Diffractie

Misschien is het een beetje oneerlijk om de schuld aan het diafragma te geven, want de werkelijke dader is diffractie. Het diafragma heeft er alleen maar voor gezorgd dat de dader op de plaats delict is verschenen. Ook zonder diafragma of met geheel geopend diafragma heeft een objectief last van diffractie, het gaat in feite om de grootte van de opening. Dat wil allemaal niet zeggen dat de keuze voor een bepaald diafragma geen grote consequenties kan hebben.

De golven in de zee kun je goed vergelijken met de lichtgolven waaruit een fotografisch beeld ontstaat. Het strand kun je vergelijken met het diafragma en de gebroken golven op het strand met diffractie.

 

Maar wat is diffractie nu eigenlijk? Het is simpelweg het breken van golven, in geval van lichtgolven. Licht bestaat uit golven en een fotografisch beeld dus ook. Wanneer die golven rustig door kunnen golven is er niks aan de hand, maar wanneer ze een golfbreker tegenkomen, dan houdt de beweging op. Zo is het bij lichtgolven ook. De rand van het diafragma is ook een golfbreker. Binnen de opening van het diafragma stroomt het licht ongehinderd door, daarbuiten wordt het licht helemaal tegengehouden maar op de rand van het diafragma breken de golven. Als die breking maar sterk genoeg is, dan verstoort hij ook de rest van de golven. Naarmate de rand groter is ten opzichte van de opening, dus naarmate het diafragma kleiner is, wordt het erger. 

Diffractie en daarmee het diafragma bepaalt direct de maximaal haalbare resolutie bij een bepaalde lensopening. Daarvoor bestaat een formule en ik heb op basis daarvan voor groen licht (de verschillen met rood en blauw zijn klein) de maximaal haalbare aantallen lp/mm berekend voor diafragma f/0,95 tot en met f/64.

 

 

Als je deze tabel ziet, dan schrik je waarschijnlijk. Is het werkelijk zo erg? Ja en nee. De formule klopt, dus de theoretisch haalbare resolutie van een objectief wordt werkelijk zo sterk beperkt. En omdat de objectieven de laatste decennia zo veel beter geworden zijn en de megapixelaantallen (al dan niet met pixel shift) zo veel groter, hebben we ook echt te maken met dit fenomeen.

Heel goede objectieven halen bij gemiddelde diafragma’s waarden die alleen nog beperkt zijn door de diffractie, ze zijn zoals je dat noemt, diffractiegelimiteerd. Hun resolutie is dus veel groter dan de resolutie van de sensor. Dat geldt zelfs bij de 400 megapixel die sommige camera’s met behulp van pixel shift bereiken. Toch zijn er een paar maren. Allereerst wordt de scherpte van een foto bepaald door de combinatie van de resolutie van het objectief en die van de sensor (en eventueel anti-moiré-filter). dan kom je tot de volgende formule:

1/ resolutie objectief + 1/ resolutie sensor = 1/ resolutie combinatie

We hebben dan even afgezien van het antimoiréfilter (olpf) omdat sommige camera’s dat niet hebben en dat bij sommige camera’s maar in één richting werkt. Wanneer we dan de theoretisch haalbare resolutie bij f/4 weer gaan vergelijken met die bij f/11 en dat dan voor 400, 98, 45 en 24 megapixel, dan krijg je de volgende verschillen, waarbij de eerste kolom de waarde geeft voor een ideaal objectief zonder sensor en de andere kolommen steeds de waarde die je werkelijk behaalt op een foto, dus met zonder:

 

Verschillen in resolutie door diffractie in de praktijk

(procent overblijvende resolutie bij f/11 vergeleken met f/4 bij fullframe) 

De getallen hierboven kloppen voor heel goede objectieven in het beeldcentrum. 

 

Drie keer een 100%-detail van een pixel shift-opname met de Nikon Z f van 96 megapixel en één keer een uitvergroting van een foto van 24 megapixel met dezelfde camera zonder pixel shift. Linksboven: 24 megapixel, rechtsboven: 96 MP f/11, linksonder 96  MP f/8, rechtsonder 96 MP f/5,6. Let niet alleen op de letters maar  pte moordenaar. De theoretisch haalbare resolutie bij diafragma f/0,95 is bijna zeventig keer groter dan bij f/64. Bij f/2,8 is het nog steeds drie zo veel als bij f/11 en het verschil tussen f/5,6 en f/11 is een volle factor twee. Dat is in lijnparen per mm (lp/mm), dus in één richting. Zou je het in twee richtingen zien en uitdrukken in megapixels, dan zijn de verschillen werkelijk enorm:

 

Maar er zijn nog een paar andere factoren. De belangrijkste is waarschijnlijk het beeldformaat. In het artikel over pixel shift laten we gaan we daar verder op in. Heel kort: fullframe is in veel gevallen een aantrekkelijke keuze, omdat er veel uitstekende objectieven beschikbaar zijn die bij vrij grote diafragma’s een grote scherpte opleveren. 

Een andere factor is de vorm (rond of rechthoekig), het materiaal en de plaats van het diafragma in het objectief. Een zeer belangrijke factor is de manier waarop de beeldgegevens bewerkt worden. De camera zelf kan bij heel fijne lijntjes deze iets ‘oppeppen’ waarbij je de effecten van diffractie iets tegengaat en datzelfde kun je doen in fotobewerkingssoftware met de verschillende instellingen voor verscherping en diffractiecompensatie (in feite hetzelfde). Om die reden is het gebruik van goede fotobewerkingssoftware van groot belang.

Dat neemt allemaal niet weg dat diffractie een belangrijke factor is bij de scherpte van een opname en dat deze met toenemende megapixelaantallen grotere scherpte van objectieven steeds belangrijker wordt. Met veel objectieven van een paar decennia geleden, zag je er vaak minder van omdat de scherpte in veel gevallen simpelweg geringer was. Ook was de resolutie van bijna alle films (op een enkele documentfilm na) veel kleiner dan die van de huidige beeldsensoren met zelfs maar de kleinste megapixelaantallen. 

Maar de beste moderne (en sommige oude) objectieven halen bij gemiddelde diafragma’s waarden die alleen nog beperkt zijn door de diffractie, ze zijn zoals je dat noemt, diffractiegelimiteerd. Die waarde is dus veel groter dan de resolutie van de sensor. Dat geldt zelfs bij de 400 megapixel die sommige camera’s met behulp van pixel shift beloven. Bij hele goede objectieven wordt de resolutie nog steeds sterker beperkt door de sensor dan door diffractie. Maar we zien wel dat die zelfs bij 24 megapixel al een zichtbare rol speelt en dat dat bij grotere megapixelaantallen echt een belangrijke factor wordt.

Bij zeer goede moderne objectieven zien we dat ze vaak bij kleinere diafragma’s, ook de hoeken, al optimaal zijn. Maar dan hebben we het niet meer over diffractie, maar over hoe je het best goed werkt met pixel shift camera’s met grote megapixelaantallen. Dat behandelen we in een apart artikel in dit nummer over pixel shift.

Conclusie

Diffractie is geen onbegrijpelijk fenomeen dat opeens toeslaat bij een bepaald diafragma en dat hogere megapixelaantallen ineffectief maakt. Het is een reële factor die de scherpte bepaalt, maar het verschilt in die zin niet van allerlei andere factoren: je moet er rekening mee houden om de beste resultaten te krijgen.

 

Dit is een artikel uit DigifotoPro 1.2024 Lees hem hier digitaal