Qu'est-ce qu'une "limite de diffraction"?

J'ai vu le terme utilisé, mais qu'est-ce qu'une "limite de diffraction", quand devrais-je m'en inquiéter et quels en sont les effets indésirables?

Il y a eu de très bonnes réponses, mais il y a quelques détails qui n'ont pas été mentionnés. Premièrement, la diffraction a toujours lieu, à chaque ouverture, lorsque la lumière s’incline autour des bords du diaphragme et crée un " disque aéré ". La taille du disque aérien et la proportion du disque qui comprend les anneaux externes, ainsi que l'amplitude de chaque onde dans les anneaux externes, augmentent à mesure que l'ouverture diminue (l'ouverture physique diminue). Whuber a mentionné dans sa réponse:

Imaginez une scène composée de nombreux petits points de lumière discrets.

Vous réalisez que chacun de ces points de lumière, une fois focalisé par votre objectif, génère son propre disque aérien sur le support de formation d'image.

Concernant l'image moyenne

Il convient également de noter que la limite de diffraction n’est pas réellement une limitation d’une lentille. Comme indiqué ci-dessus, les objectifs créent toujours un motif de diffraction. Seuls le degré et l'étendue de ce motif changent lorsque l'objectif est arrêté. La "limite" de diffraction est fonction du support d'imagerie. Un capteur avec des photosites plus petits, ou un film avec un grain plus petit, aura une limite de diffraction plus basse que ceux avec des photosites / grains plus gros. Cela est dû au fait qu'un plus petit photosite couvre moins de la zone du disque aérée qu'un plus grand photosite. Lorsque le disque aéré augmente en taille et en intensité au fur et à mesure que l'objectif est arrêté, il affecte les photosites voisins.

La limite de diffractionC’est le point où les disques aérés deviennent suffisamment gros pour qu’ils commencent à affecter plus d’un seul site de photos. Une autre façon de voir les choses est lorsque les disques aérés de deux sources lumineuses ponctuelles pouvant être résolues par le capteur commencent à fusionner. À une large ouverture, deux sources de lumière ponctuelles imagées par un capteur peuvent n’affecter que les photosites voisins. Lorsque vous fermez l’ouverture, le disque aéré généré par chaque source de lumière augmente au point où les anneaux extérieurs de chaque disque aéré commencent à se fondre. C'est le point où un capteur est "limité par la diffraction", puisque les sources de lumière ponctuelles individuelles ne se résolvent plus en un seul site de photosite ... elles sont en train de fusionner et de couvrir plus d'un site. Le point où le centre de chaque disque aéré se confond est la limite de résolution, et vous ne pourrez plus résoudre les détails les plus fins quelle que soit l'ouverture utilisée. C'est la fréquence de coupure de diffraction.

Il convient de noter qu’un objectif peut résoudre un point plus petit que les pixels d’un support d’imagerie. C'est le cas lorsque des disques aérés focalisés par une lentille ne couvrent qu'une fraction d'un photosite. Dans ce cas, même si deux sources lumineuses ponctuelles hautement résolues génèrent des disques aérés qui se confondent sur un seul site de photosite, le résultat final sera le même ... le capteur ne détectera qu'un seul point lumineux, quelle que soit l'ouverture. La "limite de diffraction" d'un tel capteur serait plus élevée (par exemple, f / 16) que pour un capteur capable de résoudre distinctement les deux sources de lumière ponctuelles (qui pourrait être limitée par la diffraction à f / 8). Il est également possible et probableces sources de lumière ponctuelles NE seront PAS parfaitement focalisées sur le centre d'un site de photos. Il est tout à fait plausible qu'un disque aérien soit focalisé à la frontière entre deux photosites, ou à la jonction de quatre photosites. Dans un capteur noir et blanc ou un capteur foveon (couleurs empilées), cela ne ferait qu’atténuer. Dans un capteur de couleur, où une jonction carrée de 4 photosites capturera un motif alterné de couleurs GRGB, un disque aéré peut affecter la couleur finale rendue par ces 4 photosites et provoquer un ramollissement ou une résolution incorrecte.

Mon Canon 450D, un capteur 12.2mp APS-C, a une limite de diffraction de f / 8.4. En revanche, le capteur Canon 5D Mark II, capteur plein format de 21,1mp, a une limite de diffraction de f / 10.3. Le plus grand des capteurs, bien qu’il ait près de deux fois plus de mégapixels, peut faire une pause supplémentaire avant de rencontrer sa limite de diffraction. En effet, la taille physique des photosites sur le 5D II est supérieure à celle du 450D. (Un bon exemple de l'un des nombreux avantages des capteurs plus grands.)

Clés dans le mélange

Vous pouvez souvent rencontrer des tableaux sur Internet qui spécifient une ouverture spécifique limitée par diffraction pour des formats spécifiques. Je vois souvent que f / 16 est utilisé pour les capteurs APS-C et f / 22 pour Full Frame. Dans le monde numérique, ces chiffres sont généralement inutiles. L'ouverture limite de diffraction (DLA) est finalement fonction du rapport entre la taille d'un point de lumière focalisé (y compris le motif du disque aéré) et la taille d'un seul élément capteur de lumière sur un capteur. Pour toute taille de capteur donnée, APS-C ou Full Frame, la limite de diffraction changera en fonction de la taille des photosites. Un exemple de ceci peut être vu avec la gamme d'appareils photo EOS Rebel de Canon au fil des ans:

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

L'histoire doit être similaire pour la taille du grain du film. Les films avec un grain plus fin seraient finalement plus susceptibles de se ramollir par diffraction aux ouvertures inférieures que les films avec des grains plus gros.

La fréquence de coupure de diffraction

La diffraction est souvent présentée comme un destructeur d'image et les gens parlent de la "limite de diffraction" comme étant le point où il n'est plus possible de résoudre une image "utilement". Au contraire, la limite de diffraction n'est que le point où la diffraction commence à affecter une image pour le support d'image que vous utilisez. La fréquence de coupure de diffraction est le point auquel une netteté supplémentaire est impossible pour une ouverture donnée. Il s'agit bien d'une fonction de l'objectif et de l'ouverture physique.

La formule de la fréquence de coupure de diffraction pour les systèmes optiques (parfaits) est la suivante:

fc = 1 / (λ * f #) cycles / mm

Ceci indique que l'inverse de la longueur d'onde de la lumière focalisée multiplié par le nombre f de la lentille est le nombre de cycles par millimètre pouvant être résolus. La fréquence de coupure de diffraction est généralement le point où la résolution atteint la longueur d'onde des fréquences de la lumière elle-même. Pour la lumière visible, λ entre 380 et 750 nm, ou 0,38 à 0,75 microns. Jusqu'à ce que la fréquence de coupure soit atteinte pour une ouverture donnée, une résolution plus importante peut être obtenue.

Exemples visuels

La séquence d'images de Whubers ci-dessus est un bon exemple de l'effet de la diffraction, ainsi que de l'effet des aberrations optiques lorsque la lentille est grande ouverte. Je pense qu’il souffre d’un léger décalage de la mise au point dû à l’aberration sphérique; j’ai donc créé un fichier GIF animé qui montre les effets du changement de l’ouverture d’un objectif Canon 50 mm f / 1.4, de son ouverture la plus large à son plus étroite, en butée complète. .

(Remarque: L’image est grande, 3,8 mégawatts, alors laissez-la entièrement télécharger pour voir la comparaison de netteté à chaque arrêt.) L’image montre une aberration optique marquée lorsqu’elle est grande ouverte, en particulier l’aberration chromatique et certaines aberrations sphériques une légère frange pourpre ... J'ai essayé de me concentrer complètement.) Arrêté à f / 2, le CA est considérablement réduit. De f / 2,8 à f / 8, la netteté est optimale et f / 8 est idéal. À f / 11, la netteté diminue légèrement, à cause de la diffraction . À f / 16 et particulièrement f / 22, la diffraction affecte visiblement la netteté de l'image. Notez que même avec le flou de diffraction, f / 22 est toujours beaucoup plus net que f / 1,4 ou f / 2.

Imaginez une scène composée de nombreux petits points de lumière discrets . Un objectif est censé convertir chaque point en un autre à un endroit approprié de l'image. La diffraction provoque la propagation de chaque point selon un motif en forme d’onde circulaire, le disque d’Airly . Le diamètre du disque est directement proportionnel au nombre f: c'est la " limite de diffraction ".

Au fur et à mesure que le nombre f augmente de son minimum (objectif grand ouvert), la lumière qui tombe en un point de l'image provient d'une région plus étroite de l'objectif. Cela tend à rendre l'image plus nette. À mesure que le nombre-f augmente, les disques Airy deviennent plus grands. À un moment donné, les deux effets s’équilibrent pour obtenir l’image la plus nette. Ce point se situe généralement entre f / 5,6 et f / 8 sur les appareils photo reflex. Avec des valeurs d'ouverture plus petites, les propriétés globales de l'objectif (ses aberrations) prennent le dessus pour rendre une image plus douce. Avec des nombres plus grands, la douceur est dominée par l’effet de diffraction.

Vous pouvez mesurer ceci raisonnablement bien avec vos propres lentilles et sans équipement spécial . Montez l'appareil photo sur un trépied devant une cible plate nette, détaillée et bien éclairée, très contrastée. (J'ai utilisé une page d'un magazine; cela a bien fonctionné.) Utilisez vos meilleurs réglages: ISO le plus bas, exposition correcte, verrouillage du miroir, distance focale moyenne pour un objectif zoom (ou modification de la distance focale également), distance moyenne, parfaitement en bref, format RAW. Prenez une série de photos dans lesquelles vous ne faites varier que le f / arrêt et le temps d'exposition (pour maintenir l'exposition constante). Regardez la séquence d'images à 100% sur un bon moniteur: vous verrez où se trouve le "point idéal" de votre appareil photo et vous verrez les effets de l'utilisation d'ouvertures plus larges ou plus étroites.

La séquence suivante est extraite d’une série d’objectifs Canon 85 mm f / 1.8, qui est très bonne. De haut en bas, 100% des cultures (converties en JPEG de haute qualité pour affichage Web) à f / 1,8, 2,8, 5,6, 11 et 22. Vous pouvez voir les effets croissants de la diffraction à f / 11 et f / 22 po les deux images du bas. Notez que pour cet objectif particulier utilisé avec cet appareil photo particulier (EOS T2i, un capteur APS-C), la douceur de la diffraction à des valeurs numériques élevées ne s'approche pas de la douceur vue avec l'objectif grand ouvert. Avoir des informations comparables pour vos propres objectifs, qui peuvent être obtenues en quelques minutes, peut être utile pour choisir les paramètres d'exposition dans les photos importantes.

f / 1.8

f / 2,8

f / 5,6

f / 11

f / 22

La diffraction arrive. C'est un fait de la vie. Lorsque les objectifs sont utilisés à pleine ouverture, les autres aberrations sont trop importantes pour que vous remarquiez une perte de netteté mineure due à la diffraction. Arrêtez-vous un peu, et ces aberrations sont réduites au minimum - l'objectif semble simplement aller de mieux en mieux. Est là Diffraction, mais vous ne remarquez pas vraiment encore parce que la lumière qui ne passe pas à proximité des bords outvotes de manière significative la lumière qui est passe d' obtenir un peu trop près des lames d'ouverture.

À un moment donné, lorsque vous arrêtez l'objectif, les gains que vous réalisez en éliminant les différences optiques entre le centre et les parties extérieures des éléments de l'objectif commencent à s'estomper - il n'y a plus assez de lumière parfaitement focalisée pour noyer la sortie. image de mise au point provoquée par la flexion de la lumière autour des bords du chemin optique (diffraction). La lentille ne s'améliorera plus lorsque vous vous arrêterez: trop de lumière est diffractée par rapport à la lumière qui passe au milieu. À partir de ce moment, l’arrêt rendra l’image plus douce.

Le point auquel l'objectif est arrêté aussi loin que possible sans augmenter le flou est la limite de diffraction. Sur certains objectifs, vous pouvez vous arrêter - Nikon, par exemple, a traditionnellement conservé une ouverture minimale relativement large (f / 16) sur nombre de leurs modèles. Sur d'autres objectifs (macros en particulier), il est possible que vous disposiez encore de plusieurs arrêts ou plus. Les considérations de profondeur de champ peuvent être plus importantes que la netteté absolue dans certaines applications.

Toute la photographie est un compromis. Il peut arriver que vous souhaitiez vous arrêter plus loin que l'optimum, mais il est utile de prendre conscience des compromis que vous faites. S'arrêter est une réponse facile à la DOF, mais si vous êtes accro à des paysages et que vous les prenez tous à f / 22 ou f / 32, il est peut-être temps de jeter un coup d'œil sur un objectif inclinaison / décalage.

Alors que les réponses déjà décrites ici décrivent bien la diffraction . La limite de diffraction est le plus souvent utilisée pour décrire le point auquel arrêter votre objectif ne vous donne pas plus de détails sur la taille en pixels du capteur de votre appareil photo.

Lorsque vous avez atteint la limite de diffraction de votre appareil photo, TOUTE lentille arrêtée au-delà de cette ouverture vous donnera des résultats plus doux. Il est directement lié à la taille des pixels individuels, pas à la taille du capteur.

Sur les reflex numériques modernes, la limite de diffraction sera atteinte entre F / 11 et F / 16. Sur les caméras avec de petits capteurs, il peut être de F / 8 ou même moins. Vous remarquerez que la plupart des petites caméras n'utilisent pas d'ouvertures plus petites que F / 8 pour cette raison même. Certains utilisent même une ouverture fixe (F / 3.5 ou plus) et simulent moins de lumière entrant en glissant un filtre ND au lieu de s'arrêter. Malheureusement, ils ont en fait placé le diaphragme F simulé dans le fichier EXIF. Vous devez donc connaître l'appareil photo pour savoir qu'il utilise un filtre ND plutôt qu'une ouverture normale.

Cette page du site Cambridge In Color contient une explication technique détaillée de la limite de diffraction. Il dispose également d'un calculateur en ligne permettant de vérifier si une combinaison particulière d'ouverture, d'appareil photo, de taille d'impression et de distance de visualisation est limitée par la diffraction ou non.

Réponse courte…

La limite de diffraction est le plus petit point qu'un système de lentille puisse créer / résoudre / mettre au point.

Agitation des bras: Les objectifs peuvent focaliser la lumière sur un petit point mais pas sur un point. La taille du point peut varier avec la longueur d'onde, les longueurs d'onde courtes formant des tailles de point plus petites que les plus longues. Lorsqu'une très bonne lentille sans aberration (limitée par la diffraction) est utilisée, la lumière collimatée produira un disque aéré servant de tache au foyer. Un disque aéré est toujours le plus petit point qui peut être produit avec cette lentille à cette ouverture avec cette longueur d'onde (en utilisant une lumière collimatée). Les grandes ouvertures produisent des points plus petits avec une mise au point plus précise et une profondeur de mise au point réduite par rapport aux petites ouvertures.

Notez que vous ne pouvez pas produire un disque aéré avec une scène illustrée. La lumière collimatée ne forme pas une image.

Whoa, Arrêtez-vous là - bas : Les grandes ouvertures numériques produisent des spots plus petits, cela a du sens si vous considérez que dans la formule, l'ouverture est utilisée comme valeur réciproque. La dispersion joue également un rôle ici.

La limite de diffraction est la limite maximale de netteté d'une lentille due aux lois de la physique. Fondamentalement, vous ne pouvez obtenir une photo plus nette, quel que soit le nombre de pixels de votre appareil photo ou la perfection du système optique.

L'effet indésirable se produit lorsque vous définissez un zoom supérieur à celui que la limite de diffraction permet, et qu'une photo ne devient pas plus nette, mais plus grande. Cela se produit souvent dans les télescopes et les microscopes. C'est aussi la raison pour laquelle les microscopes électroniques sont utilisés à la place de l'optique, car les optiques ne peuvent pas voir clairement plus nette que X.

Les liquides d'immersion permettent d'augmenter la limite pour prendre des photos de résolution supérieure en microscopie optique.