Was ist eine „Beugungsgrenze“?

Es gab einige sehr gute Antworten, aber es gibt ein paar Details, die nicht erwähnt wurden. Erstens tritt bei jeder Blende immer eine Beugung auf, wenn sich das Licht um die Ränder der Blende biegt und eine „ luftige Scheibe “ erzeugt. Die Größe der luftigen Scheibe und der Anteil der Scheibe, der die äußeren Ringe umfasst, und die Amplitude jeder Welle in den äußeren Ringen nehmen zu, wenn die Blende abgeblendet wird (die physikalische Blende wird kleiner). Wenn Sie sich der Fotografie nähern wie Whuber in seiner Antwort erwähnte:

Stellen Sie sich eine Szene vor, die aus vielen kleinen diskreten Lichtpunkten besteht.

Sie erkennen, dass jeder dieser Lichtpunkte, wenn er von Ihrem Objektiv fokussiert wird, seine eigene luftige Scheibe auf dem Abbildungsmedium erzeugt.

Apropos Bildmedium

Es sollte auch klar sein, dass die Beugungsgrenze eigentlich keine Begrenzung eines Objektivs ist . Wie oben erwähnt, erzeugen Linsen immer ein Beugungsmuster, nur der Grad und das Ausmaß dieses Musters ändert sich, wenn die Linse abgeblendet wird. Die "Grenze" der Beugung ist eine Funktion des Abbildungsmediums. Ein Sensor mit kleineren Photosites oder ein Film mit kleinerer Körnung hat eine niedrigere Beugungsgrenze als solche mit größeren Photosites/Körnern. Dies liegt an der Tatsache, dass eine kleinere Photosite weniger von dem luftigen Scheibenbereich abdeckt als eine größere Photosite. Wenn die luftige Scheibe an Größe und Intensität zunimmt, wenn ein Objektiv abgeblendet wird, wirkt sich die luftige Scheibe auf benachbarte Fotostellen aus.

Die Beugungsgrenzeist der Punkt, an dem luftige Scheiben groß genug werden, dass sie beginnen, mehr als eine einzelne Photosite zu beeinflussen. Man kann es auch betrachten, wenn die luftigen Scheiben zweier vom Sensor auflösbarer Punktlichtquellen zu verschmelzen beginnen. Bei einer großen Öffnung können zwei von einem Sensor abgebildete Punktlichtquellen nur einzelne benachbarte Fotostellen beeinflussen. Wenn die Blende abgeblendet wird, wächst die von jeder Punktlichtquelle erzeugte luftige Scheibe bis zu dem Punkt, an dem die äußeren Ringe jeder luftigen Scheibe zu verschmelzen beginnen. Dies ist der Punkt, an dem ein Sensor "beugungsbegrenzt" ist, da einzelne Punktlichtquellen nicht mehr auf eine einzelne Fotoseite aufgelöst werden ... sie verschmelzen und decken mehr als eine Fotoseite ab. Der Punkt, an dem das Zentrum jeder luftigen Scheibe verschmilzt, ist die Auflösungsgrenze, und Sie können unabhängig von der verwendeten Blende keine feineren Details mehr auflösen. Dies ist die Beugungsgrenzfrequenz.

Es sollte angemerkt werden, dass es für eine Linse möglich ist, einen kleineren Fleck der Pixel in einem Abbildungsmedium aufzulösen. Dies ist der Fall, wenn luftige Scheiben, die durch eine Linse fokussiert werden, nur einen Bruchteil einer Fotostelle bedecken. Selbst wenn in diesem Fall zwei hochaufgelöste Punktlichtquellen luftige Scheiben erzeugen, die über einer einzigen Fotostelle verschmelzen, ist das Endergebnis dasselbe ... der Sensor erkennt unabhängig von der Blende nur ein einzelnes Punktlicht. Die "Beugungsgrenze" eines solchen Sensors wäre höher (z. B. f / 16) als für einen Sensor, der beide Punktlichtquellen (die bei f / 8 beugungsbegrenzt sein könnten) deutlich auflösen kann. Es ist auch möglich und wahrscheinlichdass Punktlichtquellen NICHT perfekt auf die Mitte einer Fotostelle fokussiert werden. Es ist völlig plausibel, dass eine luftige Scheibe an der Grenze zwischen zwei Fotostellen oder an der Verbindungsstelle von vier Fotostellen fokussiert wird. Bei einem Schwarz-Weiß-Sensor oder Foveon-Sensor (gestapelte Farbsensoren) würde dies nur zu einer Weichzeichnung führen. In einem Farb-Bayer-Sensor, bei dem eine quadratische Verbindung von 4 Fotoseiten ein abwechselndes Muster von GRGB-Farben erfasst, kann eine luftige Scheibe die endgültige Farbe beeinflussen, die von diesen vier Fotoseiten wiedergegeben wird, und eine Weichzeichnung oder falsche Auflösung verursachen.

Meine Canon 450D, ein 12,2-MP-APS-C-Sensor, hat eine Beugungsgrenze von f/8,4. Im Gegensatz dazu hat die Canon 5D Mark II, ein 21,1-MP-Vollbildsensor, eine Beugungsgrenze von f/10,3. Der größere Sensor kann, obwohl er fast doppelt so viele Megapixel hat, einen zusätzlichen Stopp einlegen, bevor er an seine Beugungsgrenze stößt. Dies liegt daran, dass die physische Größe der Fotoseiten auf der 5D II größer ist als die auf der 450D. (Ein gutes Beispiel für einen der zahlreichen Vorteile größerer Sensoren.)

Schraubenschlüssel in der Mischung

Im Internet stoßen Sie oft auf Tabellen, die eine bestimmte beugungsbegrenzte Blende für bestimmte Formate angeben. Ich sehe oft f/16 für APS-C-Sensoren und f/22 für Full Frame. In der digitalen Welt sind diese Zahlen im Allgemeinen nutzlos. Die beugungsbegrenzende Apertur (DLA) ist letztendlich eine Funktion des Verhältnisses der Größe eines fokussierten Lichtpunkts (einschließlich des luftigen Scheibenmusters) zu der Größe eines einzelnen lichtempfindlichen Elements auf einem Sensor. Für jede gegebene Sensorgröße, APS-C oder Vollbild, ändert sich die Beugungsgrenze abhängig von der Größe der Fotoseiten. Ein Beispiel dafür ist im Laufe der Jahre bei der EOS Rebel-Kamerareihe von Canon zu sehen:

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

Die Geschichte sollte für die Filmkorngröße ähnlich sein. Filme mit feinerer Körnung wären letztendlich anfälliger für Beugungserweichung bei niedrigeren Öffnungen als Filme mit größeren Körnern.

Die Beugungsgrenzfrequenz

Beugung wird oft als Bildkiller angepriesen und man spricht von der „Beugungsgrenze“ als dem Punkt, an dem man ein Bild nicht mehr „brauchbar“ auflösen kann. Im Gegensatz dazu ist die Beugungsgrenze nur der Punkt, an dem die Beugung beginnt , ein Bild für das von Ihnen verwendete Bildmedium zu beeinflussen. Die Beugungsgrenzfrequenz ist der Punkt, an dem zusätzliche Schärfe für eine bestimmte Blende unmöglich ist, und dies ist tatsächlich eine Funktion des Objektivs und der physikalischen Blende.

Die Formel für die Beugungsgrenzfrequenz für (perfekte) optische Systeme lautet wie folgt:

fc = 1 / (λ * f#) Zyklen/mm

Diese besagt, dass der Kehrwert der Wellenlänge des fokussierten Lichts multipliziert mit der Blendenzahl der Linse die Anzahl der Zyklen pro Millimeter ist, die aufgelöst werden können. Die Beugungsgrenzfrequenz ist im Allgemeinen der Punkt, an dem die Auflösung die Wellenlänge der Lichtfrequenzen selbst erreicht. Für sichtbares Licht liegt λ zwischen 380–750 nm oder 0,38–0,75 Mikrometer. Bis die Grenzfrequenz für eine gegebene Blende erreicht ist, kann eine höhere Auflösung erreicht werden.

Visuelle Beispiele

Whubers Bildfolge oben ist ein anständiges Beispiel für den Effekt der Beugung sowie für den Effekt optischer Aberrationen, wenn das Objektiv weit geöffnet ist. Ich denke, es leidet ein wenig unter einer Fokusverschiebung aufgrund von sphärischer Aberration, daher habe ich ein animiertes GIF erstellt, das die Auswirkungen der Änderung der Blende eines Canon 50 mm f/1,4-Objektivs von der größten auf die engste Blende in vollen Blendenschritten demonstriert .

(Hinweis: Das Bild ist groß, 3,8 Megapixel, laden Sie es also vollständig herunter, um den Vergleich der Schärfe bei jedem Stopp zu sehen.) Das Bild weist deutliche optische Aberration auf, wenn es weit offen aufgenommen wird, insbesondere chromatische Aberration und einige sphärische Aberration (es kann welche geben leichte violette Farbsäume ... Ich habe versucht, genau darauf zu fokussieren.) Auf Blende 2 abgeblendet, CA wird erheblich verringert. Von f/2.8 bis f/8 ist die Schärfe am besten, wobei f/8 ideal ist. Bei Blende 11 fällt die Schärfe aufgrund der Beugung ganz leicht ab . Bei Blende 16 und insbesondere Blende 22 wirkt sich die Beugung sichtbar auf die Bildschärfe aus. Beachten Sie, dass f/22 selbst mit Beugungsunschärfe immer noch erheblich schärfer ist als f/1,4 oder f/2.

Stellen Sie sich eine Szene vor, die aus vielen kleinen diskreten Lichtpunkten besteht . Ein Objektiv soll jeden Punkt in einen anderen Punkt an einer geeigneten Stelle des Bildes umwandeln. Die Beugung bewirkt, dass sich jeder Punkt in einem kreisförmigen wellenartigen Muster, der Airy-Scheibe , ausbreitet . Der Durchmesser der Scheibe ist direkt proportional zur Blendenzahl: das ist die „ Beugungsgrenze “.

Wenn die Blendenzahl von ihrem Minimum (ein weit geöffnetes Objektiv) erhöht wird, kommt das Licht, das auf einen Punkt auf dem Bild fällt, aus einem schmaleren Bereich des Objektivs. Dadurch wird das Bild tendenziell schärfer. Wenn die Blendenzahl erhöht wird, werden die Airy-Scheiben größer. Irgendwann gleichen sich die beiden Effekte aus, um das schärfste Bild zu erzeugen. Dieser Punkt liegt bei SLR-Kameras typischerweise im Bereich von f/5,6 bis f/8. Bei kleineren Blendenzahlen übernehmen die Gesamteigenschaften des Objektivs (seine Aberrationen) die Wirkung, um ein weicheres Bild zu erzeugen. Bei größeren Blendenzahlen wird die Weichheit durch den Beugungseffekt dominiert.

Mit eigenen Objektiven und ohne spezielles Equipment kann man das recht gut messen . Montieren Sie die Kamera auf einem Stativ vor einem scharfen, detaillierten, gut beleuchteten flachen Ziel mit viel Kontrast. (Ich habe eine Seite aus einer Zeitschrift verwendet; es hat gut funktioniert.) Verwenden Sie Ihre besten Einstellungen: niedrigste ISO, richtige Belichtung, Spiegel verriegelt, mittlere Brennweite für ein Zoomobjektiv (oder auch die Brennweite variieren), mittlere Entfernung, perfekt im Fokus, RAW-Format. Nehmen Sie eine Fotoserie auf, bei der Sie nur die Blende und die Belichtungszeit variieren (um die Belichtung konstant zu halten). Betrachten Sie die Bildfolge bei 100 % auf einem guten Monitor: Sie werden sehen, wo der "Sweet Spot" Ihrer Kamera liegt, und Sie werden die Auswirkungen der Verwendung von größeren oder kleineren Blenden sehen.

Die folgende Sequenz stammt aus einer Serie für das Canon 85 mm f/1.8 Objektiv, das ziemlich gut ist. Von oben nach unten sind 100 % Ausschnitte (konvertiert in hochwertiges JPEG für die Webanzeige) bei f/1,8, 2,8, 5,6, 11 und 22. Sie können die zunehmenden Effekte der Beugung bei f/11 und f/22 Zoll sehen die beiden unteren Bilder. Beachten Sie, dass bei diesem speziellen Objektiv , das mit dieser speziellen Kamera verwendet wird (EOS T2i, ein APS-C-Sensor), die Beugungsweichheit bei hohen Blendenzahlen nicht an die Weichheit heranreicht, die bei weit geöffnetem Objektiv zu sehen ist. Vergleichbare Informationen für Ihre eigenen Objektive zu haben, die in wenigen Minuten erhältlich sind, kann für die Auswahl der Belichtungsparameter bei wichtigen Fotos wertvoll sein.

f/1.8

Blende 2,8

Blende 5,6

Blende 11

Blende 22

Beugung passiert. Es ist eine Tatsache des Lebens. Wenn Objektive weit offen verwendet werden, sind andere Linsenaberrungen viel zu auffällig, als dass Sie einen geringfügigen Schärfeverlust aufgrund von Beugung bemerken könnten. Stoppen Sie ein wenig, und diese Aberrationen werden minimiert - das Objektiv scheint einfach besser und besser zu werden. Beugung ist vorhanden, aber Sie bemerken sie immer noch nicht wirklich, da Licht, das nicht in der Nähe der Ränder vorbeikommt, das Licht, das etwas zu nahe an den Blendenlamellen vorbeigeht, deutlich übertrifft .

Irgendwann, während Sie das Objektiv abblenden, beginnen die Gewinne, die Sie durch Eliminieren der optischen Unterschiede zwischen den mittleren und äußeren Teilen der Linsenelemente erzielen, zu verschwinden – es gibt nicht mehr genug scharf fokussiertes Licht, um das Äußere zu übertönen. unscharfes Bild, das durch Lichtbeugung an den Rändern des Strahlengangs verursacht wird (Beugung). Das Objektiv wird nicht mehr besser, wenn Sie abblenden - es wird zu viel Licht gebeugt im Vergleich zu dem Licht, das durch die Mitte fällt. Ab diesem Punkt wird das Bild durch Abblenden weicher.

Der Punkt, an dem das Objektiv so weit wie möglich abgeblendet wird, ohne die Weichheit zu erhöhen, ist die Beugungsgrenze. Bei einigen Objektiven ist das so weit, wie Sie abblenden können – Nikon zum Beispiel hat bei vielen seiner Designs traditionell eine relativ große Mindestblende (f/16) beibehalten. Bei anderen Objektiven (insbesondere Makros) stehen Ihnen möglicherweise noch ein paar Stopps oder mehr zur Verfügung. Überlegungen zur Tiefenschärfe können bei einigen Anwendungen wichtiger sein als absolute Schärfe.

Die gesamte Fotografie ist ein Kompromiss. Es mag Zeiten geben, in denen Sie weiter als das Optimum abbremsen möchten, aber es hilft, sich der Kompromisse bewusst zu sein, die Sie eingehen. Abblenden ist eine einfache Antwort auf DOF, aber wenn Sie Landschaften lieben und sie alle mit f/22 oder f/32 aufnehmen, ist es vielleicht an der Zeit, sich ein Tilt/Shift-Objektiv anzusehen.

Während die Antworten bereits hier die Beugung gut beschreiben. Die Beugungsgrenze wird am häufigsten verwendet, um den Punkt zu beschreiben, an dem das Abblenden Ihres Objektivs keine weiteren Details in Bezug auf die Pixelgröße des Sensors Ihrer Kamera liefert.

Wenn Sie die Beugungsgrenze Ihrer Kamera erreicht haben, erhalten Sie mit JEDEM Objektiv, das über diese Blende hinaus gestoppt wird, weichere Ergebnisse. Sie hängt direkt mit der Größe einzelner Pixel zusammen, nicht mit der Sensorgröße.

Bei modernen DSLRs wird die Beugungsgrenze zwischen F/11 und F/16 erreicht. Bei Kameras mit kleinen Sensoren kann es F/8 oder sogar weniger sein. Sie werden feststellen, dass die meisten winzigen Kameras aus genau diesem Grund keine kleineren Blenden als F/8 verwenden. Einige verwenden sogar eine feste Blende (F / 3,5 oder so) und simulieren weniger einfallendes Licht, indem sie einen ND-Filter aufschieben, anstatt abzublenden. Leider haben sie den simulierten Blendenwert tatsächlich in das EXIF ​​eingefügt, sodass Sie die Kamera kennen müssen, um zu erkennen, dass sie einen ND-Filter anstelle einer normalen Blende verwendet.

Diese Seite auf der Website von Cambridge In Color enthält eine detaillierte technische Erklärung der Beugungsgrenze. Es hat auch einen Online-Rechner, mit dem Sie überprüfen können, ob eine bestimmte Kombination aus Blende, Kamera, Druckgröße und Betrachtungsabstand beugungsbegrenzt ist oder nicht.

Kurze Antwort…

Die Beugungsgrenze ist der kleinste Fleck, den ein bestimmtes Linsensystem erzeugen/auflösen/fokussieren kann.

Armwinken: Linsen können Licht auf einen kleinen Fleck fokussieren, aber nicht auf einen Punkt. Die Punktgröße kann mit der Wellenlänge variieren, wobei kurze Wellenlängen kleinere Punktgrößen bilden als längere. Wenn ein sehr gutes, aberrationsfreies (beugungsbegrenztes) Objektiv verwendet wird, erzeugt kollimiertes Licht eine luftige Scheibe als Fleck im Fokus. Eine luftige Scheibe ist immer noch der kleinste Fleck, der mit dieser Linse bei dieser Öffnung mit dieser Wellenlänge (unter Verwendung von kollimiertem Licht) erzeugt werden kann. Größere Aperturen erzeugen kleinere Punktgrößen mit engerem Fokus und reduzierter Schärfentiefe als kleinere Aperturen.

Beachten Sie, dass Sie mit einer Bildszene keine luftige Scheibe erzeugen können. Kollimiertes Licht bildet kein Bild.

Puh, halt da halt : Größere numerische Aperturen erzeugen kleinere Spots macht Sinn, wenn man bedenkt, dass in der Formel die Apertur als Kehrwert verwendet wird. Auch hier spielt die Streuung eine Rolle.

Die Beugungsgrenze ist die maximale Schärfegrenze eines Objektivs aufgrund physikalischer Gesetze. Grundsätzlich können Sie kein schärferes Foto machen, egal wie viele Pixel Ihre Kamera hat oder wie perfekt das optische System ist.

Der unerwünschte Effekt tritt auf, wenn Sie den Zoom größer einstellen, als es die Beugungsgrenze zulässt, und ein Foto nicht schärfer, sondern nur größer wird. Dies geschieht häufig in Teleskopen und Mikroskopen. Aus diesem Grund werden auch elektronische Mikroskope anstelle von optischen verwendet, da die optischen nicht deutlich schärfer als X sehen können.

Immersionsflüssigkeiten ermöglichen es, die Grenze zu erhöhen, um Fotos mit höherer Auflösung in der optischen Mikroskopie zu machen.