Cómo entender la difracción de la lente (¡y cómo solucionarlo!)

Los fotógrafos utilizan pequeñas aberturas para obtener una amplia profundidad de campo. Pero una apertura más pequeña causa algunos problemas, como la difracción de la lente.

La difracción de la lente hace que una fotografía pierda nitidez en aperturas pequeñas. Entonces, ¿qué podemos hacer con la difracción de lentes? ¡Siga leyendo para descubrirlo y obtener la máxima nitidez en sus imágenes!

un primer plano de la apertura de una cámara

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¿Qué es la difracción?

La difracción es un fenómeno físico que afecta a todo tipo de ondas. Puedes observarlo en líquidos, ondas sonoras y luz. Lo encuentras todo el tiempo, incluso si no te llama la atención.

Cuando las olas encuentran una barrera en su camino, su comportamiento cambia. La barrera puede ser una hendidura o puede ser un solo objeto.

Aquí, estamos observando el ejemplo de la rendija. (Lo aplicará más tarde a la apertura de apertura de su cámara).

Un diagrama que muestra las ondas que pasan a través de una abertura grande y una abertura pequeña en la difracción de lentes.

El comienzo de las olas se doblan. Dependiendo del tamaño de la rendija en comparación con la longitud de onda, esta flexión puede variar de tamaño. Si la hendidura es ancha, no hay mucho.

Si la apertura es comparable a la longitud de onda, la difracción ocurrirá a una escala relativa mucho mayor.

Modelamos este cambio de comportamiento como si se crearan nuevas ondas en la línea de la rendija. A lo largo de esta línea, las nuevas olas comienzan a extenderse en diferentes direcciones. El grado de esto varía, dependiendo del tamaño de la hendidura.

La idea de ondas que se extienden circularmente y su explicación física se denomina principio de Huygens.

Luego, las olas interfieren, lo que resulta en diferencias en la fuerza de las olas. Se cancelan entre sí en algunos lugares y se suman en otros. diagrama que muestra la interferencia de ondas en la difracción de lentes

Si observamos estas adiciones y cancelaciones a lo largo de una línea paralela a la rendija, obtenemos un patrón. En el medio, hay una suma muy fuerte de olas.

Luego, hay adiciones y cancelaciones repetidas, disminuyendo en amplitud hacia afuera. Esto continúa hasta que el patrón se vuelve indistinguible.

El ejemplo más espectacular es la difracción en agua.

Hecha un vistazo a la imagen de abajo.

Puede ver una hendidura, comparable en tamaño a la longitud de onda del agua. La difracción es muy notable. Observamos la fuerza de las olas en la larga línea púrpura.

Son más intensos en el medio, frente a la propia hendidura. Sigue una caída de la cancelación de la ola. Luego, gradualmente hacia los bordes del río, el nivel de interferencia disminuye.

Este patrón, que se muestra en naranja, se llama Patrón aireado.

El patrón de intensidad de Airy en una foto de paisaje costero
El patrón de intensidad Airy. Imagen original de Wikipedia

Difracción de la luz

El ejemplo del agua es bidimensional. Pero la difracción también ocurre en situaciones tridimensionales. Para nosotros, los fotógrafos, lo que importa es la difracción de la luz.

Cuando la luz atraviesa una rendija, difracta. En fotografía, el tamaño de la rendija de apertura es mucho mayor que la longitud de onda de la luz. Esto incluso se aplica en configuraciones estrechas, como f / 32.

Por lo tanto, la luz no se dobla excesivamente, pero aún puede causar problemas.

Los píxeles de las cámaras modernas son diminutos. De hecho, son tan pequeños que su tamaño suele ser solo una magnitud mayor que la longitud de onda de la luz visible.

Esto implica que aunque la luz no difracta mucho, los efectos son notables.

Volveremos a los números exactos, pero primero, veamos qué sucede cuando la luz pasa a través de una rendija.

En este ejemplo, se proyectó un láser rojo sobre un sensor a través de una apertura de 90 micrómetros.

Tenga en cuenta que 90 micrómetros es mucho más pequeño de lo que encontraría en cualquier lente. Este tamaño ayuda a visualizar mejor el efecto. En una lente de 50 mm, sería una apertura de f / 550.

Puede ver el patrón Airy, pero en este caso es bidimensional. La parte más fuerte está en el medio, las olas se suman allí. Los pares de cancelaciones y sumas son pedidos; hay 27 de ellos a continuación.

Este patrón de Airy bidimensional se llama disco de Airy.

"Un disco de Airy real creado al pasar un rayo láser rojo a través de una apertura estenopeica de 90 micrómetros con 27 órdenes de difracción de lentes".
«Un disco de Airy real creado al pasar un rayo láser rojo a través de una apertura estenopeica de 90 micrómetros con 27 órdenes de difracción».

¿Cómo afecta la difracción de la lente a su fotografía?

La difracción impacta en la fotografía cotidiana.

Dependiendo del tamaño de píxel del sensor de la cámara, la difracción de la lente puede limitar la resolución de la imagen.

A menudo causa problemas en f-stops altos. En algunos dispositivos, por ejemplo, las cámaras compactas de megapíxeles altos, es posible que comiences a verlo en f-stops tan bajos como f / 3.5.

A medida que detiene la lente, los efectos de la difracción de la lente se vuelven cada vez más evidentes.

La difracción limita la resolución. No importa lo bueno que sea su lente, siempre es cierto. El alcance de esto se da en esta fórmula (simplificada):

p = (1,22 λ A) / 2

Aquí, pag es el tamaño de píxel más pequeño que puede recibir información a nivel de píxel de la lente. λ es la longitud de onda de la luz entrante, y A es el f / stop.

Calculemos con la cámara del iPhone XR. Tiene un sensor de 12MP, con un pixel pitch de 1.3 micrómetros. Tiene una apertura fija de f / 1.8.

La longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente 0,5 µm.

p = (1,22 * 0,5 µm * 1,8) / 2

La resultante pag es 1,1 µm.

Si dos objetos están más cerca uno del otro en el sensor que pag, se mezclarán. No se pueden resolver, por muy apretados que estén los píxeles.

Lo que esto significa es que el iPhone XR (con su tamaño de píxel de 1,3 µm) está muy cerca de tener una difracción limitada.

Entonces, incluso si la lente es ópticamente perfecta, libre de todas las aberraciones, está en su punto máximo. No puede acomodar píxeles más pequeños.

Tome otro ejemplo.

En f / 16, el resultado pag es de 7,3 µm. Esto significa que las cámaras con un tamaño de píxel alrededor de este valor solo se ven afectadas por la difracción por encima de f / 16.

Por lo tanto, la 5D original con su paso de píxel de 8 µm solo se limita por difracción después de f / 16.

Esto coincide con mis experiencias. Cuando utilizo la Canon 5D original, tiendo a salirse con la suya incluso con f / 16 sin una disminución en la nitidez. En las cámaras 5D MkIII y MkIV, es más como f / 11 yf / 9.

Eche un vistazo a esta ilustración que hice con la Canon 5D MkIV y la lente macro Canon 100 mm f / 2.8L IS. Ambas tomas están perfectamente enfocadas; el ablandamiento se debe a la difracción de la lente.

gif animado que muestra el efecto de la difracción de la lente en la resolución
El efecto de la difracción de la lente en la resolución.

Encontrar la apertura más nítida

Probablemente haya aprendido que cuanto más baje la lente, más nítida será la imagen que obtendrá. Y es posible que se sorprenda de que este principio sea parcialmente erróneo.

La verdad está en algún punto intermedio, en todos los aspectos.

Si los usa completamente abiertos, los lentes sufren aberraciones esféricas y posibles problemas de diseño. Su nitidez aparente es menor debido a la menor profundidad de campo.

Si los detiene demasiado, se ven afectados por la difracción.

En las lentes DSLR y sin espejo, encontrará que las aperturas más nítidas suelen ser 2-3 pasos más altas que la apertura máxima.

En el objetivo Canon 50 mm f / 1.8 II (a menudo llamado el ingenioso cincuenta), es alrededor de f / 4. Mi lente Canon 24 mm f / 1.4 no se vuelve más nítida más allá de f / 2.8.

Pruebe su lente para conocer su comportamiento en diferentes aperturas.

Profundidad de campo y difracción de la lente

Tenga en cuenta que es posible que desee utilizar aperturas estrechas en determinadas situaciones.

Si necesita mantener la mayor parte de la escena enfocada, detenerse es generalmente el método más fácil. Los fotógrafos de paisajes a menudo tienen que disparar a f / 16 y más.

De esa manera, la profundidad de campo será mayor, lo que dará como resultado una imagen aparentemente más nítida. Las partes con un enfoque perfecto no serán tan nítidas como en f / 8, pero más de la escena sera casi tan agudo.

Una técnica para lograr una gran profundidad de campo y la mayor nitidez posible simultáneamente se denomina apilamiento de enfoque.

Es un proceso bastante meticuloso con limitaciones, pero puede producir grandes resultados. Para hacerlo a la perfección, debe tomar una serie de imágenes de un sujeto completamente estable, utilizando un trípode.

Cambia gradualmente el enfoque entre las tomas, cubriendo todo, desde los sujetos más cercanos hasta los más lejanos. Luego, los combinas en un editor, por ejemplo, Photoshop.

un primer plano de la lente de una cámara
Foto de Samer Daboul en Pexels

Conclusión

La difracción de la lente es un tema confuso, pero puede ver los efectos que tiene en su imagen. Vale la pena saber esto cuando esté filmando sus escenas.

La difracción de la lente siempre estará presente. A menos que tenga cuidado, sus imágenes perderán nitidez.

Una vez que vea la difracción de la lente y comprenda cómo funciona, se convertirá en una segunda naturaleza manejarla en su fotografía.

Para obtener más consejos excelentes, consulte nuestras publicaciones sobre el tamaño del sensor de la cámara, reduciendo el desenfoque o disparando con aperturas más grandes a continuación.

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