Фотографы используют небольшие апертуры, чтобы получить широкую глубину резкости. Однако меньшая диафрагма вызывает некоторые проблемы, такие как дифракция линз.
Дифракция линз приводит к тому, что фотография теряет резкость при малом отверстии. Что же можно сделать с дифракцией линз? Читайте дальше, чтобы узнать об этом и добиться максимальной резкости на ваших снимках!
Что такое дифракция?
Дифракция — это физическое явление, влияющее на все типы волн. Вы можете наблюдать его в жидкостях, звуковых и световых волнах. Вы сталкиваетесь с ним постоянно, даже если оно не привлекает вашего внимания.
Когда волны встречают на своем пути преграду, их поведение меняется. Барьер может быть щелью, а может быть отдельным объектом.
Здесь мы наблюдали пример со щелью. (Позже вы примените его к отверстию диафрагмы в вашей камере.)
Начало волны изгибается. В зависимости от размера щели по сравнению с длиной волны, это изгибание может быть разным по величине. Если щель широкая, то оно незначительно.
Если отверстие сравнимо с длиной волны, дифракция будет происходить на гораздо большем относительном масштабе.
Мы моделируем это изменение в поведении так, как если бы новые волны создавались на линии щели. Вдоль этой линии новые волны начинают распространяться в разных направлениях. Степень этого меняется в зависимости от размера щели.
Идея циркулярно распространяющихся волн и их физическое объяснение называется принципом Гюйгенса.
После этого волны интерферируют, что приводит к различиям в силе волн. В одних местах они аннулируют друг друга, в других — суммируются.
Если наблюдать эти сложения и отмены вдоль линии, параллельной щели, то получится картина. В середине наблюдается очень сильное сложение волн.
Затем повторяются добавления и отмены, уменьшая амплитуду по направлению наружу. Это продолжается до тех пор, пока узор не станет неразличимым.
Самым впечатляющим примером является дифракция в воде.
Посмотрите на изображение ниже.
Вы видите щель, сопоставимую по размеру с длиной волны воды. Дифракция очень заметна. Мы наблюдаем силу волн у длинной фиолетовой линии.
Они наиболее интенсивны в середине, перед самой щелью. Затем следует провал отмены волн. Затем, постепенно к краям, уровень интерференции снижается.
Этот узор, показанный оранжевым цветом, называется узором.
Дифракция света
Пример с водой является двумерным. Но дифракция происходит и в трехмерных ситуациях. Для нас, фотографов, важна именно дифракция света.
Когда свет проходит через щель, он дифрагирует. В фотографии размер щели диафрагмы намного больше длины волны света. Это относится даже к узким параметрам, таким как f/32.
Так, свет не изгибается чрезмерно — но все равно может вызвать проблемы.
Пиксели на современных камерах крошечные. Настолько крошечные, что их размер зачастую лишь на одну величину превышает длину волны видимого света.
Это означает, что даже если свет не сильно дифрагирует, эффект заметен.
Давайте вернемся к точным числам, но сначала посмотрим, что происходит, когда свет проходит через щель.
В этом примере красный лазер был спроецирован на датчик через 90-микрометровое отверстие.
Не забывайте, что 90 микрометров — это гораздо меньше, чем в любом объективе. Такой размер помогает лучше представить эффект. На объективе 50 мм это означает диафрагму f/550.
Вы можете увидеть паттерн Airy, но в данном случае он двухмерный. Самая сильная часть находится в середине, там складываются волны. Пары отмены и суммирования — это порядки, их 27 внизу.
Этот двумерный узор Эйри называется диском Эйри.
Как дифракция объектива влияет на вашу фотографию?
Дифракция влияет на повседневную фотографию.
В зависимости от шага пикселей матрицы камеры, дифракция объектива может ограничивать разрешение изображения.
Это часто вызывает проблемы при высоких значениях фокусного расстояния. В некоторых устройствах, например, в высокомегапиксельных компактных камерах, это может проявляться при f-стопах до f/3,5.
По мере того, как вы уменьшаете объектив, эффект дифракции линз становится все более очевидным.
Дифракция ограничивает разрешение. Независимо от того, насколько хорош ваш объектив, это всегда так. Степень этого ограничения определяется следующей (упрощенной) формулой:
Здесь — наименьший шаг пикселя, который может принимать информацию от объектива на уровне пикселя, длина волны входящего света и f/stop.
Вычислим камеру iPhone XRs. Она имеет 12-Мп сенсор с шагом пикселя 1,3 микрометра. У него фиксированная диафрагма f/1,8.
Длина волны видимого света составляет около 0,5 м.
В результате.
Если два объекта находятся на матрице ближе друг к другу, чем на матрице, они будут сливаться. Они не могут быть разрешены, независимо от того, насколько плотно упакованы пиксели.
Это означает, что iPhone XR (с шагом пикселя 1,3 м) очень близок к дифракционному ограничению.
Так что, даже если объектив оптически совершенен, свободен от всех аберраций, он находится на пределе своих возможностей. Он не может вместить меньшие пиксели.
Возьмем другой пример.
При f/16 результирующее значение составляет 7,3 м. Это означает, что камеры с шагом пикселя около этого значения подвержены дифракции только при f/16.
Так, оригинальный 5D с шагом пикселя 8 м становится дифракционно ограниченным только после f/16.
Это совпадает с моим опытом. Когда я использую оригинальный Canon 5D, мне удается обойтись даже без f/16 без снижения резкости. На камерах 5D MkIII и MkIV это скорее f/11 и f/9.
Посмотрите на эту иллюстрацию, которую я снял с помощьюCanon 5D MkIV, имакрообъектива Canon 100mm f/2.8L IS. Оба снимка находятся в идеальном фокусе; смягчение вызвано дифракцией объектива.
Поиск самой резкой диафрагмы
Вы, вероятно, слышали, что чем больше вы уменьшаете диафрагму объектива, тем более резким получается изображение. И вы можете быть ошеломлены тем, что этот принцип отчасти ошибочен.
Истина находится где-то посередине во всех аспектах.
Если вы используете их на широком расстоянии, объективы страдают от сферической аберрации и возможных конструктивных проблем. Их видимая резкость ниже из-за меньшей глубины резкости.
Если вы слишком сильно уменьшаете их, на них влияет дифракция.
На DSLR и беззеркальных объективов, вы обнаружите, что самые резкие диафрагмы обычно на 2-3 стопа выше максимальной диафрагмы.
На объективе Canon 50mm f/1.8 II (часто называемом «nifty fifty») резкость составляет около f/4. Мой объектив Canon 24mm f/1.4 не становится резче при f/2.8.
Протестируйте свой объектив, чтобы узнать его поведение при разных диафрагмах.
Глубина резкости и дифракция объектива
Не забывайте, что в некоторых ситуациях вы все же можете использовать узкие апертуры.
Если вам нужно, чтобы большая часть сцены была в фокусе, уменьшение экспозиции, как правило, является самым простым методом. Пейзажным фотографам часто приходится снимать при f/16 и выше.
Таким образом, глубина резкости будет больше, в результате чего изображение будет казаться более резким. Детали в идеальном фокусе не будут такими резкими, как при f/8, но вся сцена будет такой же резкой.
Техника одновременного достижения большой глубины резкости и максимально возможной резкости называется фокус-стекинг.
Это довольно кропотливый процесс с ограничениями, но он может дать отличные результаты. Чтобы сделать это идеально, нужно снять серию снимков абсолютно неподвижного объекта, используя штатив.
Вы постепенно меняете фокус между снимками, охватывая все объекты от самых близких до самых дальних. Позже вы объединяете их в редакторе, например, Photoshop.
Заключение
Дифракция объектива — это запутанная тема, однако вы можете увидеть, какое влияние она оказывает на ваше изображение. Об этом стоит знать, когда вы снимаете свои сюжеты.
Дифракция объектива будет присутствовать всегда. Если вы не будете осторожны, ваши снимки будут терять в резкости.
Как только вы увидите дифракцию линз и поймете, как она работает, ее использование в фотографии станет второй натурой.
