Was ist eine „Beugungsgrenze“?

Ich habe den verwendeten Begriff gesehen, aber was ist eine "Beugungsgrenze", wann sollte ich mir darüber Gedanken machen und welche unerwünschten Effekte sind die Folge?

Es gab einige sehr gute Antworten, es gibt jedoch einige Details, die nicht erwähnt wurden. Erstens tritt bei jeder Öffnung eine Beugung auf, wenn sich das Licht um die Ränder der Blende biegt und eine " Luftscheibe " erzeugt. Die Größe der luftigen Scheibe und der Anteil der Scheibe, die die äußeren Ringe enthält, sowie die Amplitude jeder Welle in den äußeren Ringen nehmen mit abnehmender Blende zu (die physikalische Blende wird kleiner.) Wenn Sie sich dem Fotografieren in nähern die Art und Weise, wie Whuber in seiner Antwort erwähnte:

Stellen Sie sich eine Szene vor, die aus vielen kleinen diskreten Lichtpunkten besteht.

Sie erkennen, dass jeder dieser Lichtpunkte, wenn er von Ihrem Objektiv fokussiert wird, eine eigene luftige Scheibe auf dem Abbildungsmedium erzeugt.

In Bezug auf Bildmedium

Es sollte auch klar darauf hingewiesen, dass die Beugungsgrenze nicht tatsächlich eine Begrenzung einer Linse ist. Wie oben erwähnt, erzeugen Linsen immer ein Beugungsmuster, nur der Grad und das Ausmaß dieses Musters ändern sich, wenn die Linse angehalten wird. Die "Grenze" der Beugung ist eine Funktion des Abbildungsmediums. Ein Sensor mit kleineren Photosites oder ein Film mit kleineren Körnungen hat eine niedrigere Beugungsgrenze als ein Sensor mit größeren Photosites / Körnungen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine kleinere Photosite weniger Luftfläche als eine größere Photosite einnimmt. Wenn die Größe und Intensität der luftigen Scheibe beim Herunterfahren eines Objektivs zunimmt, wirkt sich die luftige Scheibe auf benachbarte Fotoseiten aus.

Die BeugungsgrenzeDies ist der Punkt, an dem luftige Festplatten groß genug werden, um mehr als eine einzelne Fotoseite zu beeinträchtigen. Eine andere Betrachtungsweise ist, wenn die luftigen Scheiben von zwei vom Sensor auflösbaren Punktlichtquellen zu verschmelzen beginnen. Bei einer großen Apertur können zwei von einem Sensor abgebildete Punktlichtquellen nur einzelne benachbarte Fotoseiten beeinflussen. Wenn die Blende geschlossen wird, wächst die von jeder Punktlichtquelle erzeugte luftige Scheibe bis zu dem Punkt, an dem die äußeren Ringe jeder luftigen Scheibe zu verschmelzen beginnen. Dies ist der Punkt, an dem ein Sensor "beugungsbegrenzt" ist, da einzelne Punktlichtquellen nicht mehr auf eine einzelne Fotoseite aufgelöst werden ... sie verschmelzen und bedecken mehr als eine Fotoseite. Der Punkt, an dem die Mitte jeder luftigen Scheibe verschmilzt, ist die Auflösungsgrenze. und Sie können keine feineren Details mehr auflösen, unabhängig von der verwendeten Blende. Dies ist die Beugungsgrenzfrequenz.

Es ist anzumerken, dass es für eine Linse möglich ist, einen kleineren Punkt der Pixel in einem Abbildungsmedium aufzulösen. Dies ist der Fall, wenn luftige Scheiben, die durch eine Linse fokussiert werden, nur einen Bruchteil einer Photosite bedecken. In diesem Fall ist das Endergebnis dasselbe, selbst wenn zwei hochaufgelöste Punktlichtquellen Luftscheiben erzeugen, die über eine einzelne Fotoseite verschmelzen. Der Sensor erkennt unabhängig von der Blende nur ein einzelnes Punktlicht. Die "Beugungsgrenze" eines solchen Sensors wäre höher (z. B. f / 16) als bei einem Sensor, der beide Punktlichtquellen (die möglicherweise auf f / 8 beugungsbegrenzt sind) deutlich auflösen kann. Es ist auch möglich und wahrscheinlichDiese Punktlichtquellen werden NICHT perfekt auf die Mitte einer Fotoseite fokussiert. Es ist durchaus plausibel, dass eine luftige Scheibe an der Grenze zwischen zwei Fotoseiten oder der Verbindung von vier Fotoseiten fokussiert wird. Bei einem Schwarz-Weiß-Sensor oder einem Foveon-Sensor (gestapelte Farbsensoren) würde dies nur zu einer Erweichung führen. In einem Farb-Bayer-Sensor, bei dem eine quadratische Verbindung von 4 Fotoseiten ein wechselndes Muster von GRGB-Farben erfasst, kann eine luftige Scheibe die endgültige Farbe dieser vier Fotoseiten beeinträchtigen sowie eine Weichzeichnung oder eine falsche Auflösung verursachen.

Mein Canon 450D, ein 12,2-MP-APS-C-Sensor, hat eine Beugungsgrenze von 1: 8,4. Im Gegensatz dazu hat der Canon 5D Mark II, ein 21,1-Megapixel-Vollbildsensor, eine Beugungsgrenze von 1: 10,3. Der größere Sensor kann, obwohl er fast doppelt so viele Megapixel hat, einen zusätzlichen Stopp einlegen, bevor er an seine Beugungsgrenze stößt. Dies liegt daran, dass die physische Größe der Fotoseiten auf der 5D II größer ist als die auf der 450D. (Ein gutes Beispiel für einen der zahlreichen Vorteile größerer Sensoren.)

Schraubenschlüssel in der Mischung

Es kann vorkommen, dass Sie im Internet auf Tabellen stoßen, die eine bestimmte beugungsbegrenzte Blende für bestimmte Formate angeben. Ich sehe oft f / 16 für APS-C-Sensoren und f / 22 für Full Frame. In der digitalen Welt sind diese Zahlen im Allgemeinen unbrauchbar. Die beugungsbegrenzende Apertur (DLA) ist letztendlich eine Funktion des Verhältnisses der Größe eines fokussierten Lichtpunkts (einschließlich des Luftscheibenmusters) zur Größe eines einzelnen Lichtsensorelements auf einem Sensor. Bei jeder Sensorgröße, APS-C oder Vollbild, ändert sich die Beugungsgrenze in Abhängigkeit von der Größe der Fotoseiten. Ein Beispiel hierfür ist die EOS Rebel-Kameraserie von Canon im Laufe der Jahre:

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

Die Geschichte sollte für die Filmkorngröße ähnlich sein. Filme mit feinerem Korn wären letztendlich anfälliger für Beugungserweichung bei niedrigeren Öffnungen als Filme mit größeren Körnern.

Die Beugungsgrenzfrequenz

Beugung wird oft als Bildkiller angepriesen, und die Leute sprechen von der "Beugungsgrenze" als dem Punkt, an dem Sie ein Bild nicht mehr "sinnvoll" auflösen können. Im Gegensatz dazu ist die Beugungsgrenze nur der Punkt , an den Beugungs beginnt ein Bild für das jeweilige Bildmedium beeinflussen Sie verwenden. Die Beugungsgrenzfrequenz ist der Punkt, an dem eine zusätzliche Schärfe für eine gegebene Apertur unmöglich ist, und dies ist in der Tat eine Funktion der Linse und der physikalischen Apertur.

Die Formel für die Grenzfrequenz der Beugung für (perfekte) optische Systeme lautet wie folgt:

fc = 1 / (λ * f #) Zyklen / mm

Dies besagt, dass der Kehrwert der Wellenlänge des fokussierten Lichts multipliziert mit der Blendenzahl der Linse die Anzahl der Zyklen pro Millimeter ist, die aufgelöst werden können. Die Beugungsgrenzfrequenz ist im Allgemeinen der Punkt, an dem die Auflösung die Wellenlänge der Lichtfrequenzen selbst erreicht. Für sichtbares Licht λ zwischen 380-750 nm oder 0,38-0,75 Mikrometer. Bis die Grenzfrequenz für eine bestimmte Blende erreicht ist, kann eine höhere Auflösung erzielt werden.

Visuelle Beispiele

Die obige Whubers-Folge von Bildern ist ein gutes Beispiel für den Effekt der Beugung sowie den Effekt der optischen Aberrationen, wenn die Linse weit geöffnet ist. Ich denke, es leidet ein bisschen unter einer Fokusverschiebung aufgrund von sphärischen Aberrationen. Deshalb habe ich ein animiertes GIF erstellt, das die Auswirkungen der Änderung der Blende eines Canon 50 mm 1: 1,4-Objektivs von der größten Blende in die engste Blende zeigt .

(Hinweis: Das Bild ist groß, 3,8 Megabyte. Lassen Sie es also vollständig herunterladen, um den Vergleich der Schärfe bei jeder Aufnahme zu sehen.) Das Bild weist bei weit geöffneter Aufnahme eine deutliche optische Aberration auf, insbesondere eine chromatische Aberration und eine sphärische Aberration (möglicherweise sind es einige) leichte purpurfarbene Ränder ... Ich habe versucht, mich ganz auf etwas zu konzentrieren. Von Blende 2,8 bis Blende 8 ist die Schärfe am besten, wobei Blende 8 ideal ist. Bei 1: 11 fällt die Schärfe aufgrund der Beugung geringfügig ab . Bei 1: 16 und insbesondere bei 1: 22 beeinflusst die Beugung die Bildschärfe sichtbar. Beachten Sie, dass f / 22 auch bei Beugungsunschärfe noch erheblich schärfer ist als f / 1.4 oder f / 2.

Stellen Sie sich eine Szene vor, die aus vielen kleinen diskreten Lichtpunkten besteht . Ein Objektiv soll jeden Punkt an einer geeigneten Stelle im Bild in einen anderen Punkt umwandeln. Durch Beugung breitet sich jeder Punkt in einem kreisförmigen, wellenförmigen Muster aus, der Airy-Scheibe . Der Durchmesser der Scheibe ist direkt proportional zur Blendenzahl: das ist die " Beugungsgrenze ".

Wenn die Blendenzahl von ihrem Minimum (einer weit geöffneten Linse) erhöht wird, kommt das Licht, das an einem Punkt auf dem Bild fällt, aus einem engeren Bereich der Linse. Dadurch wird das Bild tendenziell schärfer. Wenn die Blendenzahl erhöht wird, werden die Airy-Festplatten größer. Irgendwann gleichen sich die beiden Effekte aus, um das schärfste Bild zu erzielen. Dieser Punkt liegt bei Spiegelreflexkameras normalerweise im Bereich von 1: 5,6 bis 1: 8. Bei kleineren Blendenwerten werden die Gesamteigenschaften des Objektivs (seine Aberrationen) übernommen, um ein weicheres Bild zu erhalten. Bei größeren Blendenzahlen wird die Weichheit vom Beugungseffekt dominiert.

Sie können dies mit Ihren eigenen Objektiven und ohne spezielle Ausrüstung einigermaßen gut messen . Montieren Sie die Kamera auf einem Stativ vor einem scharfen, detaillierten, gut beleuchteten, flachen Ziel mit viel Kontrast. (Ich habe eine Seite aus einer Zeitschrift verwendet; es hat einwandfrei funktioniert.) Verwenden Sie Ihre besten Einstellungen: niedrigste ISO, richtige Belichtung, Spiegelverriegelung, mittlere Brennweite für ein Zoomobjektiv (oder auch Brennweite ändern), mittlere Entfernung, perfekt Im Fokus das RAW-Format. Nehmen Sie eine Fotoserie auf, bei der Sie nur die Blende und die Belichtungszeit variieren (um die Belichtung konstant zu halten). Betrachten Sie die Bildsequenz mit 100% auf einem guten Monitor: Sie werden sehen, wo sich der "Sweet Spot" Ihrer Kamera befindet, und Sie werden die Auswirkungen der Verwendung breiterer oder engerer Blenden sehen.

Die folgende Sequenz stammt aus einer Serie für das Canon 85-mm-1: 1,8-Objektiv, was ziemlich gut ist. Von oben nach unten sind 100% Ausschnitte (konvertiert in hochwertiges JPEG für die Web-Anzeige) bei 1: 1,8, 2,8, 5,6, 11 und 22. Sie können die zunehmenden Auswirkungen der Beugung bei 1: 11 und 1: 22 in sehen die beiden unteren Bilder. Beachten Sie, dass für dieses spezielle Objektiv, das mit dieser speziellen Kamera verwendet wird (EOS T2i, ein APS-C-Sensor), die Beugungsweichheit bei hohen Blendenzahlen nicht der Weichheit entspricht, die bei weit geöffnetem Objektiv zu sehen ist. Mit vergleichbaren Informationen für Ihre eigenen Objektive, die in wenigen Minuten abgerufen werden können, können Sie die Belichtungsparameter für wichtige Fotos auswählen.

f / 1.8

f / 2.8

f / 5.6

f / 11

f / 22

Beugung passiert. Das ist eine Tatsache des Lebens. Wenn Linsen weit geöffnet verwendet werden, sind andere Linsenverzerrungen viel zu auffällig, als dass Sie einen geringfügigen Schärfeverlust aufgrund von Beugung bemerken könnten. Wenn Sie ein wenig nachlassen, werden diese Abberationen minimiert - die Linse scheint immer besser zu werden. Diffraction ist da, aber man weiß immer noch nicht wirklich bemerken , weil Licht , das nicht signifikant an den Rändern vorbei Outvotes das Licht , das ist vorbei ein wenig zu nahe an den Blendenlamellen bekommen.

Irgendwann, wenn Sie das Objektiv anhalten, verschwinden die Vorteile, die Sie erzielen, wenn Sie die optischen Unterschiede zwischen dem mittleren und dem äußeren Teil der Linsenelemente beseitigen. Fokusabbildung durch Lichtbiegung an den Rändern des Strahlengangs (Beugung). Die Linse wird nicht mehr besser, wenn Sie aufhören - zu viel Licht wird gebeugt im Vergleich zu dem Licht, das durch die Mitte fällt. Ab diesem Zeitpunkt wird das Bild durch Anhalten weicher.

Der Punkt, an dem die Linse so weit wie möglich angehalten wird, ohne die Weichheit zu erhöhen, ist die Beugungsgrenze. Bei manchen Objektiven ist das so weit, wie Sie es sich vorstellen können - Nikon zum Beispiel hat bei vielen ihrer Designs traditionell eine relativ große Mindestblende (1: 16) beibehalten. Bei anderen Objektiven (insbesondere bei Makros) stehen Ihnen möglicherweise noch ein paar oder mehr Blenden zur Verfügung. Überlegungen zur Schärfentiefe sind in einigen Anwendungen möglicherweise wichtiger als die absolute Schärfe.

Die gesamte Fotografie ist ein Kompromiss. Es mag Zeiten geben, in denen Sie weiter als bis zum Optimum aufhören möchten, aber es ist hilfreich, sich der Kompromisse bewusst zu sein, die Sie eingehen. Das Stoppen ist eine einfache Antwort auf DOF, aber wenn Sie sich in Landschaften verlieben und sie alle mit 1: 22 oder 1: 32 aufnehmen, ist es möglicherweise an der Zeit, sich ein Tilt / Shift-Objektiv anzusehen.

Während die Antworten bereits hier Beugung gut beschreiben . Die Beugungsgrenze wird am häufigsten verwendet, um den Punkt zu beschreiben, an dem das Abstellen des Objektivs keine weiteren Details in Bezug auf die Pixelgröße des Kamerasensors liefert.

Wenn Sie die Beugungsgrenze Ihrer Kamera erreicht haben, liefert JEDES Objektiv, das hinter dieser Blende gestoppt ist, weichere Ergebnisse. Es hängt direkt mit der Größe der einzelnen Pixel zusammen, nicht mit der Sensorgröße.

Bei modernen DSLRs liegt die Beugungsgrenze zwischen F / 11 und F / 16. Bei Kameras mit kleinen Sensoren kann es sich um F / 8 oder sogar weniger handeln. Sie werden feststellen, dass die meisten winzigen Kameras aus diesem Grund keine Blenden kleiner als F / 8 verwenden. Einige verwenden sogar eine feste Blende (F / 3.5 oder so) und simulieren weniger Lichteinfall, indem sie einen ND-Filter einsetzen, anstatt die Blende herunterzufahren. Leider haben sie tatsächlich die simulierte Blendenstufe in das EXIF ​​eingefügt, sodass Sie die Kamera kennen müssen, um zu erkennen, dass ein ND-Filter anstelle einer normalen Blende verwendet wird.

Diese Seite auf der Cambridge In Color-Website enthält eine detaillierte technische Erläuterung der Beugungsgrenze. Es gibt auch einen Online-Rechner, mit dem überprüft werden kann, ob eine bestimmte Kombination aus Blende, Kamera, Druckgröße und Betrachtungsabstand beugungsbegrenzt ist oder nicht.

Kurze Antwort…

Die Beugungsgrenze ist der kleinste Punkt, den ein bestimmtes Linsensystem erzeugen / auflösen / fokussieren kann.

Armwinken: Objektive können das Licht auf einen kleinen Punkt fokussieren, aber nicht auf einen Punkt. Die Punktgröße kann mit der Wellenlänge variieren, wobei kurze Wellenlängen kleinere Punktgrößen bilden als längere. Wenn eine sehr gute, aberrationsfreie (beugungsbegrenzte) Linse verwendet wird, erzeugt kollimiertes Licht eine luftige Scheibe als Fleck im Fokus. Eine luftige Scheibe ist immer noch der kleinste Fleck, der mit dieser Linse bei dieser Apertur mit dieser Wellenlänge erzeugt werden kann (unter Verwendung von kollimiertem Licht). Größere Blenden erzeugen kleinere Fleckengrößen mit engerer Schärfe und geringerer Schärfentiefe als kleinere Blenden.

Beachten Sie, dass Sie mit einer Bildszene keine luftige Diskette produzieren können. Kollimiertes Licht erzeugt kein Bild.

Whoa, genau dort anhalten : Größere numerische Aperturen erzeugen kleinere Punkte. Dies ist sinnvoll, wenn Sie berücksichtigen, dass in der Formel die Apertur als Kehrwert verwendet wird. Auch hier spielt die Dispersion eine Rolle.

Die Beugungsgrenze ist die maximale Schärfegrenze einer Linse aufgrund physikalischer Gesetze. Grundsätzlich können Sie kein schärferes Foto erhalten, egal wie viele Pixel Ihre Kamera hat oder wie perfekt das optische System ist.

Der unerwünschte Effekt ist, wenn Sie den Zoom größer einstellen, als es die Beugungsgrenze zulässt, und ein Foto nicht schärfer wird, sondern nur größer. Dies geschieht häufig in Teleskopen und Mikroskopen. Dies ist auch der Grund, warum elektronische Mikroskope anstelle von optischen verwendet werden, da die optischen nicht klar schärfer als X sehen können.

Immersionsflüssigkeiten ermöglichen es, die Grenze zu erhöhen, um Fotos mit höherer Auflösung in der optischen Mikroskopie zu erstellen.