Diffractie


Fotografie » TechTalk » Fysica » Opening » Diffractie

Diffractie is een natuurkundig fenomeen en beperkt de maximale beeldscherpte bij kleine openingen (grote ƒ-waarden). Diffractie kan niet vermeden worden door betere lenzen te maken: het is een limiet die niet overschreden kan worden, een beetje zoals de snelheid van het licht niet overschreden kan worden. Zeer goede lenzen, waarvan de optische beeldkwaliteiten beperkt worden door diffractie zijn “diffraction limited”.

Historisch...

Door de lensopening (diafragma) te verkleinen kan men scherpere beelden bekomen. Dit was vooral vroeger van toepassing, toen de optische kwaliteit van de lenzen niet zo goed was en men verplicht was kleine openingen te gebruiken. Lenzen van begin van de 20ste eeuw hadden een maximale (=meest lichtsterke) opening van ƒ/8 (dit waren lenzen voor medium-formaat fototoestellen).

De kwaliteit van goede moderne lenzen is zo, dat je de lens niet meer moet dichtdraaien om een aanvaardbare kwaliteit te bekomen (behalve misschien bij zeer goedkope kitlenzen en superzooms).

Bij professionele toestellen met goede lenzen wordt het beeld zelfs minder scherp bij kleine openingen! Wij hebben hier te maken met een natuurkundig fenomeen dat niet vermeden kan worden: diffractie.

Licht heeft de eigenschappen van golven (ook van deeltjes, maar dat zou jullie te ver leiden), met inbegrip van diffractie. Diffractie is het afbuigen van golven langs een obstakel. Je merkt het in de haven, met de golven uit de zee, maar een gelijkaardig fenomeen doet zich voort op microscopische schaal met lichtgolven.


Hoe kleiner de opening (absolute waarde in mm),
hoe meer diffractie zichtbaar wordt

Diffractie treed op bij alle openingen, maar hoe kleiner de opening, hoe groter de relatieve hoeveelheid gediffracteerd licht, en dus hoe onscherp het beeld.

Invloed van de lenskwaliteit

Men kan in het algemeen stellen dat de beste beeldkwaliteit bij toplenzen wordt bereikt bij ƒ/5.6 (prime lenzen voor spiegelreflexen). Hoe beter de lens, hoe sneller het effekt merkbaar is. De kwaliteit van de beste prime lenzen is zo goed dat men zegt dat deze lenzen “diffraction limited” zijn: de optische eigenschappen van de lens worden beperkt door diffractie.

Bij kitlenzen en superzooms wordt het scherpste beeld bereikt bij ƒ/11: bij grotere openingen is de lenskwaliteit de beperkende factor, pas bij ƒ/11 wordt diffractie de limiterende factor.

Waarom gaan optieken dan verder dicht, terwijl het beeld eigenlijk onscherp wordt? Dit heeft te maken met scherptediepte: de scherptediepte wordt groter bij kleine openingen, en soms kan een extreme scherptediepte noodzakelijk zijn (bijvoorbeeld bij landschaps- en vooral macrofotografie). De meeste lenzen sluiten ook niet verder dan ƒ/22 (mijn Sigma 50mm ƒ/1.4 gaat zelfs niet verder dan ƒ/16). Enkel mijn macro-lens (EF 100 ƒ/2.8 MACRO USM) gaat tot ƒ/32, want deze waarde kan nodig zijn bij macrofotografie om een voldoende scherptediepte te bekomen.

Sigma 50 ƒ/1.4 op ƒ/1.4
Sigma 50 ƒ/1.4 op ƒ/2.8
Canon 24-105 ƒ4 op ƒ/4
Sigma 50 ƒ/1.4 op ƒ/5.6
Canon 24-105 ƒ4 op ƒ/8
Sigma 50 ƒ/1.4 op ƒ/11
Canon 24-105 ƒ4 op ƒ/16
Canon 24-105 ƒ4 op ƒ/22

Voorbeelden

We gaan het effekt van de diffractie vergelijken bij verschillende openingen. De bovenste foto is reeds een uitsnede (+ verkleining). Ik gebruik twee lenzen door elkaar om aan te tonen dat bij kleine openingen de gebruikte lens geen rol meer speelt. De crop is een 1:1-uitsnede in het midden van het beeld. De originele foto is 125× groter. Er werd scherpgesteld op de voorste plooi van het gewaad.

De Sigma vertoont een duidelijke front-focus bij ƒ/1.4. Deze fout is niet gecorrigeerd, want bij de afstanden die ik normaal gebruik voor portretfotografie is de front-focus niet aanwezig.

ƒ-waarde is relatief

De ƒ-waarde is een relatieve waarde, geen absolute waarde (zoveel milimeter). Daarom zal diffraktie sneller optreden bij kleinere optische systemen (sub compact fototoestel)

Afmetingen van de sensor


Kleinbeeldsensor bij een normaallens
Kleine sensor (compact fototoestel)
Kleinbeeldsensor bij telelens
Bij een kleine sensor (voorbeeld: Sony DSC-F828) is de absolute opening kleiner. Een opening van f/8 is viermaal kleiner bij de Sony in vergelijking met een reflex (kleinbeeld). Daardoor treed diffraktie sneller op, en is heel goed zichtbaar bij ƒ/8. Mijn Sony DSC-F828 gaat trouwens niet verder dan ƒ/8, het beeld zou teveel onscherpte vertonen (het effekt is ongeveer vergelijkbaar met een opening van ƒ/32 op een full size reflex).

Digitale fototoestellen met nog kleinere sensoren sluiten maar tot ƒ/4, terwijl lenzen voor medium formaat hun maximale beeldscherpte halen bij ƒ/16 of ƒ/32 en gaan vaak tot ƒ/128. Juist omdat de ƒ-waarde relatief is.

Brandpuntafstand

De vorige waarden zijn van toepassing op normaallenzen, dus lenzen met een brandpunt van 35 à 50mm, maar eigenaardig genoeg ook op telelenzen. De “sweet spot” (ƒ-waarde met de hoogste beeldscherpte) verschuift dus niet of nauwelijks met de brandpuntsafstand. Omdat de brandpuntsafstand groter is, is de airy disc ook groter geworden. De airy disc is het effekt dat door diffraktie veroorzaakt wordt (typische diffraktiepatroon), het is de projectie van de diffraktie op de sensor, het is het effekt dat we willen vermijden.

Bij telelenzen heb je twee effekten die elkaar ongeveer tegenwerken: de relatieve opening wordt groter (een ƒ/2.8 opening op 200mm is viermaal groter dan dezelfde opening op 50mm => dus minder diffractie), maar het effekt van de diffractie (de projectie op de sensor) wordt groter.

Wat is eigenlijk diffractie?

Ik ken veel fotografen die in de studio de kleinst mogelijke opening gebruiken. Deze kleine opening geeft namelijk de scherpste beelden denken ze. In feite wordt het beeld minder scherp en minder contrastrijk bij kleine openingen.

De sunstars zijn een speciale vorm van diffractie. Dit zijn lichtstralen die uit een felle lichtbron komen (voorbeelden via de link). In normale omstandigheden is diffractie niet te zien, wel als het beeld zeer heldere beeldelementen bevat.

Nu is het zo dat diffractie op het ganse beeld een invloed heeft (en niet enkel op de meest heldere delen). Als een beeld sunstars vertoont ten gevolge van een kleine opening, betekent dit ook dat een normaal beeld daardoor aangetast wordt (maar het effekt is niet zo zichtbaar als bij sunstars).

Bottom line: mensen die zeggen dat je de lens zo ver mogelijk moet dichtdraaien om de beste beeldkwaliteit te bereiken, werken met heel slechte lenzen! Ofwel leven ze nog in de middeleeuwen van de fotografie.

“Diffraction Limited Aperture”

ModelFOVCFSensorPixel SizePixels/MegapixelsViewfinderDLA
Canon PowerShot G1 X1.9x18.7 x 14.0mm4.3µm4352 x 326414.3  f/6.9
Canon PowerShot G124.7x7.4 x 5.6mm2.7µm3648 x 204810.0  f/4.3
Canon PowerShot G94.7x7.6 x 5.7mm2.5µm4000 x 300012.1  f/4.0
Canon EOS M1.6x22.3 x 14.9mm4.3µm5184 x 345618.0  f/6.8
Canon EOS Rebel T4i / 650D1.6x22.3 x 14.9mm4.3µm5184 x 345618.0 .85x95%f/6.8
Canon EOS Rebel T3i / 600D1.6x22.3 x 14.9mm4.3µm5184 x 345618.0 .85x95%f/6.8
Canon EOS Rebel T2i / 550D1.6x22.3 x 14.9mm4.3µm5184 x 345618.0 .87x95%f/6.8
Canon EOS Rebel T1i / 500D1.6x22.3 x 14.9mm4.7µm4752 x 316815.1 .87x95%f/7.5
Canon EOS Rebel T3 / 1100D1.6x22.2 x 14.7mm5.2µm4272 x 284812.0 .85x95%f/8.3
Canon EOS Rebel XSi / 450D1.6x22.2 x 14.8mm5.2µm4272 x 284812.2 .87x95%f/8.3
Canon EOS Rebel XS / 1000D1.6x22.2 x 14.8mm5.7µm3888 x 259210.1 .81x95%f/9.1
Canon EOS Rebel XTi / 400D1.6x22.2 x 14.8mm5.7µm3888 x 259210.1 .80x95%f/9.1
Canon EOS Rebel XT / 350D1.6x22.2 x 14.8mm6.4µm3456 x 23048.0 .80x95%f/10.2
Canon EOS 300D Digital Rebel1.6x22.7 x 15.1mm7.4µm3088 x 20566.3 .80x95%f/11.8
Canon EOS 60D1.6x22.3 x 14.9mm4.3µm5184 x 345618.0 .95x96%f/6.9
Canon EOS 50D1.6x22.3 x 14.9mm4.7µm4752 x 316815.1 .95x95%f/7.5
Canon EOS 40D1.6x22.2 x 14.8mm5.7µm3888 x 259210.1 .95x95%f/9.1
Canon EOS 30D1.6x22.5 x 15.0mm6.4µm3504 x 23368.2 .90x95%f/10.2
Canon EOS 20D1.6x22.5 x 15.0mm6.4µm3504 x 23368.2 .90x95%f/10.2
Canon EOS 10D1.6x22.7 x 15.1mm7.4µm3088 x 20566.3 .88x95%f/11.8
Canon EOS 7D1.6x22.3 x 14.9mm4.3µm5184 x 345618.0 1.0x100%f/6.9
Canon EOS 6D1.0x35.8 x 23.9mm6.54µm5472 x 364820.2 .71x97%f/10.5
Canon EOS 5D Mark III1.0x36.0 x 24.0mm6.25µm5760 x 384022.3 .71x100%f/10.1
Canon EOS 5D Mark II1.0x36.0 x 24.0mm6.4µm5616 x 374421.1 .71x98%f/10.2
Canon EOS 5D1.0x35.8 x 23.9mm8.2µm4368 x 291212.8 .71x96%f/13.2
Canon EOS 1D X1.0x36.0 x 24.0mm6.9µm5184 x 345618.1 .76x100%f/11.0
Canon EOS 1D Mark IV1.3x27.9 x 18.6mm5.7µm4896 x 326416.1 .76x100%f/9.1
Canon EOS 1D Mark III1.3x28.1 x 18.7mm7.2µm3888 x 259210.1 .76x100%f/11.5
Canon EOS 1D Mark II N1.3x28.7 x 19.1mm8.2µm3520 x 23368.2 .72x100%f/13.2
Canon EOS 1D Mark II1.3x28.7 x 19.1mm8.2µm3520 x 23368.2 .72x100%f/13.2
Canon EOS 1DS Mark III1.0x36.0 x 24.0mm6.4µm5632 x 375021.1 .76x100%f/10.2
Canon EOS 1DS Mark II1.0x36.0 x 24.0mm7.2µm4992 x 332816.6 .70x100%f/11.5
De tabel hierboven geeft de DLA-waarde van een paar bodies (of complete fototoestellen). De DLA of Diffraction Limited Aperture is een berekening van de opening waarbij diffractie een rol begint te spelen (nederlandse benaming: diffractielimiet). De diffractielimiet betekent niet dat kleinere openingen niet mogen gebruikt worden, enkel dat vanaf de diffractielimiet de beeldscherpte niet meer kan toenemen.

Bij een grote opening wordt de lensresolutie beperkt door optische fouten. Bij het sluiten van het diafragma heeft men een “sweet spot” (maximale scherpte). Dan begint de diffractie een rol te spelen en vermindert opnieuw de beeldscherpte. In het algemeen mag men stellen dat de beste optische resolutie gehaald wordt bij een opening van ƒ/8 op een kleinbeeldtoestel (eerste tabel rechts).

Toen ik jaren geleden op cursus zat (dat was bij Metz in Nurenberg), heeft een ingenieur mij wiskundig uitgelegd dat het beeld niet scherper wordt bij het dichtdraaien van het diafragma: de “scherpte” wordt over een breder gebied uitgesmeerd (daardoor wordt de scherptediepte groter).

Invloed van de body?

Speelt de body een rol bij de uiteindelijke resolutie? Bij ƒ/8 is het oplossend vermogen van de lens maximaal 0.005mm bij een kleinbeeldcamera. Dit komt overeen met 200 pixels per milimeter (of 100 line pairs zoals op de figuur, je hebt namelijk minstens 2 pixels nodig om "een lijn" te kunnen detecteren). Voor een kleinbeldcamera met full size sensor wordt dit: 200×36 pixels horizontaal × 200×24 pixels vertikaal = 7200×4800 = ongeveer 35 megapixel. De Canon 5D Mk III met zijn 21 megapixel zit nog niet aan deze grens: bij zeer goede lenzen wordt de resolutie beperkt door de sensor.

Voor een toestel met een cropsensor (1.6) is deze limiet reeds bereikt met een 15 megapixel sensor. Je zal dus nooit de maximale mogelijkheden van je fototoestel kunnen benutten als je een kleinere opening dan ƒ/8 gebruikt op een 15 megapixel camera met 1.6 cropsensor (ongeacht de gebruikte lens): de pixels zitten dichter bij elkaar dan het scheidend vermogen van de lens.

Grafieken rechts: er zijn twee verschillende proefopstellingen gebruikt, dit verklaart het verschil (afstand tot het target: sommige lenzen presteren beter op kortere afstand, andere beter op langere afspand).

Als extra werd de grafiek uitgetekend van de EF 18-200 ƒ/3.5-5.6, een kitlens die vaak met de Canon 50D (15 megapixel) verkocht wordt. Met deze lens haal je nooit het maximum uit je fototoestel: het beeld is altijd minder scherp dan hetgeen de sensor kan opnemen. Zoals bij alle goedkopere lenzen verschuift het punt met maximale scherpte naar kleinere openingen: terwijl een goede prime lens het scherpste beeld geeft bij ƒ/5.6, geeft de kitlens het scherpste beeld bij ƒ/11.

Bij een compact fototoestel heeft de sensor echter meer dan 200 pixels per milimeter: de lens kan een onvoldoende scherp beeld geven op ƒ/8. Daarom sluit het diafragma van een compact fototoestel vaak maar tot ƒ/4. De optische kwaliteit van de lens (en in het bijzonder het oplossend vermogen) moet in dit geval uitstekend zijn: een compact fototoestel met een superzoom zal maar een matig resultaat opleveren.

De tabel onderaan rechts toont de kleinste opening dat je mag gebruiken om een scherpe afdruk op A4 formaat te bekomen: bij een kleinere opening zal het beeld zichtbaar onscherp zijn. Vanwege het beperkt oplossend vermogen is het mogelijk dat de minimale scherpte nooit bereikt kan worden met een supercompact fototoestel.

ƒ-waardeGemeten
praktische
resolutie
Theoretische
maximale
resolutie
ƒ/2.880 l/mm600 l/mm
ƒ490 l/mm400 l/mm
ƒ5.695 l/mm300 l/mm
ƒ8100 l/mm200 l/mm
ƒ1195 l/mm150 l/mm
ƒ1680 l/mm100 l/mm
ƒ2270 l/mm75 l/mm



Oplossend vermogen in funktie van de lensopening
Twee verschillende proefopstellingen


Formaatƒ limiet
Medium (6 × 9) 60×90mmƒ/64
Kleinbeeld 24×36mmƒ/22
Cropsensor 22.5×15mmƒ/16
Hig end bridge 2/3" 8.8×6.0mmƒ/8
Compact 1/1.8" 7.1×5.3mmƒ/5
Supercompact 1/2.5" 5.7×4.4mmƒ/4

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren