Diffraktion och tunna linser

[horvendile]

Hej! Nu är det dags för ännu en fototeknikfråga jag grunnat på ett tag.
Ibland läser jag objektivtester där testaren bedömer hur det aktuella objektivet orsakar eller undviker skärpeförlust genom diffraktion på små bländare, och olika objektiv bedöms vara olika bra på detta. Jag har inte sparat någon länk, men det är inte så himla ovanligt.

Jag fattar inte riktigt hur det går ihop. I en naiv ansats är de enda linsparametrar som påverkar diffraktionen brännvidden och aperturen - det vill säga f-talet. Ett visst f-tal borde ge en viss mängd diffraktion, punkt slut, oavsett vilket objektiv det är.

Men det kanske är den naiva ansatsen som är fel. I den betraktas alla objektiv som en (1) tunn lins, främre och bakre huvudplan sammanfaller i mitten av den platta linsen och så vidare. Och där någonstans försvinner mina optikkunskaper in i "ja det där var länge sedan"-dimmorna, om jag ens någonsin varit så pass påläst att jag kunnat säga något vettigt om det.
Kan det vara något sådant? Att tunna lins-approximationen inte riktigt håller när man börjar grotta ned sig i diffraktionsdetaljer från bländaraperturen?

Andra möjligheter är förstås att testarna rätt och slätt har fel (det tror jag inte, någon borde ha påpekat det för dem) eller att själva kameran applicerar extra skärpning på bildfilerna vid små bländaröppningar (dito, någon borde ha påpekat det för testarna). Men det brukar finnas kunnigt folk här! Vad säger ni?

 

[henpe]

Ett försök att kanske (?) ge ett svar på vägen. Ingen fysiskt existerande lins (eller linskombination) är ideal. "Fel" i linsen skapar bl.a. skärpeförlust. Desto mindre bländare du använder (dvs större bländartal), desto större del av linsen maskas av och desto mindre effekt blir det av de icke-idealitetersom påverkar det bildalstrande ljuset negativt; därmed blir skärpan bättre desto mindre bländare du använder. MEN, ljusspridningen, och därmed skärpeförlusten, p.g.a. diffraktion (uppstår inte i linsen utan när ljuset passerar genom bländaren) gör sig mer påmind desto mindre bländaröppning du använder.

Således är det två fenomen - icke idealiteter i linsen och diffraktion - som tävlar om att påverkar skärpan negativt. Vid små bländartal påverkar diffraktionen väldigt lite, men icke-idealiteter påverkar mycket. Vid stora bländartal är inverkan av icke-idealiteter små, men diffraktionen påverkar mycket. Någonstans emellan maximal och minimal bländaröppning brukar det finns en "sweet spot" där summan av dessa destruktiva fenomen är minimal. Var denna sweet-spot ligger beror på objektivkonstruktionen.

Det jag skrivit ovan kanske är skår-mat för trådskaparen, Jag tror dock att det är denna sweet-spot och balansgång mellan de bägge fenomenen som objektivtestarna resonerar kring i sina texter? Annars förstår jag inte heller!?

 

[Grevture]

Jag är långt ifrån någon expert på diffraktion, men Henriks resonemang låter logiskt. Om man tar upp diffraktion som faktor i ett objektivtest borde det i så fall mest handla om när objektiv behöver bländas ned kraftigt för att prestera bra och därmed - om de används framför en tillräckligt högupplöst sensor - man kan snubbla in på bländaröppningar där diffraktion äter upp de optiska fördelar som nedbländningen ger.

Generellt är ju diffraktion ett fenomen som mest har med kombinationen bländare och pixelstorlek att göra och är ganska oberoende av vilket objektiv som används.

Allmänt sett skall man ju komma ihåg att under praktisk fotografering så stör saker som skakningsoskärpa, rörelseoskärpa, felfokus eller optiska fel bilden mycket mer än vad diffraktion gör. Många av diffraktionsresonemangen man ser handlar ju om ideala omständigheter där man bortser från sådana faktorer.

 

[torgnycar]

Hej Dan,
diffraktionen bestäms som sagt av bländartalet N. Men det är inte hela historien.

Den främsta anledningen till att diffraktionsupplösningen kan upplevas variera är troligen hur aberrationer har hanterats av objektivkonstruktören, framförallt sfärisk aberration. Minst oskärpecirkel fås inte självklart i objektivets (paraxiala) brännpunkt, utan snarare en bit närmare objektivet medan diffraktionsupplösningen syftar på brännpunkten. Förutom att det är konstruktionstekniskt smart vill man dessutom ofta inte ha en oskärpecirkel med för "skarpa" kanter (som ger taskig bokeh).

Sedan är det N som uppges på objektivet (dvs. de som fortfarande har manuellt inställbara bländare) förhållandet mellan brännvidd och ingångsapertur vid "oändligt" avstånd. Nu sker den mesta fotografin på närmare avstånd, där det effektiva bländartalet är N(1+m) där m är förstoringen, dvs. ju närmare objektavstånd, desto större bländartal.

 

[horvendile]

Jag trodde verkligen jag skulle hinna bevaka den här tråden bättre - sorry!

Jovisst, om objektivet har aberrationer sådana att objektivet aldrig blir diffraktionsbegränsat eller blir det först på riktigt små bländare kan man förstås få intrycket att diffraktionen blir annorlunda på ett sådant än på ett skarpare objektiv. Men det är inte så jag förstått de tester jag läst.
Nu vore det förstås bra om jag hade någon länk till ett sådant test... men jag kan tyvärr inte leta fram det just nu.

Torgny, jag är inte säker på att jag förstår stycket där du skriver "utan snarare en bit närmare objektivet " - går det att utveckla utan att du behöver skriva en hel föreläsning? (Alltså jag läser gärna, menar att jag inte kräver att du ska skriva något långt.)
Ska fundera på effektivt bländartal också. Jag känner till effekten, men är den relevant för diffraktionen? (...) Hm, ja, det är den nog - men det bygger väl fortfarande på att man kan approximera objektivet till en tunn lins? Alltså, om jag minns rätt, främre huvudplan = bakre huvudplan = hela linsen. Och det kanske alltid är ett giltigt sätt att betrakta det på.

 

[torgnycar]

Torgny, jag är inte säker på att jag förstår stycket där du skriver "utan snarare en bit närmare objektivet " - går det att utveckla utan att du behöver skriva en hel föreläsning? (Alltså jag läser gärna, menar att jag inte kräver att du ska skriva något långt.)

Ska försöka begränsa mig till en kort föreläsning

Vid sfärisk aberration har marginalstrålarna kortare brännvidd än de paraxiala strålarna (dvs. ju längre från optiska axeln, desto kortare brännvidd). Det medför att kaustikan (dvs. strålarnas begränsningsyta) har minst radie en bit framför den paraxiala brännpunkten (dvs brännpunkten för strålar nära och parallella med optiska axeln, även kallad gaussisk brännpunkt).

När man konstruerar objektiv försöker man förstås reducera aberrationen, men inte nödvändigtvis så att minst oskärpa alltid fås för den paraxiala brännpunkten. Detta av två skäl, dels blir det en enklare konstruktion (för stora bländaröppningar blir upplösningen mer än tillräckligt god), dels kan man på så sätt få en "mjuk" bokeh (denna är mycket förenklat en oskarp bild av bländaröppningens oskärpecirkel, om man kan göra dess "kant" extra oskarp får man en "mjuk" bokeh).

Med ökande bländartal (dvs. minskande apertur) sammanfaller sedan minsta oskärpecirkel alltmer med den paraxiala brännpunkten och diffraktionseffekter börjar uppträda, vilka kan upplevas olika beroende på objektivkonstruktion. Nu har jag inte läst de tester du syftar på och de som skriver dessa är ju inte alltid optikkunniga så om de hänvisar till diffraktion behöver det inte vara så..

Nu kommer sensorer med allt högre upplösningar vilket medför större krav på optiken, vilket minskar objektivkonstruktörernas frihetsgrader..

Sedan, huvudplanen är inte så relevanta för denna fråga..

 

[horvendile]

Tack, då förstår jag! I alla fall just den biten.
Ska grunna vidare när jag kommer åt på... ja, resten.

 

[jeduven]

Lyckligtvis så avtar problemen med diffraktion m.fl. objektivfelaktigheter med ökande pixelmängd på en given sensoryta.

 

[Grevture]

Lyckligtvis så avtar problemen med diffraktion m.fl. objektivfelaktigheter med ökande pixelmängd på en given sensoryta.

Ehum ... Nej Diffraktion är inte en objektivfelaktighet och den avtar inte med ökande pixelmängd.

Snarare är det så att ju fler pixlar du har på en given sensoryta så blir diffraktion gradvis synligt vid allt större bländare och äter upp allt mer av den potentiella ökningen av upplösning som det ökade pixelantalet kan ge. Någonstans - än så länge avlägset - når man en punkt där det förmodligen inte är värt besväret längre att öka antalet pixlar eftersom det just på grund av diffraktion ger för små praktiska fördelar för att vara motiverat.

 

[martinot]

Ehum ... Nej Diffraktion är inte en objektivfelaktighet och den avtar inte med ökande pixelmängd.

Snarare är det så att ju fler pixlar du har på en given sensoryta så blir diffraktion gradvis synligt vid allt större bländare och äter upp allt mer av den potentiella ökningen av upplösning som det ökade pixelantalet kan ge. Någonstans - än så länge avlägset - når man en punkt där det förmodligen inte är värt besväret längre att öka antalet pixlar eftersom det just på grund av diffraktion ger för små praktiska fördelar för att vara motiverat.

Jag tycker att vi redan börjat att närma oss det läget på Micro 4/3-sidan.

Kanske inte dröjer allt för länge förren ytterligare högre upplösningar på APS-C-sidan också får problem med diffraktion på de minsta bländarna.

Kan man säga någonstans ungefär vid vilken DPI det inträffar (oavsett sensorstorlek), eller går det inte att göra en sådan generalisering?

 

[horvendile]

Kanske inte dröjer allt för länge förren ytterligare högre upplösningar på APS-C-sidan också får problem med diffraktion på de minsta bländarna.

Kan man säga någonstans ungefär vid vilken DPI det inträffar (oavsett sensorstorlek), eller går det inte att göra en sådan generalisering?

Om man tillåter sig en del förenklingar (av vilka jag skulle kunna redogöra för somliga) kan man från objektivsidan säga att ett objektiv med bländartalet x ger upphov till en diffraktionsfläck x mikrometer stor på sensorn. Mellan tummen och pekfingret.

Från sensorsidan är det förmodligen begränsat meningsfullt att fortsätta mot mindre pixlar när pixelstorleken närmar sig ljusets våglängd. Pixlar mycket mindre än en mikrometer breda är alltså antagligen overkill i vanliga kameror.

 

[jeduven]

Ehum ... Nej Diffraktion är inte en objektivfelaktighet och den avtar inte med ökande pixelmängd.

Snarare är det så att ju fler pixlar du har på en given sensoryta så blir diffraktion gradvis synligt vid allt större bländare och äter upp allt mer av den potentiella ökningen av upplösning som det ökade pixelantalet kan ge. Någonstans - än så länge avlägset - når man en punkt där det förmodligen inte är värt besväret längre att öka antalet pixlar eftersom det just på grund av diffraktion ger för små praktiska fördelar för att vara motiverat.

Nä, diffraktion är ingen objektivegenskap. Ingen sensoregenskap heller. Däremot är det lättare att komma tillrätta med diffraktion och diverse objektivfel ju mindre pixlar en sensor har även om det handlar om 300 Mpix eller fler på en FF.

 

[Grevture]

Om man tillåter sig en del förenklingar (av vilka jag skulle kunna redogöra för somliga) kan man från objektivsidan säga att ett objektiv med bländartalet x ger upphov till en diffraktionsfläck x mikrometer stor på sensorn. Mellan tummen och pekfingret.

Från sensorsidan är det förmodligen begränsat meningsfullt att fortsätta mot mindre pixlar när pixelstorleken närmar sig ljusets våglängd. Pixlar mycket mindre än en mikrometer breda är alltså antagligen overkill i vanliga kameror.

Jag har nämnt det här förut, men det här foruminlägget på Dpreview gör en ganska bra allmän genomgång av några faktorer som troligen i alla fall bromsar in utvecklingen mot högre megapixelantal. Och den killen verkar precis som Dan vara inne på att en mikrometer stora pixlar kan vara en nivå där diffraktionen gör att det troligen inte är någon större idé att gå så mycket längre ned i storlek. Men notera också att i slutändan är det inte i första hand diffraktionen som är den främsta bromsen för att gå vidare, utan andra saker .

http://www.dpreview.com/forums/post/52070644

Notera att han nämner 100 megapixel för småbild som en sweetspot, det innebär ju inte att det är någon hård gräns. Bara att vi troligen inte har så himla mycket att vinna på att gå ett steg eller två högre (till t.ex. 200 eller 400 megapixel).

 

[Grevture]

Nä, diffraktion är ingen objektivegenskap. Ingen sensoregenskap heller. Däremot är det lättare att komma tillrätta med diffraktion och diverse objektivfel ju mindre pixlar en sensor har även om det handlar om 300 Mpix eller fler på en FF.

Objektivfel ja, diffraktion nej. Diffraktion går i slutändan inte att korrigera bort hur många pixlar du än har, snarare innebär den att du till slut hamnar på en nivå där ytterligare mindre pixlar helt enkelt inte bidrar till någon ökad upplösning.

Nu är vi idag fortfarande oftast på nivåer där diffraktionen är såpass måttlig att vi kan kompensera för den genom att skärpa bilden. Men någonstans når vi en nivå där det diffraktionen helt enkelt innebär att det inte finns mer information att skärpa fram. Flera är inne på att det rör sig om en pixelstorlek i närheten av en mikrometer, intressant nog ligger många mobilkameror någonstans där, i intervallet 1,1-1,5 mikrometer.

Exakt var gränsen där ytterligare upplösning blir tekniskt (dock inte marknadsföringsmässigt meningslös återstår väl att se, men poängen är hur som helst att förr eller senare sätter diffraktionen en gräns bortom vilken det inte finns något upplösningsmässigt skäl att gå.

 

[jeduven]

Du har helt rätt när det gäller granskningar i 100% av pixeltäta bildfiler i originalstorlek på skärm. Vid varje slutlig presentationsstorlek på skärm eller print så är mindre pixlar att föredra även om diffraktionen blir klart märkbar vid så stora bländaröppningar som f/1.0.

 

[Grevture]

Du har helt rätt när det gäller granskningar i 100% av pixeltäta bildfiler i originalstorlek på skärm. Vid varje slutlig presentationsstorlek på skärm eller print så är mindre pixlar att föredra även om diffraktionen blir klart märkbar vid så stora bländaröppningar som f/1.0.

Jo, vi resonerar ju mest kring tekniska prestanda här, i praktiken är vi ju som sagt än så länge en bra bit från att diffraktion är problematisk på annat än väldigt små bländare. Men till exempel makrofotografer tvingas ju hantera det redan idag.

Och som du är inne på, printar där diffraktion på stora bländaröppningar utgör en praktisk begränsning lär behöva vara rejält stora

 

[horvendile]

Men någonstans når vi en nivå där det diffraktionen helt enkelt innebär att det inte finns mer information att skärpa fram. Flera är inne på att det rör sig om en pixelstorlek i närheten av en mikrometer, intressant nog ligger många mobilkameror någonstans där, i intervallet 1,1-1,5 mikrometer.

Ja jag skulle inte kunna motivera det på något fysikaliskt strikt sätt, men möjligen undantaget specialtricks kan man inte med ljus se något som är mindre än ungefär ljusets våglängd, och då gäller det omvända också, att man inte kan lösa upp bildinformation i mindre element än ungefär ljusets våglängd.
Det är förstås inte en knivskarp gräns, man skulle kanske kunna vinna lite extra på att gå ned till pixelstorlek 500 nm. Men vi snackar ändå storleksordningen en mikrometer, plusminus.

Den gränsen är man nära inte bara i mobilkameror, utan även i vissa värmekameror där man vinner väldigt lite på att gå ned i pixelstorlek under ca tio mikrometer.

 

[torgnycar]

Om vi inskränker oss till diffraktion går den nedre gränsen för pixelstorlek (Sparrow-kriteriet) vid lambdaxN/2 vilket är runt en halv mikrometer för ljus.

Nu är det flera faktorer som spelar in (fotometriska villkor, sensorn som vågledare, etc.). I en artikel i JEI (vilken jag tyvärr inte har tillgång till härhemma) sattes om jag minns rätt den undre gränsen vid ideala avbildningsförhållanden till 0,9 µm och i praktiken vid 1,1 µm.

Nu finns det ju andra sensorutvecklare som haft några hundra miljoner år på sig, jag syftar förstås på evolutionen. Ögonreceptorer har således nått samma gräns, för att citera Land & Nilsson, Animal Eyes: "The practical consequence is that there is nothing to be gained by having receptors narrower than 1 µm.."

 

[iSolen.se]

Jag är långt ifrån någon expert på diffraktion, men Henriks resonemang låter logiskt. Om man tar upp diffraktion som faktor i ett objektivtest borde det i så fall mest handla om när objektiv behöver bländas ned kraftigt för att prestera bra och därmed - om de används framför en tillräckligt högupplöst sensor - man kan snubbla in på bländaröppningar där diffraktion äter upp de optiska fördelar som nedbländningen ger.

Generellt är ju diffraktion ett fenomen som mest har med kombinationen bländare och pixelstorlek att göra och är ganska oberoende av vilket objektiv som används.

Allmänt sett skall man ju komma ihåg att under praktisk fotografering så stör saker som skakningsoskärpa, rörelseoskärpa, felfokus eller optiska fel bilden mycket mer än vad diffraktion gör. Många av diffraktionsresonemangen man ser handlar ju om ideala omständigheter där man bortser från sådana faktorer.

Bländarens form blir ju mer kritisk på små bländare så bländarkonstruktionen borde spela roll, t ex antalet blad.

 

[Grevture]

Bländarens form blir ju mer kritisk på små bländare så bländarkonstruktionen borde spela roll, t ex antalet blad.

Jo, man bör ju hålla i minnet att de flesta resonemang kring saker som var diffraktionsgränser går utgår från ideala objektiv, idealt runda bländare osv ... Och vi vet ju alla hur ideala saker är i praktiken. Det gör ju att värden eller nivåer man kommer fram till är ungefärliga och i praktiken vet vi nog inte exakt var gränserna går förrän någon provar och bygger säg en småbildssensor på 500 eller 1000 megapixel så vi verkligen kan prova