Diffractie

 

Misschien wordt dit een te technisch verhaal maar ik zal proberen het zo simpel mogelijk uit te leggen.
Moderne camera’s met vaak meer megapixels gaan een serieus probleem krijgen wat niet eenvoudig kan worden opgelost.
Een aspect van fotografie is het verlies van scherpte veroorzaakt door diffractie.

Wat ik me nog kan herinneren tijdens mijn studie is dat licht als een golf werkt.
Een lichtgolf verplaatst zich in een rechte lijn, maar kan ook buigen wanneer het door of rondom objecten gaat.
Wanneer licht door de lens van een camera met een groot diafragma straalt dan buigt of verspreidt het licht niet of nauwelijks.
Echter er gebeurt iets vreemds als het licht door een klein gaatje gaat, zoals een camera met een klein diafragma (hoog F-getal) want dan buigt het en interfereert het met zichzelf. (Het licht zal zich verspreiden en komen lichtstralen met elkaar in aanraking).
Je kunt het een beetje vergelijken met een tuinslang, als je deze dichtknijpt dan zal de waterstraal zicht meer verspreiden.
Deze interferentie wordt diffractie (straalbreking) genoemd.
Dit effect is normaal te verwaarlozen omdat kleinere lensopeningen vaak de scherpte verbeteren door lensafwijkingen te minimaliseren echter met voldoende kleine diafragma’s wordt deze strategie contraproductief en bereikt het een punt waar diffractie de overhand neemt.
Wanneer er diffractie optreedt heeft dat effect op de scherpte en de details in een foto want die nemen namelijk af.
Diffractie is dus een optisch effect dat de totale resolutie van fotografie beperkt.
Als je de limiet kent, kun je de details in de foto maximaliseren en een bijkomend voordeel is om onnodig lange belichtingen of hoge ISO-waarden te voorkomen.

Diffractie in eenvoudige bewoordingen is een fenomeen dat optreedt met licht wanneer het “samenwerkt” met een obstakel zoals bijvoorbeeld een objectief.
De meesten van ons kennen waarschijnlijk wel de lichtdiffractiepatronen op de achterkant van Cd’s.
Diffractie kan dus ook optreden in een camera, wat een grote uitdaging kan worden als je veel scherptediepte wil maar vooral ook scherpte.
Het kan ervoor zorgen dat foto’s hun scherpte verliezen, iets wat je normaal gezien niet wil.
Hieronder een plaatje met een eenvoudig diagram wat ik op internet heb gevonden en laat zien hoe lichtdeeltjes de sensor van een camera raken bij grote en kleinere diafragmaopeningen.

Bij F/2.8 zijn de lichtstralen nagenoeg recht. Hoe hoger het diafragma de meer afbuiging.

 

In de tekeningen hierboven zie je dat lichtstralen bij een kleine lensopening (hoog F-getal) verschillende afstanden afleggen waarbij sommige zich uit fase bewegen en dan beginnen ze elkaar te storen.
Deze interferentie produceert een diffractiepatroon met piekintensiteiten waar de amplitude van de lichtgolven optelt.

Voor een ideaal cirkelvormig diafragma wordt het 2D-diffractiepatroon een “Airy disk” genoemd (naar zijn ontdekker George Airy).
De breedte van de “airy disk” wordt gebruikt om de theoretische maximale resolutie voor een optisch systeem te definiëren.

Als gevolg van o.a. het anti-aliasingfilter van de sensor kan een “airy disk” een diameter van ongeveer 2 pixels hebben voordat diffractie de scherpte beperkt. (Uitgaande van een perfecte lens). Diffractie zal echter al een visuele impact hebben voordat deze diameter wordt bereikt (bij ~1,5 pixels).
De grootte van de “airy disk” is vooral nuttig in de context van pixelgrootte.
Hieronder een aantal “airy disk” tekeningen in vergelijking met de pixelgrootte van een paar camera modellen (Ik heb hier voor het gemak alleen full-frame camera’s gebruikt met een verschillend aantal pixels op hetzelfde sensor-oppervlak):

Canon 5D MK3 (24MP):

In de plaatjes is elk “ruitje” een pixel. Nu zie je hierboven dat met F/16 de “airy disk” in totaal al ruim 2 pixels beslaat dus hier zal de scherpte al afnemen. F/11 is hier dus de grens als je uitgaat van 1,5 pixel.

Canon 5D (13MP):

In bovenstaande plaatjes zie je dat de “airy disk” bij F/16 ongeveer net zoveel pixels beslaat als bij de 5D MK3 op F/11. Bij deze camera is dus F/16 de grens.

Nikon D800 (36MP):

In bovenstaande plaatjes zie je dat de “airy disk” bij F/11 al net over de grens gaat van 1.5 pixel en dus een lager F-getal de betere keuze is als je geen risico wil lopen op diffractie.

 

Wanneer dus de diameter van de “airy disk” groot wordt ten opzichte van de pixelgrootte in de camera dan begint deze een negatieve visuele impact op de foto te hebben.
Diffractie stelt dus een fundamentele resolutielimiet in als je wil gaan diafragmeren.
Omdat de grootte van de “airy disk” ook afhankelijk is van de golflengte van licht, zal elk van de drie primaire kleuren (Rood, Groen en Blauw) zijn diffractielimiet bereiken bij een andere lensopening.
De bovenstaande berekeningen gaan uit van licht in het midden van het zichtbare spectrum (ongeveer 550 nm).
De meeste digitale camera’s kunnen licht vastleggen met een golflengte van ergens tussen 450 nm en 680 nm.
De kleur groen zal als eerste scherpte verliezen en blauw als laatste.
Theoretisch kun je dus met alleen de kleur blauw meer diafragmeren zonder scherpte verlies dan met de kleur groen.

Het is duidelijk dat diffractie alleen zorgwekkend is bij kleine lensopeningen (hoog F-getal) in combinatie met het aantal pixels en het oppervlak van de sensor (lees grootte van de pixels)..
Grotere sensor met minder pixels heeft er ook minder last van en kun je dus meer diafragmeren.
In andere woorden, een 24 MP crop camera heeft eerder last van diffractie dan een 24MP full-frame camera puur omdat de pixels van een full-frame groter zijn…
Kleinere pixels hebben dus eerder last van diffractie en wat zien we de laatste jaren gebeuren? Sensoren die qua afmeting gelijk zijn gebleven alleen het aantal pixels zijn toegenomen.
Dit geldt voor zowel crop als full-frame camera’s.

Dus wat betekent dit allemaal voor fotografie in de praktijk?

Ik heb zelf eens een paar testjes gedaan met mijn Canon 5D MK3 en Canon 16-35 lens om te zien wat de echte effecten van diffractie zijn tijdens landschapsfotografie.
Deze test heb ik gedaan met een vaste opstelling, zwaar en stabiel statief, afstandsbediening en met de spiegel opgeklapt om variabelen die onscherpte kunnen veroorzaken zo veel mogelijk te elimineren.
Ik heb aantal foto gemaakt met verschillende diafragmaopeningen. De foto’s (24 MP RAW) toonde dat het vanaf diafragma F/11 resulteerde in een minder scherp plaatje.

Opnames gemaakt met diafragma F/9 en F/10 leverde mij de scherpste beelden op in combinatie met meer dan voldoende scherptediepte.
Belangrijk te weten is dat ik de vergelijking tussen de foto’s heb gedaan op 100% zoom.
Bij uitzoomen zal het minder zichtbaar zijn.

Het kan voorkomen dat tijdens landschapsfotografie het aanwezige licht zo veel is dat je meer moet diafragmeren om geen overbelichte foto’s te krijgen.
(Soms is F/11 bij ISO 100 niet voldoende).
In dit geval kun je dus beter een ND filter gebruiken dan meer diafragmeren om minder scherpe foto’s te voorkomen.

 

Handtekening Chris