什么是“衍射极限”?


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已经有一些很好的答案,但是有一些细节没有被提及。首先,当光围绕隔膜边缘弯曲并形成“ 艾里斑 ” 时,总是在每个孔处发生衍射。随着光圈被减小(物理光圈变小),通风盘的尺寸,组成外圈的盘的比例以及外圈中每个波的振幅都会增加。 Whuber在回答中提到的方式:

将场景想象为由许多小的离散光点组成。

您意识到,当这些光点被镜头聚焦时,它们中的每一个都会在成像介质上生成其自己的通风盘。

关于图像介质

还应该清楚地指出,衍射极限实际上并不是透镜的极限。如上所述,镜片总是在形成衍射图样,只有当镜片停下来时该图样的程度和程度才会改变。衍射的“极限”是成像介质的函数。与具有较大光位/颗粒的传感器相比,具有较小光位的传感器或具有较小晶粒的薄膜的衍射极限较低。这是由于以下事实:较小的光站点比较大的光站点覆盖更少的通风盘区域。当镜头停止转动时,转盘的尺寸和强度增大时,转盘会影响相邻的光点。

衍射极限通风盘变得足够大,以至于影响到的影响不仅限于单个photosite。另一种查看方式是传感器可分辨的来自两点光源的通风盘开始合并。在较大的孔径下,传感器成像的两点光源可能仅影响单个相邻的光站点。当光圈减小时,由每个点光源生成的通风盘会增长到每个通风盘的外环开始合并的位置。这是传感器的“衍射限制”点,因为单个点光源不再解析为单个光点...它们正在合并并覆盖多个光点。每个浮动磁盘的中心合并的点是分辨率的极限,无论使用哪种光圈,您都将无法再解析任何更精细的细节。这是衍射截止频率。

由于Airk Disk合并导致的衍射限制

应当注意,透镜有可能分辨出成像介质中像素的较小斑点。当镜头聚焦的通风盘仅覆盖一小部分光斑时,就是这种情况。在这种情况下,即使两个高度分辨的点光源生成在单个光点上合并的通风盘,最终结果也将相同……无论光圈大小如何,传感器都只会检测到一个点光。这样的传感器的“衍射极限”将比能够分辨两个点光源的传感器更高(例如f / 16)(衍射可能限制在f / 8)。这也是可能的这样,点光源将无法完美地聚焦在光点的中心。将通风盘聚焦在两个照相点之间的边界或四个照相点的交界处是完全合理的。在黑白传感器或foveon传感器(堆叠的彩色传感器)中,这只会引起柔化。在彩色拜耳传感器中,其中4个感光点的方形交界处将捕获GRGB颜色的交替图案,因为通风盘会影响由这4个感光点呈现的最终颜色,并导致软化或分辨率不正确。

我的佳能450D,12.2mp APS-C传感器,衍射极限为f / 8.4。相比之下,佳能5D Mark II(21.1 mp全画幅传感器)的衍射极限为f / 10.3。较大的传感器尽管具有近百万像素的两倍,但在遇到衍射极限之前可以额外停下来。这是因为5D II上的光点的物理尺寸大于450D上的光点。(一个很好的例子,是大型传感器的众多优点之一。)

混合扳手

您可能经常会在网上遇到一些表格,这些表格为特定格式指定了特定的衍射极限光圈。我经常看到f / 16用于APS-C传感器,f / 22用于全画幅。在数字世界中,这些数字通常是无用的。衍射极限孔径(DLA)最终取决于光的焦点(包括通风盘图案)的大小与传感器上单个光敏元件的大小之间的关系。对于任何给定的传感器尺寸(APS-C或全画幅),衍射极限将根据光点的尺寸而变化。多年来的佳能EOS Rebel系列相机就是一个很好的例子:

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

这个故事应该与胶片的颗粒大小相似。具有较小晶粒的薄膜最终将比具有较大晶粒的薄膜更容易在较低的孔径下发生衍射软化。

衍射截止频率

衍射经常被吹捧为杀伤图像的工具,人们谈论“衍射极限”是您不再能“有用”地分辨图像的点。相反,对于所使用的特定图像介质,衍射极限仅是衍射开始影响图像的点。的衍射截止频率是在该对于给定的孔径附加锐度是不可能的点,这确实是透镜和物理孔隙的函数。

(完美)光学系统的衍射截止频率公式如下:

fc = 1 /(λ* f#)圈/ mm

这说明聚焦的光的波长的倒数乘以透镜的f数就是可以解决的每毫米的循环数。衍射截止频率通常是分辨率达到光本身频率的波长的点。对于可见光,λ在380-750nm之间或0.38-0.75微米之间。在给定的孔径满足截止频率之前,可以获得更高的分辨率。

视觉范例

上图的Whubers序列是衍射效应以及镜头全开时光学像差效应的一个很好的例子。我认为它会因球面像差而受到一些焦点偏移的影响,因此我创建了一个动画GIF,该动画演示了将佳能50mm f / 1.4镜头的光圈从最宽的光圈减小到最窄的光圈的效果。 。

衍射序列

(注意:图像较大,为3.8meg,因此请完全下载以查看每个停顿处的锐度比较。)全开时,图像会显示出明显的光学像差,尤其是色差和球面像差(可能有些轻微的紫色条纹...我试图使焦点消失。)停止到f / 2,CA大大减少了。从f / 2.8到f / 8,锐度处于最佳状态,其中f / 8是理想的。在f / 11时,由于衍射,清晰度下降得非常轻微。在f / 16,尤其是f / 22时,衍射会明显影响图像的清晰度。请注意,即使出现衍射模糊,f / 22仍比f / 1.4或f / 2锐利得多。


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@whuber:我很抱歉。我终于找到了我的大幅面引用,但是似乎它们的断言仅基于4x5和8x10的“联系打印”。对于接触式打印,CoC比35mm或APS-C尺寸格式所需的FAR大。对于4x5胶片,“可接受的” CoC被列为0.2mm,而对于FF数码,它大约为0.02mm,相差十倍。我必须纠正我的答案,因为接触印刷只是印刷的一种形式,任何放大都会改变CoC,从而减小可接受的孔径。
jrista

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@jrista Ah,这是有道理的:大胶片格式基本上是大型传感器,其像素大小(与之等效)与较小格式(对于相同类型的胶片)相同。格式越大,您可以容忍的衍射越多。由于Airy圆盘半径与f /档成正比,并且8x10约为35 mm胶卷的10倍,因此相对于负片的大小, f / 9衍射对35 mm负片的影响与f / 90相对于其尺寸的8x10负值。
2011年

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这(尤其是GIF动画)完美地回答了这个问题,并指出了您为什么要关心它。

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哇,1.4的结果太糟糕了……如果不能使用(由于缺乏锐度),那么购买固定的50mm,1.4的大光圈有什么意义呢?
Dialex'Aug 12'11

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可惜的是动画太高了,以至于无法一次在屏幕上全部看到。
David Richerby 2014年

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将场景想象为由许多小的离散光点组成。镜头应该将每个点转换为图像上适当位置的另一个点。衍射使每个点以圆形波状图案(艾里斑)传播。圆盘的直径与f值成正比:这就是“ 衍射极限”

随着f值从其最小值开始增加(广角镜头),落在图像上某一点的光将来自镜头的较窄区域。这往往会使图像更清晰。随着f值的增加,艾里磁盘变得更大。在某些时候,两种效果保持平衡,以使图像更清晰。这一点通常在SLR相机的f / 5.6至f / 8范围内。当f值较小时,镜头的整体特性(像差)将取代而使图像更柔和。f值较大时,柔软度受衍射效应支配。

您可以使用自己的镜头并且不需要任何专用设备就可以合理地进行测量。将相机安装在三脚架上,该三脚架应放在清晰,光线充足,对比度高的扁平目标前面。(我用过杂志上的一页;效果很好。)使用最佳设置:最低ISO,适当的曝光,锁定反光镜,变焦镜头的中焦距(或也改变焦距),中距完美聚焦,RAW格式。拍摄一系列照片,其中改变f /光圈和曝光时间(以保持曝光恒定)。在良好的监视器上以100%的比例查看图像的顺序:您将看到相机的“最佳位置”,并且将看到使用更宽或更窄的光圈的效果。

以下顺序是从佳能85 mm f / 1.8镜头的系列中获得的,非常好。从上到下分别是f / 1.8、2.8、5.6、11和22的100%作物(转换为用于Web显示的高质量JPEG)。您可以看到在f / 11和f / 22中,衍射的影响越来越大底部的两个图像。请注意,对于该特定相机一起使用的该特定镜头(EOS T2i,APS-C传感器),在高f值下的衍射软度不会接近镜头全开时的软度。几分钟后即可获得有关您自己的镜头的可比信息,这对于选择重要照片中的曝光参数非常有用。

f / 1.8 f / 1.8

f / 2.8 f / 2.8

f / 5.6 f / 5.6

f / 11 f / 11

f / 22 f / 22


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很好的例子!
rfusca 2011年

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我认为您的f / 1.8和f / 2.8图像受焦点偏移的影响。那些完全敞开的图像的模糊似乎不是纯粹由于光学像差造成的,通常会表现出轻微的柔和度和一些CA。CA很明显,但是特别是在第一个图像中,图像也很明显没有聚焦。f / 2.8看起来也很模糊,只是程度较小。
jrista

是的,纵向CA(文本的紫色和绿色条纹)指示在前两个图像中可能没有聚焦。另外,我当然希望85 f / 1.8比f / 2.8时更锐利!如果您再次执行此操作,我将专注于实时取景。
Matt Grum

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我整理了一个动画GIF序列,在下面的答案中演示了衍射的效果。我使用佳能450D,因此DLA为f / 8.4,这意味着f / 11及以下的像素开始出现衍射软化。有趣的是,即使f / 22的衍射软化,它仍然比f / 2或更宽。
jrista

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@jrista谢谢。尽管我在此处发布的图像系列可能会受到聚焦问题的影响,但是每次我购买新镜头并连续进行相同观察时,我都会创建可比较的系列图像。这对于风景摄影师和其他DoF摄影师尤其有用,他们可能一直在避免更极端的f /光圈。衍射的另一个有趣方面是,由于其物理规律性(在图像上的扩散仅取决于颜色和f /光圈),在后期处理中应易于解卷积(变干)。
2011年

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发生衍射。这是生活中的事实。当全开使用镜头时,其他镜头的像差太明显,以至于您不会注意到由于衍射而导致的轻微清晰度损失。停下来一点,将那些像差减到最小-镜头似乎越来越好。那里有衍射,但是您仍然没有真正注意到它,因为没有通过边缘的光线会大大超过通过的光线,该光线离光圈叶片太近了。

在某些时候,当您将镜头停下时,消除镜头元件的中心和外部之间的光学差异所获得的收益开始消失-不再有足够清晰的聚焦光淹没出光线在光路边缘弯曲(衍射)引起的聚焦图像。当您停下来时,镜头不会变得更好-与穿过中间的光线相比,有太多的光线被衍射。从这一点开始,停下来会使图像更柔和。

镜片在不增加柔软度的情况下尽可能停下来的位置是衍射极限。在某些镜头上,可以尽其所能地停止拍摄-例如,尼康(Nikon)传统上在许多设计中都保持相对较宽的最小光圈(f / 16)。在其他镜头(尤其是微距镜头)上,您可能仍然可以停下来几个或更长时间;在某些应用中,考虑景深可能比绝对清晰度更重要。

所有摄影都是一种折衷。有时候您可能想要停下来而不是最佳状态,但是这有助于您了解正在做出的妥协。停下来是自由度的一个简单答案,但是如果您迷上了风景,并以f / 22或f / 32的视角拍摄,可能是时候看一下倾斜/移位镜头了。


倾斜移位在这方面有何不同?
温斯顿·史密斯

至少在给定孔径的衍射量方面没有。什么的改变是你实现景深图像中的方式。通过使用倾斜,您可以更改焦点平面,因此在很多情况下,您可以通过更大的光圈来获得更多的焦点场景-您可以同时放置前景草/岩石和远处树木/在清晰对焦平面上或附近的山脉上,因此光圈设置无法弥补。但是,如果您希望前景树和背景树都处于焦点,则倾斜实际上没有用。为此,您需要一个小光圈。

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虽然这里的答案已经很好地描述了衍射衍射极限最常用于描述停止镜头无法为您提供与相机传感器的像素大小有关的更多细节的点。

当您达到相机的衍射极限时,任何超出该光圈的镜头都会使您获得更柔和的效果。它直接关系到单个像素的大小,而不是传感器的大小。

在现代数码单反相机上,衍射极限将达到F / 11和F / 16之间。在带有小型传感器的相机上,它可能是F / 8甚至更低。您会注意到,出于这个原因,大多数微型相机都不会使用小于F / 8的光圈。有些甚至使用固定的光圈(F / 3.5左右),并通过滑动ND滤镜而不是停下来模拟更少的光线进入。不幸的是,他们实际上将模拟的F-stop放到了EXIF中,因此您需要了解相机,以了解它使用了ND滤镜而不是正常的光圈。


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+1优点,尤其要注意衍射极限与焦距无关。重申您的第一点,它与像素大小的关系是由于以下事实:比Airy磁盘大得多的像素无法清楚地显示正在发生的事情。然而,由于衍射而引起的柔软度在那里存在并且与像素尺寸无关。
whuber 2011年

实际上,衍射在很大程度上取决于焦距。衍射取决于光子的波长及其相对于边缘的路径概率。总透射面积与光圈半径的平方成正比。衍射影响的面积(几乎)与半径成正比。较高的衍射比例和紧密的感测器间距,使得较小的传感器/短焦距镜头比更大/更长的组合在更高的分数光圈中出现故障–孔更小,并且衍射光击中的感测器更多。

@Stan然后您可以解释为什么维基百科上的艾里斑直径的公式与焦距无关吗?(en.wikipedia.org/wiki/Diffraction#Diffraction-limited_imaging
whuber

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造成混淆的原因是,我们用来表示光圈的数字取决于焦距(F / 4 = 100mm焦距/ 25mm孔径)。实际上,您真正需要的只是孔径直径和像素大小,以定义衍射极限。
伊泰

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(续-4)但是,通常来说,焦距较长的定焦镜头在任何给定的光圈值下都会比焦距较短的镜头具有更大的物理光圈。这就是为什么您可以在查看相机上使用300mm的f / 64镜头(一切都是清晰和对比度),而在50mm的f / 32镜头下拍摄的同一场景看起来像是在35mm格式的相机上的地狱(所有镜头都柔和且褪色)即使两者都放大到相同的程度-物理孔径至少是其三倍大,从而使给定光子重定向的可能性降低了三倍。


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简短答案...

衍射极限是给定的镜头系统可以创建/决心/聚焦的最小点。

挥臂:镜头可以将光线聚焦到一个小点,但不能聚焦一点。光斑的大小会随波长而变化,短波长形成的光斑比长波长要小。当使用非常好的无像差(衍射极限)的镜头时,准直光会产生通风的圆盘,成为焦点处的光斑。通风盘仍然是该透镜在该波长,具有该波长(使用准直光)下可以产生的最小光斑。与较小的光圈相比,较大的光圈可产生较小的光斑尺寸,并具有更紧密的聚焦和更小的聚焦深度。

请注意,您不能制作带有图片场景的浮动磁盘。准直光不会形成图像。

哇,停在那儿:如果您在公式中考虑将光圈用作倒数,则较大的数值孔径会产生较小的斑点。分散在这里也起作用。


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衍射极限是由于物理定律而导致的镜头的最大清晰度极限。基本上,无论相机有多少像素或光学系统多么完美,您都无法获得更清晰的照片。

不需要的效果是将变焦设置为大于衍射极限所允许的,并且照片不会变得更清晰,而只是更大。这通常发生在望远镜和显微镜中。这也是为什么使用电子显微镜代替光学显微镜的原因,因为光学显微镜看不到比X清晰的锐度。

浸没液体可以增加光学显微镜下分辨率更高的照片的限制。

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