¿Qué es un "límite de difracción"?

Ha habido algunas respuestas muy buenas, sin embargo, hay un par de detalles que no se han mencionado. Primero, la difracción siempre ocurre, en cada apertura, cuando la luz se dobla alrededor de los bordes del diafragma y crea un " disco de aire ". El tamaño del disco de aire, la proporción del disco que comprende los anillos exteriores y la amplitud de cada onda en los anillos exteriores aumenta a medida que se detiene la apertura (la apertura física se hace más pequeña). la forma en que Whuber mencionó en su respuesta:

Piense en una escena compuesta por muchos pequeños puntos de luz discretos.

Te das cuenta de que cada uno de esos puntos de luz, cuando los enfoca tu lente, genera su propio disco de aire en el medio de la imagen.

Con respecto al medio de la imagen

También debe tenerse en cuenta claramente que el límite de difracción no es en realidad una limitación de una lente. Como se señaló anteriormente, las lentes siempre crean un patrón de difracción, solo el grado y la extensión de ese patrón cambian a medida que la lente se detiene. El "límite" de difracción es una función del medio de formación de imágenes. Un sensor con fotositos más pequeños, o una película con un grano más pequeño, tendrá un límite de difracción más bajo que aquellos con fotositos/granos más grandes. Esto se debe al hecho de que un fotosito más pequeño cubre menos área del disco aireado que un fotosito más grande. Cuando el disco de aire crece en tamaño e intensidad a medida que se detiene la lente, el disco de aire afecta a los fotositos vecinos.

El límite de difracciónes el punto donde los discos aireados crecen lo suficiente como para comenzar a afectar a más de un solo fotosito. Otra forma de verlo es cuando los discos de aire de dos fuentes de luz puntuales que el sensor puede resolver comienzan a fusionarse. En una apertura amplia, las fuentes de luz de dos puntos captadas por un sensor solo pueden afectar a sitios de fotos vecinos individuales. Cuando la apertura se detiene, el disco de aire generado por cada fuente de luz puntual crece, hasta el punto en que los anillos exteriores de cada disco de aire comienzan a fusionarse. Este es el punto en el que un sensor está "limitado por difracción", ya que las fuentes de luz puntuales individuales ya no se resuelven en un único sitio de fotos... se fusionan y cubren más de un sitio de fotos. El punto en el que se fusiona el centro de cada disco de aire es el límite de resolución, y ya no podrá resolver ningún detalle más fino independientemente de la apertura utilizada. Esta es la frecuencia de corte de difracción.

Cabe señalar que es posible que una lente resuelva un punto más pequeño de los píxeles en un medio de formación de imágenes. Este es el caso cuando los discos aireados enfocados por una lente cubren solo una fracción de un fotosito. En este caso, incluso si dos fuentes de luz puntuales altamente resueltas generan discos aireados que se fusionan en un solo sitio de fotos, el resultado final será el mismo... el sensor solo detectará un único punto de luz independientemente de la apertura. El "límite de difracción" de un sensor de este tipo sería mayor (por ejemplo, f/16) que el de un sensor que pueda resolver claramente ambas fuentes de luz puntuales (que podrían tener una difracción limitada en f/8). También es posible, y probableque las fuentes de luz puntuales NO estarán perfectamente enfocadas en el centro de un fotosito. Es completamente plausible que un disco de aire se enfoque en el borde entre dos fotositos, o en la unión de cuatro fotositos. En un sensor en blanco y negro o un sensor foveon (sensores de color apilados), eso solo causaría ablandamiento. En un sensor bayer de color, donde una unión cuadrada de 4 sitios fotográficos capturará un patrón alterno de colores GRGB, ya que el disco aireado puede afectar el color final representado por esos cuatro sitios fotográficos y causar suavizado o resolución incorrecta.

Mi Canon 450D, un sensor APS-C de 12,2 MP, tiene un límite de difracción de f/8,4. Por el contrario, la Canon 5D Mark II, un sensor Full Frame de 21,1 MP, tiene un límite de difracción de f/10,3. El sensor más grande, a pesar de tener casi el doble de megapíxeles, puede realizar una parada adicional antes de encontrar su límite de difracción. Esto se debe a que el tamaño físico de los fotositos de la 5D II es mayor que el de la 450D. (Un buen ejemplo de uno de los numerosos beneficios de los sensores más grandes).

Llaves en la mezcla

A menudo puede encontrar tablas en Internet que especifican una apertura limitada de difracción específica para formatos específicos. A menudo veo f/16 usado para sensores APS-C y f/22 para Full Frame. En el mundo digital, estos números son generalmente inútiles. La apertura limitadora de difracción (DLA) es, en última instancia, una función de la relación del tamaño de un punto de luz enfocado (incluido el patrón de disco de aire) con el tamaño de un solo elemento de detección de luz en un sensor. Para cualquier tamaño de sensor dado, APS-C o Full Frame, el límite de difracción cambiará según el tamaño de los sitios de fotos. Un ejemplo de esto se puede ver con la línea de cámaras EOS Rebel de Canon a lo largo de los años:

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

La historia debería ser similar para el tamaño de grano de la película. Las películas con un grano más fino serían, en última instancia, más susceptibles al ablandamiento por difracción en aperturas más bajas que las películas con un grano más grande.

La frecuencia de corte de difracción

La difracción a menudo se promociona como un asesino de imágenes, y la gente habla del "límite de difracción" como el punto en el que ya no se puede resolver una imagen "útilmente". Por el contrario, el límite de difracción es solo el punto donde la difracción comienza a afectar una imagen para el medio de imagen particular que está utilizando. La frecuencia de corte de difracción es el punto en el que la nitidez adicional es imposible para una apertura dada, y esto es, de hecho, una función de la lente y la apertura física.

La fórmula para la frecuencia de corte de difracción para sistemas ópticos (perfectos) es la siguiente:

fc = 1 / (λ * f#) ciclos/mm

Esto establece que el recíproco de la longitud de onda de la luz que se enfoca multiplicada por el número f de la lente es la cantidad de ciclos por milímetro que se puede resolver. La frecuencia de corte de difracción es generalmente el punto donde la resolución alcanza la longitud de onda de las frecuencias de la luz misma. Para luz visible, λ entre 380 y 750 nm, o 0,38 y 0,75 micras. Hasta que se alcance la frecuencia de corte para una apertura determinada, se puede lograr una mayor resolución.

Ejemplos visuales

La secuencia de imágenes de Whubers de arriba es un buen ejemplo del efecto de la difracción, así como del efecto de las aberraciones ópticas cuando la lente está completamente abierta. Creo que sufre un poco de cambio de enfoque debido a la aberración esférica, por lo que he creado un GIF animado que demuestra los efectos de cambiar la apertura de una lente Canon 50mm f/1.4 de su apertura más amplia a la más estrecha, en puntos. .

(Nota: la imagen es grande, 3,8 megas, así que deje que se descargue por completo para ver la comparación de la nitidez en cada parada). La imagen muestra una marcada aberración óptica cuando se toma completamente abierta, en particular la aberración cromática y algo de aberración esférica (puede haber algunas aberraciones un ligero borde púrpura... Traté de enfocarme directamente.) Detenido en f/2, CA se reduce considerablemente. Desde f/2.8 hasta f/8, la nitidez está en su mejor momento, siendo f/8 ideal. A f/11, la nitidez se reduce ligeramente debido a la difracción . En f/16 y particularmente en f/22, la difracción afecta visiblemente la nitidez de la imagen. Tenga en cuenta que incluso con desenfoque por difracción, f/22 sigue siendo considerablemente más nítido que f/1.4 o f/2.

Piense en una escena compuesta por muchos pequeños puntos de luz discretos . Se supone que una lente convierte cada punto en otro punto en un lugar apropiado de la imagen. La difracción hace que cada punto se extienda en un patrón circular similar a una onda, el disco de Airy . El diámetro del disco es directamente proporcional al número f: ese es el " límite de difracción ".

A medida que el número f aumenta desde su mínimo (una lente completamente abierta), la luz que cae en un punto de la imagen provendrá de una región más estrecha de la lente. Eso tiende a hacer que la imagen sea más nítida. A medida que aumenta el número f, los discos de Airy se hacen más grandes. En algún momento, los dos efectos se equilibran para crear la imagen más nítida. Este punto suele estar en el rango de f/5,6 a f/8 en las cámaras SLR. Con números f más pequeños, las propiedades generales de la lente (sus aberraciones) toman el control para crear una imagen más suave. Con números f más grandes, la suavidad está dominada por el efecto de difracción.

Puede medir esto razonablemente bien con sus propios lentes y sin equipo especial . Monte la cámara en un trípode frente a un objetivo plano nítido, detallado y bien iluminado que tenga mucho contraste. (Usé una página de una revista; funcionó bien). Use sus mejores configuraciones: ISO más bajo, exposición adecuada, espejo bloqueado, distancia focal media para una lente de zoom (o varíe la distancia focal también), distancia media, perfectamente en foco, formato RAW. Haz una serie de fotos en las que varíes solo el f/stop y el tiempo de exposición (para mantener la exposición constante). Mire la secuencia de imágenes al 100% en un buen monitor: verá dónde está el "punto óptimo" de su cámara y verá los efectos de usar aperturas más anchas o más estrechas.

La siguiente secuencia está tomada de una serie para el objetivo Canon 85 mm f/1.8, que es bastante buena. De arriba a abajo hay recortes al 100 % (convertidos a JPEG de alta calidad para visualización web) en f/1.8, 2.8, 5.6, 11 y 22. Puede ver los efectos crecientes de la difracción en f/11 y f/22 en las dos imágenes inferiores. Tenga en cuenta que para esta lente en particular utilizada con esta cámara en particular (EOS T2i, un sensor APS-C), la suavidad de difracción en números f altos no se acerca a la suavidad que se ve con la lente completamente abierta. Tener información comparable para sus propias lentes, que se puede obtener en unos minutos, puede ser valioso para elegir los parámetros de exposición en fotos importantes.

f/1.8

f/2.8

f/5.6

f/11

f/22

Ocurre difracción. Es un hecho de la vida. Cuando las lentes se usan completamente abiertas, otras aberraciones de la lente son demasiado prominentes para que usted note una pérdida menor de nitidez debido a la difracción. Deténgase un poco y esas aberraciones se minimizan: la lente parece mejorar cada vez más. La difracción está ahí, pero todavía no la notas porque la luz que no pasa cerca de los bordes supera significativamente a la luz que pasa acercándose demasiado a las hojas de apertura.

En algún momento, mientras detiene la lente, las ganancias que obtiene al eliminar las diferencias ópticas entre el centro y las partes exteriores de los elementos de la lente comienzan a desaparecer: ya no hay suficiente luz enfocada nítidamente para ahogar el exterior. imagen desenfocada causada por la luz que se desvía alrededor de los bordes del camino óptico (difracción). La lente ya no mejorará cuando te detengas: se difracta demasiada luz en comparación con la luz que pasa por el medio. A partir de este momento, detenerse hacia abajo hará que la imagen sea más suave.

El punto en el que la lente se detiene hasta donde puede llegar sin aumentar la suavidad es el límite de difracción. En algunos lentes, eso es todo lo que puede reducir; Nikon, por ejemplo, ha mantenido tradicionalmente una apertura mínima relativamente amplia (f/16) en muchos de sus diseños. En otras lentes (macros, especialmente) es posible que aún tenga un par de paradas o más disponibles para usted; Las consideraciones de profundidad de campo pueden ser más importantes que la nitidez absoluta en algunas aplicaciones.

Toda la fotografía es un compromiso. Puede haber momentos en los que desee detenerse más allá de lo óptimo, pero es útil ser consciente de los compromisos que está haciendo. Detenerse es una respuesta fácil al DOF, pero si está enganchado a los paisajes y los toma todos en f/22 o f/32, puede ser el momento de echar un vistazo a una lente de inclinación/desplazamiento.

Mientras que las respuestas que ya están aquí describen bien la difracción . El límite de difracción se usa con mayor frecuencia para describir el punto en el que detener su lente no le brinda más detalles en relación con el tamaño de píxel del sensor de su cámara.

Cuando haya alcanzado el límite de difracción de su cámara, CUALQUIER lente detenido más allá de esa apertura le dará resultados más suaves. Está directamente relacionado con el tamaño de los píxeles individuales, no con el tamaño del sensor.

En las DSLR modernas, el límite de difracción se alcanzará entre F/11 y F/16. En cámaras con sensores pequeños, puede ser F/8 o incluso menos. Notarás que la mayoría de las cámaras diminutas no usan aperturas más pequeñas que F/8 por esta misma razón. Algunos incluso usan una apertura fija (F/3.5 más o menos) y simulan que entra menos luz deslizando un filtro ND en lugar de detenerse. Desafortunadamente, en realidad colocaron el F-stop simulado en el EXIF, por lo que debe conocer la cámara para darse cuenta de que usa un filtro ND en lugar de una apertura normal.

Esta página en el sitio de Cambridge In Color tiene una explicación técnica detallada del límite de difracción. También tiene una calculadora en línea para verificar si una combinación particular de apertura, cámara, tamaño de impresión y distancia de visualización está limitada por difracción o no.

Respuesta corta…

El límite de difracción es el punto más pequeño que un sistema de lentes dado puede crear/resolver/enfocar.

Agitar el brazo: las lentes pueden enfocar la luz en un punto pequeño pero no en un punto. El tamaño del punto puede variar con la longitud de onda, con longitudes de onda cortas formando tamaños de punto más pequeños que los más largos. Cuando se usa una lente muy buena, libre de aberraciones (difracción limitada), la luz colimada producirá un disco aireado como un punto en el foco. Un disco aireado sigue siendo el punto más pequeño que se puede producir con esa lente en esa apertura con esa longitud de onda (usando luz colimada). Las aperturas más grandes producen tamaños de punto más pequeños con un enfoque más ajustado y una profundidad de enfoque reducida que las aperturas más pequeñas.

Tenga en cuenta que no puede producir un disco aireado con una escena pictórica. La luz colimada no forma una imagen.

Vaya, deténgase ahí : las aperturas numéricas más grandes producen puntos más pequeños tiene sentido si considera que en la fórmula, la apertura se usa como un valor recíproco. La dispersión también juega un papel aquí.

El límite de difracción es el límite máximo de nitidez de una lente debido a las leyes de la física. Básicamente, no puedes obtener una foto más nítida sin importar cuántos píxeles tenga tu cámara o cuán perfecto sea el sistema óptico.

El efecto no deseado es cuando configura un zoom más grande que el límite de difracción permitido, y una foto no se vuelve más nítida, solo más grande. Esto sucede a menudo en telescopios y microscopios. Esta es también la razón por la que se utilizan microscopios electrónicos en lugar de ópticos, ya que los ópticos no pueden ver claramente más nítidos que X.

Los líquidos de inmersión permiten aumentar el límite para realizar fotografías de mayor resolución en microscopía óptica.