当摄影师谈论镜头衍射时,他们指的是一张照片在小的时候逐渐变得不那么清晰孔径值- f/16, f/22,等等。当你把镜头缩小到这么小的光圈时,你照片中最好的细节就会开始模糊。有充分的理由,这种效果会让初学者感到担忧。然而,如果你了解衍射是如何影响你的照片的,你就可以做出明智的决定,并在该领域拍摄出尽可能清晰的照片。在这篇文章中,我们将详细探讨透镜衍射的主题,并讨论可以用来避免它的不同技术。
衍射的影响-你的锐度在越来越小的光圈下下降-如下面的比较所示。请记住,这些都是相当极端的作物:
发生这种情况的原因是基于物理原理;简而言之,随着光圈越来越小,光波的扩散和相互干扰越来越多。这会导致照片的小细节变得模糊。
然而,这种解释过于简单,对于初学者来说仍然会感到困惑。物理上是什么引起衍射?衍射在什么时候开始使你的照片模糊?有什么方法可以防止衍射吗?昂贵的透镜能更好地控制衍射吗?下面将深入解释所有这些问题的答案。
目录
衍射是什么?
在解释衍射时,很难在避免和包含光学物理学的参考之间徘徊。大多数摄影师感兴趣的是日常知识,而不是全面的背景知识,但谈论衍射时不可能不描述它是如何在基本层面上工作的。也就是说,即使你不是物理学家,这一部分也是可以理解的;我们推荐阅读它,因为它将为你理解衍射提供一个更坚实的基础。
衍射最基本的概念是波——包括光波——可以相互干扰。事实上,每次波通过狭缝时,它们将干涉。为了使这更容易形象化,考虑一下水波。如果你把一块石头扔进一个完全平静的湖里,你会激起一股小波浪。这些波以同心圆的形式展开,就像下图所示:
如果你制造一个屏障来阻挡这些波的路径会发生什么?很简单,你可以阻止他们的行动。这很无聊:
为了让它变得有趣,你在屏障上开了一个洞,这样水就可以通过了。那么,这些波会形成什么样的模式呢?
这些波看起来与你所期望的相似,尽管除了主要的波之外,还有一些其他的模式:
这些额外的图案是波浪在角落弯曲时产生的人工制品。它们的产生,本质上是因为两个角作为单独的波源——可以相互碰撞的波。在碰撞的某些区域,波会相互抵消(破坏性干涉);这就是为什么图中的某些区域看起来完全静止。然而,在其他地方,波叠加在一起(建设性干涉),这导致在两侧形成额外的图案。
为了可视化,我们假设在图的极右边缘有一个传感器。该传感器测量给定点的波的强度,该强度随着波的振幅而增加。强度曲线图如下所示:
显然,中心模式是最重要的。边上的图案是静止的现在但它们的强度远不及中心的强度。这意味着中心图案在摄影中是最重要的,我们将在稍后讨论。bobsports官网现在,让我们看看在势垒中开口大和开口窄会发生什么。请注意,下面的图像经过了简化,只包括了中心的波浪图案:
这两幅图像之间的主要区别是,较小的开口导致波的传播更大,而较大的开口导致波的传播更小。
让我们来看看这两个波形的对比图:
虽然一开始看起来不寻常,一个小的开口导致了更大的波传播,但上面的插图应该表明这是合乎逻辑的。本质上,更大的开口可以让波在没有太多干扰的情况下通过。由于波浪没有受到特别的干扰,它们沿着一条相对笔直的路径向池的边缘移动。然而,较小的开口对波的影响更大,使波以更大的角度弯曲。(这是一个轻微的简化;更多的技术信息,我建议阅读维基百科页面上的惠更斯原理.)
最后,注意“小”开口是相对的。事实上,只有当开口的大小与穿过它的波长相似时,开口才会引起衍射。这就是为什么波长很小的光在穿过一个10英尺宽的开口时不会发生明显的衍射——尽管在海洋中会发生衍射。
恭喜你!现在你们已经了解了衍射的物理原理。在最基本的情况下,一个小开口使波弯曲并相互干扰;这反过来又分散了它们的信号。
摄影中的衍射bobsports官网
显然,衍射是物理学中一个重要的概念。事实上,一个类似的实验(有两条缝而不是一条)在证明光可以表现为波方面发挥了重要作用,这是科学史上最重要的发现之一。但这对你的日常摄影有什么影响呢?bobsports官网
这一切都归结于镜头的光圈。如上图所示,镜头中的光圈叶片就像一个单一的狭缝,可以传递光波。光强度的模式正是你所期望看到的:
这是一个二维图。在现实世界中,一个光点投射在三维空间中。因此,更准确的图表如下所示:
每当光线穿过相机镜头的光圈时,这种三维模式就会出现。当投影到相机的传感器上时,它看起来是这样的:
上图显示了什么是所谓的艾里斑.这是,很简单,衍射图样的外观,当它击中你的相机传感器。中心区域是最亮的,它对你的照片影响最大。
不难看出为什么艾里圆盘会使照片模糊。我们已经知道,一个小的开口——或者说是一个小的光圈——会导致波扩散。这意味着,在小孔径处,艾里盘会变得大得多。如果你能想象艾里圆盘击中你的相机传感器,你会得到这样的图片,其中网格代表传感器上的像素:
现在,想象一个场景是由无数微小的光源组成的。每一束光都穿过你镜头的光圈;结果,你的照片的每个部分都投射到你的传感器上,就像一个艾里圆盘。如上所示,当光圈值越小,这些图像就越模糊。这就是衍射的原因!
高与低百万像素相机
上面的比较,显示艾里圆盘击中传感器的像素,可能会引发一个问题:如果像素是更大的,艾里盘出血的可能性不是更小吗?
事实上,这是完全正确的!大像素——那些比艾里圆盘大的像素——不会像小像素相机那样在相同的光圈上显示衍射。也许我可以在1200万像素的尼康D700上把光圈调到f/11,然后才注意到衍射,而3600万像素的D800/D810在任何孔径小于f/5.6的情况下都能看到衍射。不过,这些数字并不是一成不变的;我建议你测试一下自己的相机,看看什么时候衍射开始变得明显(更重要的是,什么时候衍射开始变得令人反感)。
然而,这不是高分辨率传感器的问题。事实上,如果所有设置都相同,高分辨率传感器总是比相同尺寸的低分辨率传感器捕获更多细节。更多的像素从来没有导致更低的细节,甚至在最小的光圈。这意味着,如果你以相同的尺寸打印照片,在其他条件相同的情况下,尼康D800/D810照片的细节总是比尼康D700照片的细节更多。
也就是说,如果你买了尼康D800/D810,你很可能想要打印大尺寸或像素级的照片。如果这是你的情况,衍射绝对是一个更大的问题,这将是一个低分辨率传感器!为了从D800/D810获得最好的锐度,你应该注意光圈是否小于f/8。同样,我建议你自己测试一下你的相机的准确边界。
小型与大型传感器
人们常说作物传感器相机(即DX尼康相机)比全画幅相机(FX尼康)更容易显示衍射。这是神话,还是真的?
让我们从我们所知道的开始。在透镜上给定的光圈下,艾里盘的物理大小总是相同的。不管你用什么传感器;这是一个物理性质,它只取决于光圈本身。例如,无论我把50mm f/1.8镜头放在全画幅D750还是作物传感器D3300上,其艾里盘投影的大小都是相同的(假设孔径相同)。
那么,困惑在哪里呢?这个问题源于同一个艾里圆盘占用了a更大的比例作物传感器相机比全画幅相机。看看下面的例子:
事实上,在相同的打印尺寸下,一个DX相机将显示比FX相机更多的衍射。这是因为DX传感器本质上是FX传感器的作物;换句话说,它放大了照片中的所有东西——包括衍射——就像后期制作中的裁剪一样。
额外衍射的量与你的裁剪因子相同。因此,对于1.5倍的作物传感器相机,将光圈乘以1.5,以便在全画幅相机上看到等效的衍射。例如,DX相机在f/11时的艾里盘所占传感器的百分比与全画幅相机在f/16时的艾里盘所占百分比大致相同。
当然,如果你使用DX相机,你可能不会像使用FX相机那样打印那么大。因此,对于许多摄影师来说,这并没有什么实际的区别;来自DX相机的较小的指纹抵消了额外的衍射。如果你做使用DX相机进行大尺寸打印时,要注意在给定的光圈下衍射会更明显。
衍射和景深
衍射使照片在小光圈处的锐度降低。然而,与此同时,小孔径增加的量景深在一张照片里。这并不矛盾,尽管一开始可能会令人困惑。例如,看看下面的对比:
正如你所看到的,f/22的照片在景深范围内有更多的场景。如果我想让整个主体都清晰,它比f/5.6的照片要好得多。然而,让我们更仔细地看看这个焦点:
正如你所看到的,f/5.6的照片明显更清晰。(点击图片可以看得更清楚。)
当然,这并不意味着你应该用f/5.6拍摄每一张照片。如果你需要较大的景深,可以随意使用较小的光圈;有时,稍微降低衍射的锐度是值得的。
选择最清晰的光圈
在你的镜头的每一个光圈上都有衍射。这必须是真的;光总是需要通过一个光圈弯曲,即使它非常大。然而,在f/2.8或f/4这样的宽光圈下,艾里盘比照片中的像素要小得多。这意味着在如此大的孔径下,衍射基本上是不可能观测到的。
然而,这不意思是在给定的镜头上,大光圈是最锐利的。正如你可能知道的那样,当光圈稍微缩小时,镜头往往是最锐利的。例如,我的20mm f/1.8镜头在f/4的中心位置最锐利。下面是这样一个镜头的锐度图:
那么,为什么光圈为f/4而不是f/1.8时峰值出现呢?这稍微超出了本文的范围,但本质是,在更大的光圈下,更多的光穿过透镜的边缘。由于镜头的中心是校正最好的区域,这就降低了照片的锐度(并增加了它的锐度)球面像差)。较小的光圈实际上会阻挡穿过镜头边缘的光线,从而提高照片的清晰度。
这种效果,与衍射导致的锐度下降相平衡,是f/4在像20mm f/1.8这样的镜头上提供最大锐度的原因。
你怎么知道你的镜头上哪个光圈最锐?只需在网上查看测试结果即可。然而,不要过于强调总是用“完美”光圈拍摄。首先,即使这些测试结果也可能是模棱两可的。例如,在上面的图表中,镜头的角在f/8时实际上是最锐利的。因此,根据拍摄对象的不同,你可能更喜欢锐利的角,而不是尽可能锐利的中心。
与此同时,即使是次优光圈也不会太模糊。我用f/16拍摄的照片做了一些大的打印,它们的质量已经足够满足我的需要了。如果你需要这样的光圈——通常是为了增加景深——不要害怕使用它。
(如果你像许多风景摄影师一样,需要尽可能大的景深,我建议你阅读超焦距.摄影的这两种特性有许多相似之处。bobsports官网
避免衍射
现在你了解了衍射,你如何确保在你的照片中避免它呢?不幸的是,简单的答案是你不能。衍射是物理学的结果。你的镜头有多好并不重要;无论如何,衍射会在较小的光圈上剥夺锐度。
即使你不能规避物理定律,也有一种方法可以避免照片中的衍射:使用更大的光圈。如果你需要绝对清晰的照片,这是避免衍射影响的唯一方法。你在拍摄一个需要大景深的场景吗?试一试集中堆放在f/5.6或f/8的孔径下,衍射最小。
同时,如果你确实使用了小光圈(比如f/16或f/22),你可以通过以下方法来改善照片的明显细节后期处理中的锐化.这实际上并不能消除衍射的影响,但这是一种改善小光圈照片的简单方法。
理论上,通过一种称为反褶积锐化的锐化过程来校正衍射是可能的。这种类型的锐化是最有效的,当你有一个完美的透镜模型,包括它的精确光学特性。因此,一般的反褶积锐化并不能降低衍射的影响到一个有意义的程度;然而,众所周知,NASA使用这种方法来提高哈勃望远镜照片的清晰度。(一些相机制造商,包括宾得,可能有衍射减少菜单选项;然而,这只不过是一个标准的不锐利的蒙版煮到你的RAW文件。)如果您想测试反卷积锐化,请在Lightroom或Camera Raw中尽可能增加“细节”滑块。当然,它不会特定于你的透镜,这对于真正的衍射还原是必要的。
然而,虽然你可以在后期处理中锐化你的照片,但减少衍射的最好方法就是使用更大的光圈。
额外的信息
光圈是一个技术性的话题;光和相机传感器之间的相互作用也是如此。上面的一些信息是作为最佳情况来呈现的,现实情况可能稍微复杂一些。下面的大部分信息不会影响照片的实际外观,但有必要介绍一些特殊情况。
例如,波长大的光比波长短的光更容易衍射;这意味着在相同孔径下,红光(波长约为650纳米)比蓝光(波长约为475纳米)产生更大的艾里盘。所以,理论上,如果你在极蓝光下工作,衍射产生的模糊会稍微少一些;实际上,这种影响很小,对你的照片几乎没有影响。
此外,在大多数相机中,组成照片的像素并不都能探测到相同波长的光。对于带有拜耳像素阵列的传感器(包括尼康、佳能和索尼DSLR/无反光镜相机),绿色感应像素的数量是红色和蓝色像素的两倍。这意味着前面给出的像素图是稍微简化的;然而,这并不能改变一个事实,即由于艾里圆盘的大小,衍射产生的模糊会增加。
最后,本文中对艾里圆盘的描述比现实世界中出现的要简单一些。上面,我用一系列同心圆来表示;但在现实中,这种情况只会发生在光圈完全圆形的情况下。大多数镜头都有7、8或9个光圈叶片,即使是弯曲的也不完全是圆的。因此,“艾里圆盘”变成了“艾里八角形”。然而,在你的照片中,衍射的外观并没有实际的区别;当你把镜头缩小时,你的照片就会一样模糊。
如果你对衍射的精细点有任何问题,请在评论区提出问题;一篇文章太短了,无法解释关于这样一个复杂主题的所有内容。
结论
考虑到所有这些技术上的注意事项,衍射似乎是一个不寻常的讨论话题。然而,在你的照片中,它的影响是清晰而显著的,在你拍照时,它们是非常值得考虑的。特别是对于风景摄影师和建筑摄影师,或者任何想要拍摄大景深的清晰照片的人来说,了解小光圈拍摄的利弊是很重要的。
衍射存在于你所有的照片中,如果你不小心的话,它会从你最喜欢的照片中夺走一些清晰度。然而,一旦你在实践中看到它的效果,衍射将成为第二天性。
非常有趣和有用的文章,谢谢张贴!
我开始在镜头前面使用降压环来制造一个圆形光圈,
想知道你的想法是什么,这将如何影响衍射,就最窄的可用孔径而言,在我希望实现跨帧的锐度的情况下?
降压环使图像下降了大约1又2/3个点,所以如果我在f2.8拍摄,它给出的景深大致与在f5拍摄时相同
如果这个问题措辞不好,我很抱歉,基本上是想知道将相机设置为f8是否仍然是整个框架的理想清晰度,或者我是否需要调整光圈
不确定这是如何相关的,但我已经注意到,随着降压环附加,较窄的光圈创造了一个非常明显的小插曲,不是一个巨大的担忧我,只是提到它,以防它是有用的信息。我的问题
最好的问候,
杰米
杰米写道:“我已经开始在镜头前面使用降压环来创建一个圆形光圈……”
在光学中,孔径光阑限制了立体角(锥角)从轴上物体点发出的穿过系统的射线。调整孔径光阑影响光传输和景深但这并不影响覆盖角也没有视野.
一个视场光阑限制了覆盖角,也可减少视角,又名视野.
所以,安装在透镜前面的降压环,会产生圆形的小波纹,主要是一个视场光阑,不是孔径光阑.
精彩的阅读,谢谢!
很好奇你对不含隔膜的镜头的衍射有什么想法,比如佳能的600mm和800mm的镜头。谢谢!
你好特里,
你提到的f/11透镜的衍射量将与一个更大孔径的透镜停止到f/11相同。但是,它们精确地呈圆形,而不是多边形,不会产生孔径衍射峰值被称为亮光效果或海星:
bobsports官网www.9resident.com/what-...ar-effects
Pete A,我很感谢你的建议,但我想知道你是否能进一步解释……如果没有光通过的隔膜,那是什么导致衍射?
谢谢!
问候,
特里
佳能f/11镜头不包含一个可变光圈,但它们确实含有孔径光阑,这是一个隔膜:
在光学中,隔膜是一种薄的不透明结构,其中心有一个开口(孔径)。隔膜的作用是阻止光的通过,除了通过的光孔径.因此,它也被称为一个停止(孔径停止,如果它限制光的亮度到达焦平面,或场停止或耀斑停止在镜头中的其他用途的膜片)。”
en.m.wikipedia.org/wiki/...m_(光学)
如果你看其中一个镜头的正面(拆下后),你会看到它的图像孔径光阑,这是入射光瞳.同样地,看后面也会发现它出射光瞳
这些镜头与可变光圈镜头没有什么不同可变光圈设置为全开(大开)位置。
谢谢你,皮特!这正是我想知道的。我没有800mm的镜头,但我租了它,但没有注意它是否有光圈停止。
再次感谢。
谢谢你给了我们一个比我以前遇到过的更深入的透镜衍射解释,太棒了!理解这个概念很有帮助
你好,斯宾塞,你的文章似乎是另一个摄影博客的翻译(反之亦然,可能性很大):)你可以检查一下,视觉效果也基本相同。bobsports官网www.arthenos.com/isik-...ffraction/
谢谢你告诉我们。小偷无处不在,不幸的是,我们的内容经常被盗。我会试着联系运营这个网站的人,但不确定他们是否会对内容盗窃采取任何行动……
谢谢你这么详细的解释!这真的很有帮助,也可以理解。
非常感谢你的解释。我从不评论这样的帖子,但我真的很欣赏你的深入和清晰。谢谢你的信息!
最近我浏览了你们的网站,并被所有非常详细的评论和文章所吸引。
很想看看位置细节以及照片:)
DX和FX:我一度认为这可能是升级到FX的一个原因,因为FX在更高的光圈下大约是一个更清晰的位置(从衍射的角度来看)。
但后来我意识到,FX需要额外的高光圈来获得与DX相同的景深。所以这真的是一场洗牌。
很有帮助。非常感谢。
正如一些人之前说过的,这篇文章可能会有一些误导性的概念,然而,这篇文章很有用。正如Pete A巧妙地暗示的那样,这是光衍射的真实物理效应,以及它们对最终观看体验的感知效应。
我认为衍射是光线(波+粒子)在遇到障碍物时以大于零度的角度弯曲的结果。在这种情况下,障碍是隔膜叶片。由于光线因波长不同而弯曲,不同波长的衍射量也不同。衍射会导致光线弯曲破坏焦平面上的图像。衍射存在于横膈膜的所有孔径上,并总是导致图像感知质量的退化,但其影响随着横膈膜的物理孔径的增大而变差
变得更小,也就是说,由于隔膜的直径更小,干扰最严重。由此,应该注意的是,衍射并不直接影响景深(DoF),因为它或多或少地降低了整个图像的聚焦质量。此外,它不依赖于名义孔径(f数),但对物理尺寸的隔膜孔径。就像DoF不依赖于f数,而是依赖于膜片孔径的物理大小(尽管DoF只是一种感知,而不是任何物理现象的表现)。
我还认为,将摄影镜头上的光衍射与非常小的洞的干涉图混合成平行波是一种误导,因为这种效应只在洞的波长大小相同时才会出现。另一方面,艾里圆盘是一种更有用的方法,有助于理解衍射将对传感器中创建的图像产生不同的直接影响。但是,它必须很好地解释:磁盘的中心总是质量更好的部分。记住,艾里圆盘呈现的是一束光的图像,所以中心比周围的任何地方都更有质量,涟漪效应会更明显。
此外,我认为衍射效应取决于:
- (i)膜片和传感器之间的距离(有效FL);较长的FL会放大效果,使它们“更大”但更“扩散”,就像图像本身一样;但更大并不意味着更糟,这取决于它如何“绘制”传感器区域;
- (ii)传感器尺寸;较大的传感器(无论是模拟的还是数字的)总是会比较小的传感器选择更多的效果,因为图像面积更大;但是更多的效果并不总是意味着最坏的,因为对图像主体的影响的相对大小会有所不同。
由于放大倍率(FL)和传感器的尺寸共同决定了衍射将如何影响传感器上收集的图像,我们应该避免单独的FL或传感器尺寸如何决定图像中衍射效果的好坏。
最后,我认为传感器像素密度不会改变透镜的衍射效果。与图像的许多感知事物一样,像素间距只与图像的再现过程相关。
- - - - - -
布鲁诺•迪亚斯