Apa itu "batas difraksi"?

Saya telah melihat istilah yang digunakan, tetapi apa itu "batas difraksi", kapan saya harus khawatir tentang hal itu, dan apa akibat yang tidak diinginkan akibatnya?

Ada beberapa jawaban yang sangat bagus, namun ada beberapa detail yang belum disebutkan. Pertama, difraksi selalu terjadi, di setiap celah, saat cahaya membengkok di sekitar tepi diafragma dan menciptakan " Airy Disk ". Ukuran disk yang lapang, dan proporsi disk yang terdiri dari cincin terluar, dan amplitudo setiap gelombang di cincin terluar, meningkat ketika apertur dihentikan (apertur fisik semakin kecil.) Ketika Anda mendekati fotografi di cara Whuber menyebutkan dalam jawabannya:

Pikirkan sebuah pemandangan yang terdiri dari banyak titik cahaya diskrit kecil.

Anda menyadari bahwa setiap titik cahaya itu, ketika difokuskan oleh lensa Anda, menghasilkan disk yang lapang sendiri pada media pencitraan.

Mengenai Medium Gambar

Juga harus dicatat dengan jelas bahwa batas difraksi sebenarnya bukan batasan lensa. Seperti disebutkan di atas, lensa selalu menciptakan pola difraksi, hanya derajat dan luas pola yang berubah ketika lensa dihentikan. "Batas" difraksi adalah fungsi dari media pencitraan. Sebuah sensor dengan photosites yang lebih kecil, atau film dengan butiran yang lebih kecil, akan memiliki batas difraksi yang lebih rendah dibandingkan dengan yang memiliki photosite / butir yang lebih besar. Ini disebabkan oleh fakta bahwa photosite yang lebih kecil mencakup area disk yang lebih sedikit daripada photosite yang lebih besar. Ketika disk yang lapang tumbuh dalam ukuran dan intensitas ketika sebuah lensa dihentikan, disk yang lapang memengaruhi foto-foto tetangga.

The batas difraksiadalah titik di mana disk yang lapang tumbuh cukup besar sehingga mereka mulai mempengaruhi lebih dari satu photosite. Cara lain untuk melihatnya adalah ketika disk yang lapang dari sumber cahaya dua titik yang dapat diselesaikan oleh sensor mulai bergabung. Pada bukaan yang lebar, dua sumber cahaya titik yang dicitrakan oleh sensor hanya dapat memengaruhi satu fotosit tetangga. Saat apertur dihentikan, disk berangin yang dihasilkan oleh setiap titik sumber cahaya tumbuh, ke titik di mana cincin terluar dari masing-masing disk berangin mulai bergabung. Ini adalah titik di mana sensor "terbatas difraksi", karena sumber cahaya titik individu tidak lagi menyelesaikan ke satu photosite ... mereka menggabungkan dan mencakup lebih dari satu photosite. Titik di mana pusat dari setiap disk yang lapang bergabung adalah batas resolusi, dan Anda tidak lagi dapat menyelesaikan detail yang lebih halus terlepas dari aperture yang digunakan. Ini adalah frekuensi cutoff difraksi.

Perlu dicatat bahwa lensa mungkin dapat mengatasi titik piksel yang lebih kecil dalam media pencitraan. Ini adalah kasus ketika disk lapang difokuskan oleh penutup lensa hanya sebagian kecil dari photosite. Dalam hal ini, bahkan jika dua sumber cahaya titik yang sangat terselesaikan menghasilkan disk yang lapang yang menyatu di atas photosite tunggal, hasil akhirnya akan sama ... sensor hanya akan mendeteksi cahaya satu titik terlepas dari aperture. "Batas difraksi" dari sensor semacam itu akan lebih tinggi (katakanlah f / 16) daripada untuk sensor yang mampu dengan jelas menyelesaikan kedua sumber cahaya titik (yang mungkin difraksi terbatas pada f / 8). Itu juga mungkin, dan mungkinsumber cahaya titik itu TIDAK akan sempurna fokus ke pusat photosite. Ini sepenuhnya masuk akal untuk disk yang lapang untuk difokuskan di perbatasan antara dua photosites, atau persimpangan empat photosites. Pada sensor hitam dan putih atau sensor foveon (sensor warna bertumpuk), itu hanya akan menyebabkan pelunakan. Dalam sensor color bayer, di mana persimpangan persegi 4 photosites akan menangkap pola bergantian warna GRGB, karena disk yang lapang dapat memengaruhi warna akhir yang dihasilkan oleh keempat photosite tersebut serta menyebabkan pelunakan atau resolusi yang tidak tepat.

Canon 450D saya, sebuah sensor APS-C 12.2mp, memiliki batas difraksi f / 8.4. Sebaliknya, Canon 5D Mark II, sensor Bingkai Penuh 21.1mp, memiliki batas difraksi f / 10.3. Sensor yang lebih besar, meskipun memiliki hampir dua kali lebih besar megapikselnya, dapat berhenti ekstra sebelum menemui batas difraksinya. Ini karena ukuran fisik photosites pada 5D II lebih besar dari pada 450D. (Contoh yang bagus dari salah satu dari banyak manfaat sensor yang lebih besar.)

Kunci pas dalam campuran

Anda mungkin sering menemukan tabel di internet yang menentukan aperture terbatas difraksi khusus untuk format tertentu. Saya sering melihat f / 16 digunakan untuk sensor APS-C, dan f / 22 untuk Full Frame. Di dunia digital, angka-angka ini umumnya tidak berguna. Aperture pembatas difraksi (DLA) pada akhirnya adalah fungsi dari hubungan ukuran titik fokus cahaya (termasuk pola cakram lapang) dengan ukuran elemen penginderaan cahaya tunggal pada sensor. Untuk setiap ukuran sensor yang diberikan, APS-C atau Full Frame, batas difraksi akan berubah tergantung pada ukuran photosites. Contoh dari ini dapat dilihat dengan garis kamera Canon EOS Rebel selama ini:

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

Ceritanya harus sama untuk ukuran butir film. Film dengan butiran yang lebih halus pada akhirnya akan lebih rentan terhadap pelunakan difraksi pada lubang yang lebih rendah daripada film dengan butiran yang lebih besar.

Frekuensi Cutoff Difraksi

Difraksi sering disebut-sebut sebagai pembunuh gambar, dan orang berbicara tentang "batas difraksi" sebagai titik di mana Anda tidak dapat lagi menyelesaikan gambar "bermanfaat". Sebaliknya, batas difraksi hanyalah titik di mana difraksi mulai mempengaruhi gambar untuk media gambar tertentu yang Anda gunakan. The frekuensi difraksi cutoff adalah titik di mana ketajaman tambahan tidak mungkin untuk aperture tertentu, dan ini memang fungsi dari lensa dan aperture fisik.

Rumus untuk frekuensi cutoff difraksi untuk sistem optik (sempurna) adalah sebagai berikut:

fc = 1 / (λ * f #) siklus / mm

Ini menyatakan bahwa kebalikan dari panjang gelombang cahaya yang sedang fokus dikalikan dengan f-number lensa adalah jumlah siklus per milimeter yang dapat diselesaikan. Frekuensi cutoff difraksi umumnya adalah titik di mana resolusi mencapai panjang gelombang dari frekuensi cahaya itu sendiri. Untuk cahaya tampak, λ antara 380-750nm, atau 0,38-0,75 mikron. Sampai frekuensi cutoff telah terpenuhi untuk aperture yang diberikan, lebih banyak resolusi dapat dicapai.

Contoh Visual

Urutan gambar Whubers di atas adalah contoh yang layak dari efek difraksi, serta efek penyimpangan optik ketika lensa terbuka lebar. Saya pikir itu sedikit menderita dari beberapa pergeseran fokus karena aberasi bola, jadi saya telah membuat GIF animasi yang menunjukkan efek mengubah bukaan lensa Canon 50mm f / 1.4 ke bawah dari bukaan terlebar ke bukaan terluas ke tersempitnya, dalam perhentian penuh .

(Catatan: Gambar besar, 3,8meg, jadi biarkan sepenuhnya mengunduh untuk melihat perbandingan ketajaman di setiap perhentian.) Gambar menunjukkan penyimpangan optik yang ditandai ketika dibidik dengan lebar, khususnya Penyimpangan Kromatik dan Penyimpangan Bulat (mungkin ada beberapa sedikit pinggiran ungu ... Saya mencoba untuk fokus mati.) Berhenti ke f / 2, CA berkurang jauh. Dari f / 2.8 hingga f / 8, ketajaman adalah yang terbaik, dengan f / 8 yang ideal. Pada f / 11, ketajaman turun sedikit, karena difraksi . Pada f / 16 dan khususnya f / 22, difraksi terlihat memengaruhi ketajaman gambar. Perhatikan bahwa bahkan dengan pengaburan difraksi, f / 22 masih jauh lebih tajam daripada f / 1.4 atau f / 2.

Pikirkan sebuah pemandangan yang terdiri dari banyak titik cahaya diskrit kecil . Lensa seharusnya mengkonversi setiap titik ke titik lain di tempat yang sesuai pada gambar. Difraksi menyebabkan setiap titik menyebar dalam pola seperti gelombang melingkar, disk Airy . Diameter disk berbanding lurus dengan f-number: itulah " batas difraksi ."

Karena angka-f ditingkatkan dari minimumnya (lensa terbuka lebar), cahaya yang jatuh pada suatu titik pada gambar akan datang dari daerah yang lebih sempit dari lensa. Itu cenderung membuat gambar lebih tajam. Saat f-number meningkat, disk Airy menjadi lebih besar. Pada titik tertentu kedua efek menyeimbangkan untuk membuat gambar paling tajam. Titik ini biasanya dalam kisaran f / 5.6 hingga f / 8 pada kamera SLR. Dengan f-number yang lebih kecil, sifat keseluruhan lensa (penyimpangannya) mengambil alih untuk membuat gambar yang lebih lembut. Dengan angka-f yang lebih besar, kelembutan didominasi oleh efek difraksi.

Anda dapat mengukur ini dengan cukup baik dengan lensa Anda sendiri dan tanpa peralatan khusus . Pasang kamera pada tripod di depan target datar yang tajam, terperinci, dan terang yang memiliki banyak kontras. (Saya menggunakan halaman dari majalah; itu bekerja dengan baik.) Gunakan pengaturan terbaik Anda: ISO terendah, pencahayaan yang tepat, cermin terkunci, panjang fokus sedang untuk lensa zoom (atau ubah panjang fokus juga), jarak tengah, sempurna dalam fokus, format RAW. Ambil serangkaian foto di mana Anda hanya memvariasikan f / stop dan waktu pencahayaan (untuk menjaga pencahayaan tetap konstan). Lihatlah urutan gambar 100% pada monitor yang baik: Anda akan melihat di mana "sweet spot" kamera Anda dan Anda akan melihat efek dari menggunakan lubang yang lebih lebar atau lebih sempit.

Urutan berikut diambil dari seri untuk lensa Canon 85 mm f / 1.8, yang cukup bagus. Dari atas ke bawah adalah tanaman 100% (dikonversi ke JPEG berkualitas tinggi untuk tampilan Web) di f / 1.8, 2.8, 5.6, 11, dan 22. Anda dapat melihat efek peningkatan difraksi pada f / 11 dan f / 22 di dua gambar bawah. Perhatikan bahwa untuk lensa khusus ini yang digunakan dengan kamera khusus ini (EOS T2i, sensor APS-C), kelembutan difraksi pada angka-f tinggi tidak mendekati kelembutan yang terlihat dengan lensa terbuka lebar. Memiliki informasi yang sebanding untuk lensa Anda sendiri, yang dapat diperoleh dalam beberapa menit, dapat bermanfaat untuk memilih parameter pencahayaan di foto-foto penting.

f / 1.8

f / 2.8

f / 5.6

f / 11

f / 22

Terjadi difraksi. Itu adalah fakta kehidupan. Ketika lensa digunakan secara terbuka lebar, abrasi lensa lain terlalu mencolok sehingga Anda tidak akan kehilangan ketajaman karena difraksi. Berhentilah sedikit, dan abberasi itu diminimalkan - lensa tampaknya semakin baik dan lebih baik. Difraksi ada, tapi Anda masih tidak benar-benar menyadarinya karena cahaya yang tidak melintas dekat tepi signifikan outvotes cahaya yang sedang melewati mendapatkan sedikit terlalu dekat dengan pisau aperture.

Pada titik tertentu saat Anda menghentikan lensa ke bawah, keuntungan yang Anda dapatkan dengan menghilangkan perbedaan optik antara bagian tengah dan bagian luar elemen lensa mulai menghilang - tidak ada lagi cahaya fokus yang cukup jernih untuk menenggelamkan keluar- gambar tidak fokus yang disebabkan oleh cahaya yang tertekuk di sekitar tepi jalur optik (difraksi). Lensa tidak akan menjadi lebih baik ketika Anda berhenti lagi - terlalu banyak cahaya yang terdifraksi dibandingkan dengan cahaya yang melewati tengah. Dari titik ini, berhenti akan membuat gambar lebih lembut.

Titik di mana lensa dihentikan sejauh mungkin tanpa meningkatkan kelembutan adalah batas difraksi. Pada beberapa lensa, sejauh yang Anda bisa hentikan - Nikon, misalnya, secara tradisional menjaga aperture minimum yang relatif lebar (f / 16) pada banyak desain mereka. Pada lensa lain (makro, terutama) Anda mungkin masih memiliki beberapa pemberhentian atau lebih tersedia untuk Anda; kedalaman pertimbangan lapangan mungkin lebih penting daripada ketajaman absolut dalam beberapa aplikasi.

Semua fotografi adalah kompromi. Mungkin ada saat-saat ketika Anda ingin berhenti lebih jauh dari yang optimal, tetapi ada baiknya menyadari kompromi yang Anda lakukan. Menghentikan adalah jawaban yang mudah untuk DOF, tetapi jika Anda terpikat pada lanskap dan mengambil semuanya pada f / 22 atau f / 32, mungkin sudah saatnya untuk melihat pada lensa tilt / shift.

Sedangkan jawaban yang sudah di sini menggambarkan difraksi dengan baik. Batas difraksi paling sering digunakan untuk menggambarkan titik di mana menghentikan lensa Anda tidak memberi Anda lebih banyak detail terkait dengan ukuran piksel sensor kamera Anda.

Ketika Anda telah mencapai batas difraksi kamera Anda, lensa APAPUN yang berhenti di luar bukaan itu akan memberi Anda hasil yang lebih lembut. Ini terkait langsung dengan ukuran piksel individu, bukan ukuran sensor.

Pada DSLR modern, batas difraksi akan mencapai antara F / 11 dan F / 16. Pada kamera dengan sensor kecil, mungkin F / 8 atau bahkan kurang. Anda akan melihat bahwa sebagian besar kamera kecil tidak menggunakan lubang yang lebih kecil dari F / 8 karena alasan ini. Beberapa bahkan menggunakan aperture tetap (F / 3.5 atau lebih) dan mensimulasikan lebih sedikit cahaya yang masuk dengan menyelipkan filter ND alih-alih berhenti. Sayangnya, mereka benar-benar menempatkan F-stop yang disimulasikan di EXIF, jadi Anda perlu tahu kamera untuk menyadarinya menggunakan filter ND daripada bukaan normal.

Halaman ini di situs Cambridge In Color memiliki penjelasan teknis rinci tentang batas difraksi. Ini juga punya kalkulator online untuk memeriksa apakah kombinasi aperture, kamera, ukuran cetak, dan jarak pandang tertentu terbatas difraksi atau tidak.

Jawaban singkat…

The Batas Difraksi adalah tempat terkecil sistem lensa yang diberikan dapat membuat / tekad / fokus.

Melambaikan tangan: Lensa dapat memusatkan cahaya ke titik kecil tetapi bukan titik. Ukuran spot dapat bervariasi dengan panjang gelombang, dengan panjang gelombang pendek membentuk ukuran spot yang lebih kecil daripada yang lebih panjang. Ketika lensa yang sangat bagus, bebas penyimpangan (terbatas difraksi) digunakan, cahaya terkolimasi akan menghasilkan disk yang lapang sebagai tempat di fokus. Disk yang lapang masih merupakan titik terkecil yang dapat dihasilkan dengan lensa tersebut pada aperture dengan panjang gelombang itu (menggunakan cahaya collimated). Lubang yang lebih besar menghasilkan ukuran titik yang lebih kecil dengan fokus yang lebih ketat dan kedalaman yang lebih sedikit daripada lubang yang lebih kecil.

Perhatikan bahwa Anda tidak dapat menghasilkan disk yang lapang dengan adegan bergambar. Cahaya Collimated tidak membentuk gambar.

Wah, Berhenti di sana : Lubang numerik yang lebih besar menghasilkan bintik-bintik yang lebih kecil masuk akal jika Anda menganggap bahwa dalam rumus, aperture digunakan sebagai nilai timbal balik. Dispersi juga berperan di sini.

Batas difraksi adalah batas ketajaman maksimum lensa karena hukum fisika. Pada dasarnya Anda tidak bisa mendapatkan foto yang lebih tajam, tidak peduli berapa banyak piksel kamera Anda atau seberapa sempurna sistem optiknya.

Efek yang tidak diinginkan adalah ketika Anda mengatur zoom lebih besar dari batas difraksi yang dibolehkan, dan foto tidak menjadi lebih tajam, hanya lebih besar. Ini sering terjadi pada teleskop dan mikroskop. Ini juga mengapa mikroskop elektronik digunakan sebagai pengganti optik, karena yang optik tidak dapat melihat dengan jelas lebih tajam daripada X.

Cairan imersi memungkinkan untuk meningkatkan batas untuk membuat foto dengan resolusi lebih tinggi dalam mikroskop optik.