Difracción de Lente y Fotografía

La difracción es un efecto óptico que limita la resolución total de tu fotografía —sin importar cuántos megapíxeles tenga tu cámara. Ocurre porque la luz comienza a dispersarse o «difractar» al pasar por una abertura pequeña (como la apertura de tu cámara). Este efecto es normalmente insignificante, ya que aperturas más pequeñas a menudo mejoran la nitidez al minimizar aberraciones del objetivo. Sin embargo, para aperturas lo suficientemente pequeñas, esta estrategia se vuelve contraproducente —en ese punto se dice que tu cámara se ha vuelto limitada por difracción. Conocer este límite ayuda a maximizar el detalle y evitar exposiciones innecesariamente largas o ISO alto.

FUNDAMENTOS

Los rayos de luz que pasan por una abertura pequeña comienzan a divergir e interferir entre sí. Esto se vuelve más significativo a medida que el tamaño de la abertura disminuye respecto a la longitud de onda de la luz que pasa, pero ocurre en cierta medida para cualquier abertura o fuente de luz concentrada.

Como los rayos divergentes viajan distancias diferentes, algunos se desfasan y comienzan a interferir —sumándose en algunos lugares y cancelándose parcial o totalmente en otros. Esta interferencia produce un patrón de difracción con intensidades máximas donde las amplitudes de las ondas de luz se suman, y menos luz donde se restan. Si se midiera la intensidad de luz en cada posición sobre una línea, las mediciones aparecerían como bandas similares a las mostradas abajo.

Para una abertura circular ideal, el patrón de difracción 2-D se llama «disco de Airy», por su descubridor George Airy. El ancho del disco de Airy define la resolución teórica máxima para un sistema óptico (definido como el diámetro del primer círculo oscuro).

Cuando el diámetro del pico central del disco de Airy se vuelve grande respecto al tamaño de píxel en la cámara (o círculo de confusión máximo tolerable), comienza a tener impacto visual en la imagen. Una vez que dos discos de Airy están más cerca que la mitad de su ancho, ya no son resolubles (criterio de Rayleigh).

La difracción establece así un límite fundamental de resolución independiente del número de megapíxeles o del tamaño del formato de película. Depende solo del número f de tu objetivo y de la longitud de onda de la luz fotografiada. Puede pensarse como el «píxel» teórico más pequeño de detalle en fotografía. Además, la aparición de difracción es gradual; antes de limitar la resolución, puede reducir el contraste a pequeña escala causando que los discos de Airy se solapen parcialmente.

EJEMPLO VISUAL: APERTURA VS. TAMAÑO DE PÍXEL

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

Nota: el disco de Airy aparecerá más estrecho que su diámetro especificado (ya que este se define donde alcanza su primer mínimo en lugar de por la región interna visible).

Como resultado del filtro anti-aliasing del sensor (y el criterio de Rayleigh), un disco de Airy puede tener un diámetro de unos 2-3 píxeles antes de que la difracción limite la resolución (asumiendo un objetivo perfecto). Sin embargo, la difracción probablemente tendrá 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 muestra sus efectos solo alrededor de f/5.6. Por otro lado, la G6 no requiere aperturas tan pequeñas como la 20D para lograr la misma profundidad de campo (debido a su sensor mucho menor).

Como el tamaño del disco de Airy también depende de la longitud de onda, cada uno de los tres colores primarios alcanzará su límite de difracción en una apertura diferente. El cálculo anterior asume luz en el medio del espectro visible (~550 nm). Las réflex digitales típicas capturan luz de 450 a 680 nm, así que en el mejor caso el disco de Airy tendría un diámetro del 80% del mostrado (para luz azul pura).

Otra complicación: los sensores con matriz Bayer asignan el doble de píxeles a verde que a rojo o azul, y luego interpolan para producir la imagen final a color. Esto significa que al acercarse al límite de difracción, los primeros signos serán pérdida de resolución en verde y luminancia a nivel de píxel. La luz azul requiere las aperturas más pequeñas (f-stop más alto) para reducir su resolución por difracción.

Otras Notas Técnicas:

• Los píxeles físicos no ocupan el 100% del área del sensor, sino que tienen huecos. Este cálculo asume que los microlentes hacen estos huecos insignificantes.
• Algunas cámaras tienen píxeles ligeramente rectangulares, en cuyo caso la difracción reducirá más la resolución en una dirección que en otra.
• El gráfico aproxima la abertura como circular (aproximación común), pero en realidad son poligonales de 5-8 lados.
• El cálculo de área de píxel asume que se extienden hasta el borde de cada sensor y todos contribuyen a la imagen final. En realidad, los fabricantes dejan algunos píxeles sin usar en el borde. Como no todos especifican píxeles usados vs. sin usar, solo se consideraron píxeles usados al calcular la fracción de área total. Los tamaños de píxel arriba son así ligeramente mayores que si se midieran (pero no más del 5%).

CÓMO SE VE

Aunque los diagramas ayudan a entender el concepto, solo la fotografía real muestra su impacto visual. La siguiente serie de imágenes se tomó con la Canon EOS 20D, que típicamente muestra ablandamiento por difracción más allá de f/11. Pasa el ratón sobre cada número f para ver su impacto en el detalle fino:

Observa cómo la mayoría de líneas en la tela siguen resueltas a f/11, pero tienen ligeramente menor contraste a pequeña escala o acutancia (especialmente donde las líneas están muy juntas). Esto es porque los discos de Airy solo se solapan parcialmente, similar al efecto en filas adyacentes de discos de Airy alternados blanco y negro (mostrado a la derecha). A f/22, casi todas las líneas finas se han suavizado porque los discos de Airy son mayores que este detalle.

CÁLCULO DEL LÍMITE DE DIFRACCIÓN

El formulario abajo calcula el tamaño del disco de Airy y evalúa si la cámara se ha vuelto limitada por difracción. Haz clic en «mostrar avanzado» para definir un círculo de confusión (CoC) personalizado, o ver la influencia del tamaño de píxel.

Nota: CF = «factor de recorte» (comúnmente llamado multiplicador de distancia focal); asume píxeles cuadrados, relación 4:3 para compactas y 3:2 para réflex. *La calculadora asume que tu sensor usa la típica matriz Bayer.

Esta calculadora muestra una cámara como limitada por difracción cuando el diámetro del disco de Airy excede lo típicamente resoluble en una impresión 8x10 pulgadas vista a un pie. Haz clic en «mostrar avanzado» para cambiar el criterio. La casilla «establecer círculo de confusión basado en píxeles» indica cuándo la difracción probablemente sea visible en ordenador al 100%. Para más explicación de cada entrada, ver también la calculadora de profundidad de campo.

En la práctica, el límite de difracción no necesariamente trae un cambio abrupto; hay una transición gradual entre cuando la difracción es y no es visible. Además, este límite es solo un escenario óptimo con objetivo perfecto; los resultados reales pueden variar.

NOTAS SOBRE USO REAL EN FOTOGRAFÍA

Incluso cuando un sistema de cámara está cerca o justo pasado su límite de difracción, otros factores como precisión de enfoque, trepidación e objetivos imperfectos suelen ser más significativos. La difracción limita la nitidez total solo al usar trípode robusto, bloqueo de espejo y objetivo de muy alta calidad.

Algo de difracción a menudo está bien si estás dispuesto a sacrificar nitidez en el plano focal a cambio de nitidez fuera de la profundidad de campo. Alternativamente, aperturas muy pequeñas pueden ser necesarias para exposiciones suficientemente largas, como para inducir desenfoque de movimiento con agua fluyendo. En otras palabras, la difracción es solo algo a tener en cuenta al elegir ajustes de exposición, similar a equilibrar otros compromisos como ruido (ISO) vs velocidad de obturación.

Esto no debe hacerte pensar que «aperturas mayores son mejores», aunque aperturas muy pequeñas crean imagen suave; la mayoría de objetivos también son bastante suaves usados a máxima apertura (apertura mayor disponible). Los sistemas de cámara suelen tener una apertura óptima entre la mayor y la menor; con la mayoría de objetivos, la nitidez óptima está a menudo cerca del límite de difracción, pero con algunos puede ocurrir antes. Estos cálculos solo muestran cuándo la difracción se vuelve significativa, no necesariamente la ubicación de nitidez óptima (ver calidad de objetivo: MTF, resolución y contraste para más).

¿Son los píxeles menores de alguna forma peores? No necesariamente. Solo porque se haya alcanzado el límite de difracción (con píxeles grandes) no significa que la imagen sea peor que si se hubieran usado píxeles menores (y se superara el límite); ambos escenarios tienen la misma resolución total (aunque los píxeles menores producen archivo mayor). Sin embargo, la cámara con píxeles menores renderizará la foto con menos artefactos (como moiré de color y aliasing). Los píxeles menores también dan más flexibilidad creativa, ya que pueden dar mayor resolución si usar apertura mayor es posible (como cuando la profundidad de campo puede ser poca). Por otro lado, al considerar ruido y rango dinámico, el debate «píxeles pequeños vs grandes» se vuelve más complicado...

Para lectura adicional, ver el apéndice: Difracción de Cámara Digital, Parte 2: Resolución, Color y Micro-Contraste