¿Una cámara tiene interferencia de una sola rendija?

Aquí hay una serie de fotografías que fueron producidas por la misma disposición de cámara y lente pero con un tamaño diferente de la pupila de entrada (apertura de la parte usada de la lente lentamente).

El parámetro$\rm f/N$tiene$N$siendo llamado el número f.
$N = \frac f D$dónde$f$es la distancia focal de la lente (fija en este caso) y$D$el diámetro de la pupila de entrada (disminuyendo a medida que$N$aumenta).

Incluso con el problema de mostrar las imágenes en una pantalla de computadora pixelada, debería ver el efecto de la difracción.
A medida que los números f aumentan, la pupila de entrada más pequeña produce patrones de difracción más grandes que hacen que la imagen no se vea tan nítida.

Ahora, en algunas cámaras, es posible que no vea el efecto con tanta claridad porque la imagen se forma en un detector que está hecho de muchas áreas discretas llamadas píxeles.
Si el tamaño de la borrosidad debido a la difracción es más pequeño que el tamaño del píxel, será el tamaño del píxel el que provocará una falta de nitidez en la imagen.

Sin embargo, incluso si la difracción puede causar borrosidad en una parte de la imagen, como se muestra a continuación

podría ser que un fotógrafo pudiera reducir el tamaño de la pupila de entrada para producir una mejor imagen en su conjunto.

La imagen superior tiene una pupila de entrada grande y la inferior una pupila de entrada mucho más pequeña.

La mejora que se muestra en la imagen inferior se debe a una serie de factores.
Un factor posible es que cuando se reduce la pupila de entrada, solo los rayos cercanos al eje principal son refractados por la lente y, por lo tanto, se reducen los efectos debidos a los defectos (aberraciones) de la lente.
Un ejemplo de este efecto es entrecerrar los ojos o mirar un objeto distante a través del orificio entre dos dedos que se tocan, lo que puede mejorar su visión si es miope.

Otra cosa que mejora cuando se reduce la pupila de entrada es la profundidad de campo: el rango de distancia desde la lente de los objetos que producen una imagen razonablemente nítida.
Observe cómo la imagen superior se ve borrosa en la periferia aunque el efecto de la difracción es menor que en la imagen inferior.

La resolución ("nitidez") que obtiene con una cámara depende de una serie de factores (más o menos en orden de importancia... aunque ese es un orden subjetivo ya que cualquiera de estos puede estropear su imagen:

• El grado de enfoque
• La calidad de la lente
• La resolución del sensor (o tamaño de grano de la película)
• Difracción

Obviamente, si no enfoca su objeto correctamente, la imagen será borrosa. Ahora resulta que a medida que la lente se vuelve más pequeña (lo que significa un número f más grande, es decir, la relación entre la distancia focal y el diámetro), el enfoque es menos importante. Esto se debe a que el efecto de desenfoque de estar desenfocado es básicamente una convolución del tamaño de la apertura con la imagen, escalada por la cantidad de desenfoque. Se explica mejor con un diagrama:

Puede aprender dos cosas de esto: cuando su película (sensor) está en el lugar equivocado, la luz no se enfoca en un punto; y el tamaño de la "mancha" depende del ángulo subtendido por la lente en la película. Cuando tomas una foto de objetos a diferentes distancias, cada uno quiere proyectarse en un plano diferente. Cuando la apertura de su lente es pequeña, las "manchas" que esto crea serán pequeñas; decimos que obtienes una buena "profundidad de enfoque". Cuando la lente es más grande, las manchas son más grandes, y solo lo que está "exactamente" enfocado se verá bien.

La mayoría de las veces, eso es lo que determina qué tan nítida es su imagen.

Sin embargo, es posible que los otros factores que enumeré sean importantes. En el caso de la difracción (su pregunta), el patrón de difracción de una apertura circular (generalmente una suposición razonable) es un disco de Airy, y el ancho del disco es de aproximadamente

Dónde$f$es la distancia focal,$d$el diámetro de la lente y$\lambda$la longitud de onda

Ahora$\frac{f}{d}$se llama el "número f" de la lente. Para la mayoría de las cámaras, esto puede oscilar entre 2,8 y 22, aunque es posible un rango más amplio. Cuando el número f es grande, el efecto de la difracción es grande: si supone una longitud de onda de 500 nm, la "mancha" es de aproximadamente f$\times$600 nm de ancho.

Ahora hay un artículo muy bueno que describe el efecto del tamaño de píxel en una variedad de problemas de imágenes en este enlace . Incluye una bonita tabla del tamaño de la "mancha" de difracción para diferentes colores, en función del número f:

                      Table 6
    ================================================
                 red=     Green=    Blue=
                  0.6      0.53      0.47
                micron   micron    micron
    ================================================
    f/ratio     diffraction spot diameter in microns
    ================================================
           2      2.9       2.6       2.3
         2.8      4.1       3.6       3.2
           4      5.9       5.2       4.6
         5.6      8.2       7.2       6.4
           8     11.7      10.3       9.2
          11     16.1      14.2      12.6
          16     23.4      20.7      18.3
          19     27.8      24.6      21.8
          22     32.2      28.5      25.2
          32     46.8      41.4      36.7
          45     65.9      58.2      51.6
          64     93.7      82.8      73.4
    ================================================

El tamaño de píxel de una Canon 1D Mark II es de 8,2 um, por lo que cuando dispara con un objetivo con un número f superior a 5,6, la difracción (en lugar del tamaño de píxel) comienza a limitar su rendimiento. Tenga en cuenta que las cámaras con sensores más pequeños tienden a tener píxeles más pequeños (su teléfono iPhone 5 puede tener píxeles de aproximadamente 1,5 micras). Eso le dice que el sensor ha alcanzado el límite de difracción: obtener más megapíxeles no ayudará en este factor de forma porque no puede hacer que el número f sea más pequeño o la distancia focal más larga (y el sensor más grande). Sin embargo, con el punto de difracción que abarca 10 o más píxeles, puede comenzar a realizar un procesamiento de imagen (filtrado de deconvolución) para hacer que la imagen sea más nítida. Como puede ver en la tabla, en realidad necesita "desenfocar" las diferentes longitudes de onda (R, G,

No pude determinar si esto se hace. La cámara de tu iPhone tiene un número f de 2,2, por lo que la difracción no es demasiado importante.

Encontrará algunas discusiones relacionadas aquí . Además, el efecto de "estallido estelar" sobre el que se pregunta en esta pregunta es un efecto de difracción, aunque en este caso, es el hecho de que la apertura consiste en hojas con bordes rectos lo que causa el efecto particular. Demuestra inequívocamente que la difracción ocurre, pero en ese caso, la geometría favorece solo unas pocas direcciones, lo que produce un efecto en una distancia mucho mayor (cuando la fuente de luz es tan brillante y el patrón es solo a lo largo de direcciones seleccionadas, puede ver el N-ésimo pico de difracción, básicamente).

Idea tardía:

El segundo punto que mencioné, "la calidad de la lente", es algo que a menudo olvidamos en estos días, porque la mayoría de las lentes son muy buenas. Pero no la lente del ojo humano. Tengo astigmatismo severo; básicamente, la lente de mi ojo es un poco cilíndrica, lo que significa que no hay una distancia única a la que un punto se enfoca en un punto; en cambio, será una mancha alargada. Cuando hay mucha luz y mi pupila se contrae, las cosas están mucho más enfocadas, porque cuando se usa menos lente "imperfecta", el efecto es menor. Puedo simular esto cerrando parcialmente el ojo: cubriendo una parte "particularmente mala" de la lente, termino viendo mejor... La difracción realmente entra en juego cuando estas otras cosas ya no son el factor limitante.

Sí, pero no es el único problema. Podría verse así. (Consulte este artículo de Wikipedia sobre la difracción de Fresnel ). Esto parece ser para un agujero de alfiler en lugar de una gran apertura de cámara. Y en este ejemplo, el centro es un punto oscuro, en lugar de un punto brillante. Para una cámara, el punto central sería pronunciado y los anillos pequeños y tenues, como su gráfico.

Si toma una foto de una fuente puntual, idealmente la foto debería mostrar un punto. En realidad, mostrará una mancha. Hay varias razones para esto, una de las cuales es la difracción. La difracción es interferencia de "rendija única" donde la rendija es en este caso un agujero redondo.

Pero la interferencia se combina con imperfecciones en la lente. Estas se llaman aberraciones. Uno es la aberración esférica. Es el resultado de hacer una lente con superficies esféricas (mucho más baratas) en lugar de la forma ideal. La diferencia de forma suele ser pequeña, pero suficiente para hacer una pequeña mancha.

Otra es la aberración cromática. El índice de refracción del vidrio no es constante para todas las longitudes de onda. Entonces, la luz roja puede enfocarse a una distancia diferente que la luz azul.

Hay otros. La forma de compensarlos es usar múltiples lentes y hacer que las aberraciones de uno compensen las de otro. Un truco difícil para una cámara que debe funcionar puede tener que hacer zoom, así como todos los demás problemas. Si haces un buen trabajo, las aberraciones son tan pequeñas que la difracción es el mayor problema que queda. En este caso, la lente tiene difracción limitada y es muy costosa.

Si está interesado en más, busque en Google la difracción de Fraunhofer, la difracción de Fresnel, el disco Airy y el diseño de lentes.

El principio en realidad se llama disco de Airy y lleva el nombre de Sir George Biddell Airy, un famoso astrónomo del siglo XIX. Está bien estudiado y es importante en fotografía e imagen.

Tenga en cuenta: cuanto menor es el diámetro, peor es la resolución, pero se mejora la profundidad de campo. Una apertura más grande proporciona menos difracción y una mejor imagen pero una pérdida de profundidad de campo.