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镜头衍射和分辨率:像素大小,光圈孔径和艾里斑(Airy Disks)

衍射(Diffraction)是一种光学效应,它限制了您的成像总分辨率 – 无论您的相机可能有多少百万像素。它的发生,是因为光通过一个小开口(如您相机的光圈)时开始分散或“衍射”。这种效果通常可以忽略,因为较小的光圈通常用于最小化镜头像差来改善锐度。然而,对于足够小的光圈,这种策略会变得适得其反 – 在这一点您的相机被说成是有衍射限制。知道此限制有助于最大限度地提高细节,并避免不必要的长时间曝光或高ISO感光度(高增益)。

背景

穿过小孔的光线将开始发散并彼此干涉。这随着孔径的尺寸相对于穿过的光的波长减小而变得更加显着,但是在某种程度上它发生于任何孔径或集束光源。diffraction_1

光线传播经过不同的距离,一些变得异相并开始彼此干扰 – 在一些地方加强,而在其他地方部分地减弱或完全消失。这种干涉产生衍射图案,其中光波的振幅相加的地方生成强度峰值,而在它们相减的地方只有较少的光。如果要测量光线到达直线上每个位置的光的强度,则测量结果将显示为类似于下面所示的那些带。

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对于理想的圆形孔径,2-D衍射图案在其发现者乔治·艾里George Airy之后被称为“艾里斑(Airy Disk)”。艾里斑的宽度用于定义光学系统的理论最大分辨率(定义为第一个黑圆的直径)。

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当艾里斑中心峰的直径相对于相机传感器的像素尺寸(或最大容许弥散圆Circle of Confusion)变大时,它开始对图像产生视觉影响。一旦两个艾里斑变得比其宽度的一半更近,它们就不再可被分辨了(瑞利准则Rayleigh Criterion)。

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因此,衍射决定了独立于百万像素的数量或胶片格式大小的基本分辨率极限。这取决于您的镜头的f数和被成像的光的波长。我们可以认为它是成像细节最小的理论“像素”。此外,衍射的开始是逐渐的;在分辨率被限制之前,它仍然可以通过使艾里斑部分重叠来减小小范围内的对比度(或局部对比度)。

视觉示例:孔径 VS. 像素大小

艾里斑的大小主要是对像素大小有影响。以下交互式工具显示单个艾里斑相对于几个相机型号的像素大小:

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 APERTURE VS. PIXEL SIZE

注意:以上艾里斑将显得比其规定的直径更窄(因为这是由到达其第一最小值而不是由可见的内部亮区定义的)。

由于受相机的抗混叠滤波器(以及上面提到的的瑞利准则)的影响,艾里斑可以在达到衍射极限分辨率(假设镜头在其他方面是完美的)之前具有约2-3个像素的直径大小。然而,衍射在达到该直径之前可能已经具有视觉影响。

作为两个例子,佳能EOS 20D在f / 11左右开始显示衍射影响,而佳能PowerShot G6直到f / 5.6才开始显示衍射效果。另一方面,佳能PowerShot G6不需要像EOS 20D那样小的孔径,便可实现相同的景深(由于其更小的像素尺寸尺寸2.3 µm vs. 6.4 µm)。

由于艾里斑的尺寸还取决于光的波长,所以三原色中的每一种将在不同的孔径处达到其衍射极限。上述计算假设可见光谱中间(〜550nm)的光。典型的数字单反相机可以捕获波长在450到680 nm之间的光,因此最好的艾里斑的直径为上述尺寸的80%(对于纯蓝光)。

另一个复杂性是使用拜耳阵列滤波器(Bayer Array Filter)的传感器将绿色像素数量分配为红色或蓝色两倍,然后通过内插算法(去马赛克Demosaicing)还原成最终的全彩色图像。这意味着,当接近衍射极限时,第一个迹象是绿色和像素级亮度的分辨率损失。蓝光需要最小的光圈(最高f-stop),才由于衍射而降低其分辨率。

它看起来像什么

虽然上述图表有助于给出衍射概念的感觉,但只有现实世界的摄影可以显示其视觉效果。用佳能EOS 20D上拍摄出以下系列图像, 通常在光圈差为f/11左右时表现出衍射软化效果。

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f/8.0 f/11 f/16 f/22

 

请注意,我们可以看到面料上的线在f / 11时仍然清晰可见,但是小范围对比度或锐度有轻微降低(特别是面料上的线非常接近的地方)。这是因为艾里斑仅部分重叠,类似于交替的黑白艾里斑的对相邻行的影响(如下图所示)。在f / 22,几乎所有的细线已经平滑了,因为艾里斑比这个细节更大。

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 No Overlap of Airy Disks
 Partial Overlap of Airy Disks

 

计算衍射极限

下面的表格计算艾里斑的大小,并评估相机是否被衍射限制。点击“显示高级”定义一个自定义的弥散圆(CoC,Circle of Confusion),或查看像素大小的影响。

differection_limit_calculator

注意:CF (Crop Factor) =“焦距转化率”(通常称为焦距乘数);假设为正方形像素,紧凑数字相机画面长宽比为4:3,数字单镜头反光相机长宽比3:2。 *计算器假定您的相机传感器使用典型的拜耳阵列滤波器(Bayer Array Filter)。

当艾里斑的直径超过从一英尺看8×10英寸打印照片通常可分辨的直径时,该计算器将显示相机开始受到衍射限制。点击“显示高级”更改达到此限制的条件。 点击“根据像素设置弥散圆”复选框表示衍射很可能在计算机上100%可见。有关每个输入设置的进一步说明,还请参阅景深计算器

实际上,衍射极限不一定引起突变;实际上在衍射是和不可见之间存在逐渐的过渡。此外,该限制仅仅是在使用使用一个在其他方面完美的镜头时的最佳情况;现实世界的结果可能会有所不同。

在现实世界摄影中需要注意的

即使当相机系统接近或刚刚超过其衍射极限时,其他因素诸如聚焦精度,运动模糊和不完美镜头等也可能更重要。因此,只有在使用坚固的三脚架,反光镜锁定和非常高质量的镜头时,衍射才会限制总锐度。

如果你愿意在焦平面上牺牲锐度来换取景深之外的锐度,那么一些衍射通常也是可以的。或者,可能需要非常小的孔径以实现足够长的曝光,例如用流动的水引起运动模糊。换句话说,衍射只是在选择曝光设置时需要注意的事情,类似于如何平衡其他权衡,如噪声(ISO)和快门速度。

这不应该导致你认为“更大的孔径更好”,即使非常小的孔径创建一个柔和的图像;大多数镜头在使用大开时(在最大可用光圈处)也相当柔和。相机系统通常在最大和最小孔径之间有一个最佳孔径;对于大多数镜头,最佳锐度通常接近衍射极限,但是对于一些透镜,这可能甚至在衍射极限之前发生。这些计算只显示当衍射变得显著时的条件,但不一定是最佳锐度的位置(参见相机镜头质量:MTF,分辨率和对比度更多详情)。

较小的像素会更差?不一定。只是因为已经达到衍射极限(具有大像素)不一定意味着图像比使用更小的像素(并且超过极限)更差;两种情况仍然具有相同的总分辨率(即使较小的像素产生较大的文件)。然而,具有较小像素的相机将具有较少伪像(诸如摩尔纹和混叠)的照片渲染。较小的像素也给予更多的创造灵活性,因为如果使用较大的孔径可行的话(例如当景深可以较浅时),这样可以产生较高的分辨率。另一方面,当考虑诸如噪声和动态范围等其他因素时,“小对大”像素辩论变得更复杂…

技术说明:焦距的独立性由于长焦镜头的孔径物理尺寸较大(f / 4在200 mm处直径为50 mm,在100 mm处直径仅为25 mm),为什么艾里斑不变得更小?这是因为较长的焦距也导致光在撞击相机传感器之前移动更远的距离 – 从而艾里斑可以继续发散。因此,较大孔径和较长焦距的竞争效果被抵消,只剩下f数(描述焦距相对于孔径尺寸的大小)重要。

以上内容原文出自Cambridge in Colour ,由上海艾歌光电科技有限公司翻译,转载请注明。

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