Полагаю, нет никакого секрета в том, что на средних диафрагмах (f4-f8) снимки получаются более резкими. В качестве подтверждения приведу результаты независимых измерений с сайта photozone.de для объектива Canon EF 50/1.2 USM L.
На графике отчетливо видно, что наилучшая резкость в центре достигается на диафрагме 4, а по всему полю кадра на диафрагме 5.6. При этом диафрагма 1.2 дает существенное снижение качества. Изменение резкости неизбежно происходит при смене диафрагмы при прочих равных условиях. Причина заключается в явлении дифракции. Разберемся с этим подробнее.
Свет имеет корпускулярно-волновую природу, схожую со звуком, жидкостями и т.п. Что происходит со звуком, который проходит через небольшое отверстие, при полной звукоизоляции препятствия? Звуковые волны распространяются так, словно отверстие является источником звука. И действительно, в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля, при прохождении волн через отверстие в препятствии, отверстие можно рассматривать как источник вторичных волн, которые распространяются во все стороны с той же скоростью, что и первичные волны.
Свет не является исключением. Свет имеет свойство как бы огибать препятствия при их прохождении. Это называется Дифракцией - явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Причем при уменьшении размера отверстия волны рассеиваются и накладываются друг на друга сильнее. При сильной закрытой диафрагме лучи рассеиваясь проходят разное расстояние до фокальной плоскости и часть лучей, соответственно, оказываются в другой фазе. В результате наблюдается эффект получения дифракционного рисунка, показанного на рисунке выше. Для идеально круглого отверстия плоский дифракционный рисунок называется «диском Эйри», в честь его первооткрывателя Джорджа Эйри. Размер кружка рассеивания (определяется как диаметр первого тёмного круга) используется в качестве определения теоретического предела разрешающей способности объектива.
Диаметр диска Эйри определяется формулой:
D = 1.22*λ*f
где
λ - длина волны света, прошедшей через объектив (в фотографических расчетах используют 546 нм)
f - диафрагменное число
А теперь, представьте, что свет проходя через объектив создает на матрице две рядом находящиеся точки (два диска Эйри), которые мы можем различить. Закрывая диафрагму, происходит расширение дисков Эйри и в какой то момент эти точки сливаются друг с другом, т.е. различие между ними исчезает. Это определяется критерием Релея: два диска Эйри воспринимаются зрением как два в том случае, если между их максимумами имеется минимум с интенсивностью на 20% меньше. Иначе наш глаз не способен их видеть как два, и говорят, что они не разрешаются.
А теперь вспомним, что в фотоаппарате разрешение определяется системой объектив-сенсор. То есть за величину принимается наибольшее значение разрешающей способности. Другими словами, пока диск Эйри меньше размера пикселя, разрешающую способность определяет разрешение матрицы, а как только диск Эйри превысит размер пикселя, то соответственно за разрешающую способность уже отвечает объектив. Так вот дифракционным пределом для системы объектив-камера принято считать размер пикселя. Когда диск Эйри становится соизмеримым с размером пикселя говорят, что достигнут дифракционный предел. Вот почему на кроп-камерах с маленьким размером пикселей так важно использовать объективы высокого качества.
Можно рассчитать теоретический дифракционный предел для камеры. Например, возьмем сенсор камеры Canon EOD 5D Mark III. Размер пикселя 6.08 мкм.
f = D/(1.22*λ)=6.08/(1.22*0.546)=9.1
Обратите внимание на то, что это теоретический дифракционный предел, которые не учитывает множество факторов, таких как, аберрации, освещенность сцены и т.п. Кроме того формула подразумевают идеально круглое отверстие, тогда как диафрагма формирует в действительности многоугольник. Также нужно помнить, что в камерах используется фильтр низких частот, размывающий изображение для борьбы с муаром.
А как же быть с открытыми диафрагмами? Ведь казалось бы, чем шире отверстие, тем резче должно быть изображение, а в самом начале статьи мы обратили внимание на то, что это вовсе на так. Дело в том, что чем больше отверстие диафрагмы, тем больше света попадает на сенсор, и свет этот собирается с большей поверхности линз и чем ближе к краям, тем больше искажений происходит при этом. Взгляните на самый первый график, приемлемая резкость у Canon EF 50/1.2 USM L начинается где-то f2.
Что же это получается? Объективы имеют предельные диафрагмы f1.2 и f22, а пользоваться ими нельзя? Да нет, можно и даже нужно при определенных условиях, когда фотограф готов пожертвовать некоторой потерей детализации для увеличения глубины резкости, например. Вопрос лишь в том, насколько готов пожертвовать фотограф резкостью. И этот момент точно нельзя доверять автоматическим режимам, по крайней мере на сегодняшний день.
Еще один замечательный вывод можно сделать, что дальнейшее увеличение мегапиксельности камер не будет приводить к увеличению детализации, поскольку не существует объективов с требуемой разрешающей способностью. Потому, можно купить хоть теоретическую 100 мегапиксельную камеру, изображения четче не станут.
В заключении хочется привести слова Энсела Адамса: «Нет ничего хуже, чем резкая фотография с нечёткой идеей». Не следует гнаться за сверхрезкими фотографиями. Во многих случаях, особенно в портретной съемке некоторая мыльность снимка только улучшит восприятие. Так или иначе, знания о влиянии различных факторов на качество снимка не являются лишними.
Практическое задание
Распечатайте две мишени: отсюда и отсюда. Снимайте их со штатива, полностью заполнив кадр с ISO 100 или 200. Меняя диафрагму изучите при каких диафрагмах резкость начинает ухудшаться для вашего объектива. Сравните результаты с тестами на photozone.de.
