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什么是透镜衍射?

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摄影师使用小光阑获得宽阔的景深.但是较小的孔径导致一些问题,例如镜头衍射。

镜头衍射导致照片在小孔中失去锐度。那么我们可以对镜头衍射做些什么?阅读以了解并获得图像中的最大清晰度!

关闭照相机孔径

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衍射是什么?

衍射是一种影响各种波的物理现象。你可以在液体、声波和光中观察到它。你总是会遇到它,即使它并没有引起你的注意。

当波浪在途中遇到障碍时,他们的行为会发生变化。屏障可以是狭缝,或者它可以是单个物体。

这里,我们观察的是狭缝的例子。(稍后你将把它应用到相机的光圈上。)

透镜衍射中波通过一个大开口和一个小开口的示意图

开始弯曲的开始。根据与波长相比狭缝的尺寸,该弯曲的尺寸可以变化。如果狭缝很宽,那就没有太大了。

如果开口与波长相当,则衍射将以更大的相对比例发生。

我们模拟了这种行为的变化,就好像在狭缝的线上产生了新的波一样。沿着这条线,新的海浪开始向不同的方向扩散。这种程度的变化取决于缝隙的大小。

圆形传播波的想法及其物理解释称为惠尼斯原则。

波浪然后干扰,这导致波浪强度的差异。他们在其他地方互相取消在其他地方。透镜衍射中波的干涉图

如果我们沿着平行于狭缝的直线观察这些加和消,就会得到一个图案。在中间,有很强的波浪。

然后,重复添加和取消,幅度向外减小。这将继续,直到模式变得无法区分。

最壮观的例子是衍射

看看下面的图片。

你可以看到一个狭缝,大小与水的波长相当。衍射非常明显。我们在紫色的长线处观察波浪的强度。

它们在缝隙的中间最密集。随后出现了波的衰减。然后,对河流边缘的干扰程度逐渐降低。

这个图案,用橙色表示,叫做通风模式

在海岸景观照片上的通风强度模式
强度的Airy模式。来自维基百科的原始图像

光的衍射

水的例子是二维。但是衍射也发生在三维情况下。对于我们,摄影师,这是重要的光的衍射。

当光穿过狭缝时,就会衍射。在摄影中,孔径狭缝的大小远远大于光的波长。这甚至适用于狭窄的设置,如f/32。

所以,光线不会过度弯曲,但仍然会造成问题。

现代相机的像素都很小。事实上,它们是如此的微小,以至于它们的大小通常只比可见光的波长大一个量级。

这意味着,即使光线衍射不大,其影响也是显而易见的。

我们将回到确切的数字,但首先,让我们看看当光通过狭缝时会发生什么。

在这个例子,将红色激光投射到传感器上通过90微米的孔。

请记住,90微米比任何镜头都能小得多。这种大小有助于更好地可视化效果。在50毫米镜头上,它将制作F / 550孔径。

你可以看到艾里图案,但这里是二维的。最强的部分在中间,波浪在那里叠加。这对取消和求和是订单——下面有27个订单。

这种二维通风模式称为通风盘。

“一个真正的艾里盘是由一束红色激光束穿过一个90微米的针孔孔,经过27阶透镜衍射而形成的。”
“通过将红色激光束通过90微米的针孔孔,具有27个衍射偏差,”创建了一个真正的通风盘。“

镜头衍射如何影响你的摄影?

衍射影响日常摄影。

取决于像素间距的相机传感器,透镜衍射会限制图像的分辨率。

它经常在高f止损时引起问题。在一些设备中,例如,高像素的紧凑型相机,你可能开始看到它的f-stops低至f/3.5。

当你把镜片放下时,镜片衍射的效果就会越来越明显。

衍射限制分辨率。无论你的镜头有多好,它总是如此。在此(简化)公式中提供了这一点:

P =(1.22λa)/ 2

在这里,p是能从镜头接收像素级信息的最小像素间距。λ是进入光的波长,和一个是f / stop。

让我们用iPhone XR的摄像头来计算。它有一个1200万像素的传感器,1.3微米的像素间距。它的光圈是固定的f/1.8。

可见光的波长为约0.5μm。

P =(1.22 *0.5μm* 1.8)/ 2

所结果的p1.1µm

如果两个物体在传感器上彼此靠近p,它们会混合在一起。它们无法被分辨出来,无论像素有多密集。

这意味着iPhone XR(1.3µm像素间距)非常接近衍射限制。

所以,即使镜头是光学的,没有所有像差,它也在它的峰值。它无法容纳较小的像素。

拿另一个例子。

在f/16处,结果p7.3µm。这意味着像素间距在这个值附近的相机只会受到高于f/16的衍射的影响。

因此,在F / 16之后,原始5D具有其8μm像素间距的衍射限制。

这与我的经历一致。当我使用原来的佳能5d时,即使使用F / 16也会消失,而不会降低锐度。在这一点5D MkIII和MkIV相机,更像是f/11和f/9。

看看我用佳能5d mkiv,佳能100mm f/2.8L IS微距镜头.两张照片的焦距都很好;这种软化是由于透镜的衍射。

动画GIF显示透镜衍射对分辨率的影响
镜片衍射对分辨率的影响

找到最锋利的孔径

你可能已经知道,你把镜头停得越低,得到的图像就越清晰。你可能会感到震惊,这个原则部分是错误的。

真相是介于两者之间的——在所有方面。

如果您使用它们广泛,镜头遭受球面畸变以及潜在的设计问题。他们的明显锐度较低,因为浅的景深

如果你让它们停止太多,它们就会受到衍射的影响。

数码单反相机mirrorless镜片,你会发现尖锐的孔径通常比最大孔径高2-3。

在佳能50mm f / 1.8 II(通常称为漂亮的五十)镜头,它在f / 4周围。我的佳能24mm f / 1.4镜头不会超过f / 2.8的锐利。

测试你的镜头,了解它在不同光圈的行为。

景深和透镜衍射

请记住,您可能仍然想要使用狭窄的孔径在某些情况下。

如果您需要保持大部分场景,则停止下降通常是最简单的方法。风景摄影师通常必须在F / 16之外拍摄。

这样,景深将会更大,从而产生看起来更清晰的图像。完美对焦的部分不会像f/8时那么清晰,但是更多的场景将是几乎一样锋利。

一种同时获得大景深和最高锐度的技术叫做焦点叠加。

这是一个非常细致的过程,有一定的局限性,但却能产生很好的结果。为了做到完美,你需要拍摄一系列完全稳定的对象的图像,使用三脚架

您逐步更改镜头之间的焦点,从最接近最远的主题中覆盖所有内容。稍后,您将它们与编辑器组合在一起,例如,Photoshop.

照相机镜头的特写
摄影:Samer Daboul from Pexels

结论

镜头衍射是一个令人困惑的话题,但你可以看到它在图像上的效果。当你拍摄你的场景时,值得了解这一点。

透镜衍射总是存在的。如果你不小心,你的图像就会失去清晰度。

一旦你看到了透镜衍射,了解了它是如何工作的,它将成为你在摄影中处理它的第二天性。

想要了解更多很棒的技巧,请查看我们的帖子相机传感器尺寸减少模糊或拍摄较大的孔下一个!

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