían otras compensaciones como el ruido (ISO) frente a la velocidad de obturación.

Esto no debería llevarlo a pensar que "las aperturas más grandes son mejores" aunque las aperturas muy pequeñas crean una imagen suave; la mayoría de los lentes también son bastante suaves cuando se usan completamente abiertos (en la apertura más grande disponible). Los sistemas de cámara suelen tener una apertura óptima entre la configuración más grande y la más pequeña; con la mayoría de las lentes, la nitidez óptima suele estar cerca del límite de difracción, pero con algunas lentes esto puede ocurrir incluso antes del límite de difracción. Estos cálculos solo muestran cuándo la difracción se vuelve significativa, no necesariamente la ubicación de la nitidez óptima (Consulte la calidad de la lente de la cámara:MTF, resolución y contraste para obtener más información).

¿Son peores los píxeles más pequeños? No necesariamente. El hecho de que se haya alcanzado el límite de difracción (con píxeles grandes) no significa necesariamente que una imagen sea peor que si se hubieran utilizado píxeles más pequeños (y se superó el límite); ambos escenarios aún tienen la misma resolución total (aunque los píxeles más pequeños producen un archivo más grande). Sin embargo, la cámara con los píxeles más pequeños renderizará la foto con menos artefactos (como moiré de color y aliasing). Los píxeles más pequeños también brindan una mayor flexibilidad creativa, ya que pueden generar una resolución más alta si es posible usar una apertura más grande (como cuando la profundidad de campo puede ser menor). Por otro lado, cuando se consideran otros factores como el ruido y el rango dinámico, el debate sobre píxeles "pequeños y grandes" se vuelve más complicado...

Nota técnica:Independencia de la distancia focal Dado que el tamaño físico de una apertura es mayor para los teleobjetivos (f/4 tiene un diámetro de 50 mm a 200 mm, pero solo un diámetro de 25 mm a 100 mm), ¿por qué el disco de aire no se vuelve más pequeño? Esto se debe a que las distancias focales más largas también hacen que la luz viaje más lejos antes de llegar al sensor de la cámara, lo que aumenta la distancia sobre la cual el disco de aire puede seguir divergiendo. Por lo tanto, los efectos competitivos de una apertura más grande y una distancia focal más larga se cancelan, dejando solo el número f como importante (que describe la distancia focal en relación con el tamaño de la apertura).

Para leer más sobre este tema, consulte también el apéndice:Difracción de cámaras digitales, Parte 2:Resolución, color y microcontraste

Pagina 12