Hat eine Kamera Einzelspaltinterferenzen?

Hier ist eine Reihe von Fotografien, die mit der gleichen Kamera- und Objektivanordnung, aber mit einer anderen Größe der Eintrittspupille (Öffnung des verwendeten Teils des Objektivs langsam) erstellt wurden.

Der Parameter$\rm f/N$hat$N$wird als Blendenzahl bezeichnet.
$N = \frac f D$Wo$f$ist die Brennweite des Objektivs (in diesem Fall fest) und$D$der Durchmesser der Eintrittspupille (abnehmend wie$N$erhöht sich).

Selbst bei dem Problem, die Bilder auf einem pixeligen Computerbildschirm anzuzeigen, sollten Sie den Effekt der Beugung sehen.
Wenn die Blendenzahlen größer werden, erzeugt die kleinere Eintrittspupille größere Beugungsmuster, was dazu führt, dass das Bild nicht so scharf aussieht.

Bei einigen Kameras ist der Effekt möglicherweise nicht so deutlich zu sehen, da das Bild auf einem Detektor erzeugt wird, der aus vielen diskreten Bereichen besteht, die als Pixel bezeichnet werden.
Wenn die Größe der Unschärfe aufgrund von Beugung kleiner als die Pixelgröße ist, führt die Pixelgröße zu einem Mangel an Schärfe des Bildes.

Aber selbst wenn die Beugung einen Teil des Bildes unscharf machen könnte, wie unten gezeigt

Es kann sein, dass ein Fotograf die Eintrittspupille verkleinert, um ein besseres Gesamtbild zu erhalten.

Das obere Bild ist mit einer großen Eintrittspupille und das untere mit einer viel kleineren Eintrittspupille.

Die im unteren Bild gezeigte Verbesserung ist auf eine Reihe von Faktoren zurückzuführen.
Ein möglicher Faktor ist, dass bei Verkleinerung der Eintrittspupille nur Strahlen in der Nähe der Hauptachse von der Linse gebrochen werden und so die Effekte aufgrund der Defekte (Aberrationen) der Linse reduziert werden.
Ein Beispiel für diesen Effekt ist das Schielen oder das Betrachten eines entfernten Objekts durch das Loch zwischen zwei sich berührenden Fingern, was Ihre Sicht verbessern kann, wenn Sie kurzsichtig sind.

Eine andere Sache, die verbessert wird, wenn die Eintrittspupille verkleinert wird, ist die Schärfentiefe - der Bereich der Entfernung von der Linse von Objekten, die ein einigermaßen scharfes Bild erzeugen.
Beachten Sie, wie das obere Bild an der Peripherie verschwommen ist, obwohl der Beugungseffekt geringer ist als beim unteren Bild.

Die Auflösung ("Schärfe"), die Sie mit einer Kamera erhalten, hängt von einer Reihe von Faktoren ab (ungefähr in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit ... obwohl dies eine subjektive Reihenfolge ist, da jede davon Ihr Bild durcheinander bringen kann:

• Der Grad der Fokussierung
• Die Qualität des Objektivs
• Die Auflösung des Sensors (bzw. Korngröße des Films)
• Beugung

Wenn Sie Ihr Objekt nicht richtig fokussieren, wird das Bild natürlich unscharf. Nun stellt sich heraus, dass die Fokussierung weniger wichtig ist, wenn Ihr Objektiv kleiner wird (dh eine größere Blendenzahl, dh das Verhältnis von Brennweite / Durchmesser). Dies liegt daran, dass der Unschärfeeffekt der Unschärfe im Grunde eine Faltung der Größe der Blende mit dem Bild ist – skaliert um den Betrag der Defokussierung. Am besten erklärt mit einem Diagramm:

Daraus können Sie zwei Dinge lernen: Wenn Ihr Film (Sensor) an der falschen Stelle ist, wird das Licht nicht auf einen Punkt fokussiert; und die Größe des "Kleckses" hängt von dem Winkel ab, den das Objektiv am Film einschließt. Wenn Sie ein Bild von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen aufnehmen, möchte jedes auf eine andere Ebene projizieren. Wenn Ihre Objektivöffnung klein ist, sind die dadurch erzeugten "Kleckse" klein; Wir sagen, Sie erhalten eine gute "Tiefenschärfe". Wenn das Objektiv größer ist, sind die Kleckse größer, und nur das, was „exakt“ fokussiert ist, sieht gut aus.

Meistens ist das die Sache, die bestimmt, wie scharf Ihr Bild ist.

Es ist jedoch möglich, dass die anderen Faktoren, die ich aufgezählt habe, wichtig sind. Im Fall der Beugung (Ihre Frage) ist das Beugungsmuster einer kreisförmigen Apertur (normalerweise eine vernünftige Annahme) eine Airy-Scheibe, und die Breite der Scheibe ist ungefähr

Wo$f$ist die Brennweite,$d$der Durchmesser der Linse und$\lambda$die Wellenlänge.

Jetzt$\frac{f}{d}$wird die "f-Zahl" des Objektivs genannt. Bei den meisten Kameras kann dies zwischen 2,8 und 22 liegen, obwohl ein größerer Bereich möglich ist. Wenn die f-Zahl groß ist, ist der Effekt der Beugung groß: Wenn Sie eine Wellenlänge von 500 nm annehmen, ist der "Klecks" etwa f$\times$600 nm breit.

Nun gibt es unter diesem Link einen sehr schönen Artikel, der die Auswirkung der Pixelgröße auf eine Reihe von Bildgebungsproblemen beschreibt . Es enthält eine schöne Tabelle der Größe des Beugungs-"Kleckses" für verschiedene Farben als Funktion der Blendenzahl:

                      Table 6
    ================================================
                 red=     Green=    Blue=
                  0.6      0.53      0.47
                micron   micron    micron
    ================================================
    f/ratio     diffraction spot diameter in microns
    ================================================
           2      2.9       2.6       2.3
         2.8      4.1       3.6       3.2
           4      5.9       5.2       4.6
         5.6      8.2       7.2       6.4
           8     11.7      10.3       9.2
          11     16.1      14.2      12.6
          16     23.4      20.7      18.3
          19     27.8      24.6      21.8
          22     32.2      28.5      25.2
          32     46.8      41.4      36.7
          45     65.9      58.2      51.6
          64     93.7      82.8      73.4
    ================================================

Die Pixelgröße einer Canon 1D Mark II beträgt 8,2 µm. Wenn Sie also mit einem Objektiv mit einer Blendenzahl von mehr als 5,6 aufnehmen, beginnt die Beugung (eher als die Pixelgröße) Ihre Leistung einzuschränken. Beachten Sie, dass Kameras mit kleineren Sensoren tendenziell kleinere Pixel haben (Ihr iPhone 5-Telefon hat möglicherweise ungefähr 1,5 Mikron Pixel). Das sagt Ihnen, dass der Sensor die Beugungsgrenze erreicht hat - mehr Megapixel helfen bei diesem Formfaktor nicht, da Sie die Blendenzahl nicht kleiner oder die Brennweite länger (und den Sensor größer) machen können. Wenn sich der Beugungspunkt jedoch über 10 oder mehr Pixel erstreckt, können Sie mit einer Bildverarbeitung (Entfaltungsfilterung) beginnen, um das Bild schärfer zu machen. Wie Sie der Tabelle entnehmen können, müssen Sie die verschiedenen Wellenlängen (R, G,

Ob dies geschieht, konnte ich nicht feststellen. Die Kamera Ihres iPhones hat eine Blendenzahl von 2,2 – also ist die Beugung nicht allzu wichtig.

Hier finden Sie einige verwandte Diskussionen . Auch der in dieser Frage angesprochene "Starburst" -Effekt ist ein Beugungseffekt - obwohl in diesem Fall die Tatsache, dass die Blende aus Lamellen mit geraden Kanten besteht, den besonderen Effekt verursacht. Es zeigt eindeutig, dass Beugung auftritt - aber in diesem Fall bevorzugt die Geometrie nur wenige Richtungen, was einen Effekt über eine viel größere Entfernung ergibt (wenn die Lichtquelle so hell ist und das Muster nur entlang ausgewählter Richtungen verläuft, können Sie sehen im Grunde der N-te Beugungspeak).

Nachtrag:

Der zweite Punkt, den ich angesprochen habe, "Qualität des Objektivs", ist etwas, das wir heutzutage oft vergessen, weil die meisten Objektive so gut sind. Aber nicht die Linse im menschlichen Auge. Ich habe starken Astigmatismus – im Grunde ist die Linse in meinem Auge ein bisschen zylindrisch, was bedeutet, dass es keinen einzigen Abstand gibt, bei dem ein Punkt auf einen Punkt fokussiert – stattdessen wird es ein länglicher Fleck sein. Wenn viel Licht vorhanden ist und sich meine Pupille verengt, sind die Dinge viel fokussierter - denn wenn weniger von der "unvollkommenen" Linse verwendet wird, ist der Effekt geringer. Ich kann dies simulieren, indem ich mein Auge teilweise schließe - einen "besonders schlechten" Teil der Linse abdecke, sehe ich am Ende besser ... Beugung kommt wirklich ins Spiel, wenn diese anderen Dinge nicht mehr der limitierende Faktor sind.

Ja, aber das ist nicht das einzige Problem. So könnte es aussehen. (Siehe diesen Wikipedia-Artikel zur Fresnel-Beugung .) Dies scheint eher für eine Lochblende als für eine große Kameraöffnung zu gelten. Und in diesem Beispiel ist die Mitte eher ein dunkler Fleck als ein heller Fleck. Für eine Kamera wäre der zentrale Punkt ausgeprägt und die Ringe klein und schwach, wie Ihr Diagramm.

Wenn Sie eine Punktquelle fotografieren, sollte das Foto idealerweise einen Punkt zeigen. In Wirklichkeit wird es einen Fleck zeigen. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, von denen einer die Beugung ist. Beugung ist eine "Einzelschlitz"-Interferenz, wobei der Schlitz in diesem Fall ein rundes Loch ist.

Aber die Interferenz wird mit Unvollkommenheiten in der Linse kombiniert. Diese werden als Aberrationen bezeichnet. Eine davon ist die sphärische Aberration. Es ist das Ergebnis der Herstellung einer Linse aus sphärischen Oberflächen (viel billiger) und nicht aus der idealen Form. Der Unterschied in der Form ist normalerweise winzig, aber genug, um einen kleinen Fleck zu machen.

Eine andere ist die chromatische Aberration. Der Brechungsindex von Glas ist nicht für alle Wellenlängen konstant. Rotes Licht kann also in einer anderen Entfernung fokussieren als blaues Licht.

Da sind andere. Der Weg, sie zu kompensieren, besteht darin, mehrere Objektive zu verwenden und die Aberrationen eines anderen zu kompensieren. Ein schwieriger Trick für eine Kamera, die möglicherweise funktionieren muss, um zu zoomen, sowie alle anderen Probleme. Wenn Sie gute Arbeit leisten, sind die Aberrationen so gering, dass die Beugung das größte verbleibende Problem darstellt. In diesem Fall ist die Linse beugungsbegrenzt und sehr teuer.

Wenn Sie an mehr interessiert sind, googeln Sie Fraunhofer-Beugung, Fresnel-Beugung, Airy-Scheibe und Linsendesign.

Das Prinzip heißt eigentlich Airy-Scheibe, benannt nach Sir George Biddell Airy, einem berühmten Astronomen im 19. Jahrhundert. Es ist gut untersucht und wichtig in der Fotografie und Bildgebung.

Bitte beachten Sie: Je kleiner der Durchmesser, desto schlechter die Auflösung, aber die Tiefenschärfe wird verbessert. Eine größere Blende liefert weniger Beugung und ein besseres Bild, aber einen Verlust an Schärfentiefe.