¿Qué es la difracción de la lente?

Cuando los fotógrafos hablan de la difracción del objetivo, se refieren al hecho de que una fotografía se vuelve cada vez menos nítida con valores de apertura pequeños : f/16, f/22, etc. A medida que reduce su objetivo a aperturas tan pequeñas, los detalles más pequeños de sus fotografías comenzarán a desdibujarse. Con razón, este efecto puede preocupar a los fotógrafos principiantes. Sin embargo, si comprende cómo la difracción afecta sus fotografías, puede tomar decisiones informadas y tomar las fotografías más nítidas posibles en el campo. En este artículo, exploraremos el tema de la difracción de lentes en detalle y hablaremos sobre las diferentes técnicas que puede utilizar para evitarlo.

Los efectos de la difracción, que su nitidez disminuye en aperturas cada vez más pequeñas, se muestran en la comparación a continuación. Tenga en cuenta que estos son cultivos bastante extremos:

La razón por la que esto ocurre se basa en los principios de la física; en resumen, a medida que la apertura se hace cada vez más pequeña, las ondas de luz se dispersan e interfieren entre sí cada vez más. Esto hace que pequeños detalles de tus fotografías se vean borrosos.

Sin embargo, esta explicación es demasiado simple y puede resultar confusa para los fotógrafos principiantes. ¿Qué, físicamente, causa la difracción? ¿En qué momento la difracción empieza a desenfocar tus fotografías? ¿Hay algo que pueda hacer para evitar la difracción? ¿Las lentes costosas son mejores para controlar la difracción? Las respuestas a todas estas preguntas se explicarán en profundidad a continuación.

¿Qué es la difracción?

Al explicar la difracción, puede ser difícil cruzar la línea entre evitar y adoptar referencias a la física óptica. La mayoría de los fotógrafos están interesados ​​en el conocimiento del día a día más que en una información general completa, pero es imposible hablar de difracción sin describir cómo funciona en un nivel fundamental. Dicho esto, esta sección pretende ser comprensible incluso si no es físico; recomendamos leerlo, ya que proporcionará una base más sólida para su comprensión de la difracción.

En su forma más básica, la difracción es el concepto de que las ondas, incluidas las ondas de luz, pueden interferir entre sí. De hecho, cada vez que las ondas pasan por una rendija, interfieren . Para que esto sea fácil de visualizar, considere ondas de agua. Si dejas caer una piedra en un lago perfectamente quieto, harás que se forme una onda de pequeñas olas. Estas ondas se extienden en círculos concéntricos, como en la imagen de abajo:

¿Qué pasa si creas una barrera para bloquear el camino de estas ondas? Sencillamente, detendrías su movimiento. esto es aburrido:

Entonces, para hacerlo interesante, cortas un agujero en la barrera para que pueda pasar el agua. Ahora, ¿qué tipo de patrones crearían las ondas?

Las ondas tienen un aspecto similar al esperado, aunque hay algunos patrones adicionales que se forman aparte de la onda principal:

Estos patrones adicionales son artefactos de la ola que se dobla alrededor de las esquinas. Surgen porque las dos esquinas actúan, esencialmente, como fuentes individuales de ondas, ondas que pueden chocar entre sí. En ciertas áreas de colisión, las ondas se anulan entre sí (interferencia destructiva); es por eso que algunas áreas del diagrama parecen completamente inmóviles. En otros lugares, sin embargo, las ondas se suman (interferencia constructiva), lo que hace que se forme un patrón adicional a los lados.

Para visualizar esto, digamos que hay un sensor a lo largo del extremo derecho del diagrama. Este sensor mide la intensidad de las ondas en un punto determinado, que aumenta con la amplitud de la onda. A continuación se muestra un gráfico de la intensidad:

Claramente, el patrón central es el más significativo. Los patrones a un lado todavía están presentes , pero no tienen casi la misma intensidad que el del centro. Esto significa que el patrón central es más significativo en la fotografía, como veremos en un momento. Sin embargo, por ahora, veamos qué sucede con una abertura grande versus una estrecha en la barrera. Tenga en cuenta que las imágenes a continuación se han simplificado y solo se incluye el patrón de onda central:

La principal diferencia entre estas dos imágenes es que la apertura más pequeña da como resultado una mayor dispersión de las ondas, mientras que la apertura grande provoca una dispersión mucho menor.

Eche un vistazo a una comparación entre los gráficos de las dos ondas:

Aunque al principio puede parecer inusual que una pequeña abertura conduzca a una mayor propagación de ondas, las ilustraciones anteriores deberían mostrar que tiene sentido lógico. Esencialmente, las aberturas más grandes permiten que las olas pasen sin mucha interferencia. Dado que las olas no están particularmente perturbadas, siguen un camino relativamente recto hacia el borde de la piscina. Sin embargo, las aberturas más pequeñas afectan una ola de manera más significativa, lo que hace que se doble en ángulos más pronunciados. (Esta es una ligera simplificación; para obtener más información técnica, recomiendo leer la página de Wikipedia sobre el principio de Huygens ).

Finalmente, tenga en cuenta que una apertura "pequeña" es relativa. De hecho, la abertura solo provoca difracción cuando tiene un tamaño similar a la longitud de onda que la atraviesa. Esta es la razón por la que la luz, que tiene una longitud de onda diminuta, no se difractará significativamente si pasa a través de una abertura de diez pies de ancho, aunque el océano sí lo haga.

¡Felicidades! Ahora entiendes la física de la difracción. En su forma más básica, una pequeña abertura hace que las ondas se doblen e interfieran entre sí; esto, a su vez, propaga su señal.

Difracción en Fotografía

Claramente, la difracción es un concepto importante en física. De hecho, un experimento similar (con dos rendijas en lugar de una) desempeñó un papel importante en la demostración de que la luz puede comportarse como una onda, uno de los descubrimientos más importantes de la historia científica. Pero, ¿cómo afecta esto a tu fotografía cotidiana?

Todo se reduce a la apertura de una lente. Como se muestra en la fotografía de arriba, las hojas de apertura en una lente actúan como una única rendija que deja pasar ondas de luz. Un patrón de la intensidad de la luz es exactamente lo que esperaría ver:

Esto, sin embargo, es un gráfico bidimensional. En el mundo real, un punto de luz se proyecta en tres dimensiones. Entonces, un gráfico más preciso aparece a continuación:

Este patrón tridimensional ocurre cada vez que la luz brilla a través de la apertura de la lente de la cámara. Cuando se proyecta en el sensor de su cámara, se ve así:

La figura anterior muestra lo que se conoce como  disco de Airy . Esto es, simplemente, la apariencia de un patrón de difracción cuando golpea el sensor de su cámara. La región central es la más brillante y tiene el mayor efecto en sus fotografías.

No es difícil saber por qué este disco de Airy puede hacer que una fotografía se vea borrosa. Ya sabemos que una pequeña abertura, o una pequeña abertura, hace que las ondas se propaguen. Esto significa que, en aberturas pequeñas, el disco de Airy se vuelve mucho más grande. Si puede imaginar el disco Airy golpeando el sensor de su cámara, obtendrá una imagen similar a esta, donde la cuadrícula representa los píxeles en su sensor:

Ahora, piense en una escena compuesta por innumerables fuentes diminutas de luz. Cada punto de luz viaja a través de la apertura de su lente; como resultado, cada parte de su fotografía se proyecta en su sensor como un disco Airy. Estos, como se muestra arriba, se vuelven más borrosos con valores de apertura pequeños. ¡Esta es la razón por la que ves la difracción!

Cámaras de megapíxeles altos versus bajos

La comparación anterior, que muestra un disco Airy golpeando los píxeles de su sensor, podría generar una pregunta: si los píxeles fueran más grandes , ¿no sería menos probable que el disco Airy se desangrara?

De hecho, ¡eso es completamente cierto! Los píxeles grandes, aquellos que son más grandes que el disco Airy, no muestran difracción en las mismas aperturas que una cámara de píxeles pequeños. Tal vez pueda detenerme en f/11 en la Nikon D700 de 12 megapíxeles antes de notar cualquier difracción, mientras que la D800/D810 de 36 megapíxeles mostraría una difracción visible en cualquier apertura inferior a f/5.6. Sin embargo, estos números no están escritos en piedra; Recomiendo probar su propia cámara para ver cuándo comienza a notarse la difracción (y, lo que es más importante, cuándo comienza a volverse objetable).

Sin embargo, esto no es un problema con los sensores de alta resolución. De hecho, si todas sus configuraciones son iguales, un sensor de alta resolución siempre capturará más detalles que un sensor de baja resolución del mismo tamaño. Más píxeles nunca conducirán a un menor detalle, incluso en las aperturas más pequeñas. Esto significa que, si imprime sus fotos al mismo tamaño, una foto Nikon D800/D810 siempre tendrá más detalles que una foto Nikon D700, todo lo demás igual.

Dicho esto, si compra la Nikon D800/D810, es muy probable que desee imprimir en tamaño grande o en píxeles. Si este es su caso, la difracción es absolutamente un problema mayor de lo que hubiera sido con un sensor de baja resolución. Para obtener la mejor nitidez posible de una D800/D810, debe prestar atención si su apertura es más pequeña que f/8. Nuevamente, recomiendo probar los límites exactos de su cámara usted mismo.

Sensores pequeños versus grandes

A menudo se dice que las cámaras con sensor de recorte (es decir, las cámaras DX Nikon) muestran la difracción más fácilmente que las cámaras de fotograma completo (FX Nikon). ¿Es esto un mito, o es cierto?

Comencemos con lo que sabemos. En una apertura dada en una lente, el disco Airy siempre tendrá el mismo tamaño físico. No importa qué sensor uses; esta es una propiedad de la física que solo depende de la apertura misma. Por ejemplo, ya sea que coloque una lente de 50 mm f/1.8 en la D750 de fotograma completo o en la D3300 con sensor de recorte, el tamaño de la proyección del disco Airy será idéntico (asumiendo la misma apertura).

Entonces, ¿dónde está la confusión? El problema surge del hecho de que el mismo disco Airy ocupa un porcentaje mayor de una cámara con sensor de recorte que una cámara de fotograma completo. Eche un vistazo al siguiente ejemplo:

De hecho, con el mismo tamaño de impresión, una cámara DX mostrará más difracción que una cámara FX. Esto se debe a que el sensor DX es esencialmente un recorte del sensor FX; en otras palabras, magnifica todo en su fotografía, incluida la difracción, al igual que el recorte en la posproducción.

La cantidad de difracción adicional es la misma que su factor de recorte. Entonces, para una cámara con sensor de recorte de 1.5x, multiplique su apertura por 1.5 para ver la difracción equivalente en una cámara de fotograma completo. Por ejemplo, el disco Airy en f/11 en una cámara DX ocupa aproximadamente el mismo porcentaje de su sensor que el disco Airy en f/16 en una cámara de fotograma completo.

Por supuesto, si usa una cámara DX, es posible que no imprima tan grande como lo haría con una cámara FX. Para muchos fotógrafos, entonces, no existe una diferencia práctica; las impresiones más pequeñas de una cámara DX cancelan la difracción adicional. Si imprime en tamaños grandes con una cámara DX, tenga en cuenta que la difracción será más significativa en una apertura determinada.

Difracción y profundidad de campo

La difracción disminuye la nitidez de una fotografía en aperturas pequeñas. Sin embargo, al mismo tiempo, las aperturas pequeñas aumentan la cantidad de profundidad de campo en una fotografía. Esto no es una contradicción, aunque puede ser confuso al principio. Mira, por ejemplo, la siguiente comparación:

Como puede ver, la foto f/22 tiene mucho más de la escena dentro de su profundidad de campo. Si quiero que todo el sujeto sea nítido, es mucho mejor que la fotografía a f/5.6. Sin embargo, veamos el punto de enfoque más de cerca:

Como puede ver, la foto f/5.6 es significativamente más nítida. (Click en la imagen para verla más clara.)

Esto, por supuesto, no significa que debas tomar todas las fotografías a f/5.6. Si necesita una gran profundidad de campo, no dude en utilizar aperturas más pequeñas; a veces, vale la pena la ligera reducción en la nitidez de la difracción.

Elegir la apertura más nítida

Siempre hay difracción en cada apertura de su lente. Esto tiene que ser cierto; la luz siempre necesita doblarse a través de una abertura, incluso si es muy grande. Sin embargo, en aperturas amplias como f/2.8 o f/4, el disco Airy es mucho más pequeño que los píxeles de la fotografía. Esto significa que la difracción es esencialmente imposible de ver en aperturas tan grandes.

Sin embargo, esto no significa que las aperturas grandes sean las más nítidas en una lente determinada. Como probablemente sepa, una lente tiende a ser más nítida cuando su apertura se detiene ligeramente. Por ejemplo, mi lente de 20 mm f/1.8 es más nítida en el centro en f/4. A continuación se muestra una tabla de nitidez para una lente de este tipo:

Entonces, ¿por qué el pico está en una apertura de f/4 en lugar de f/1.8? Eso está un poco más allá del alcance de este artículo, pero la esencia es que, en aperturas más grandes, más luz viaja a través de los bordes de una lente. Dado que el centro de una lente es la región mejor corregida, esto disminuye la nitidez de la fotografía (y aumenta su aberración esférica ). Una apertura más pequeña en realidad bloquea la luz que ha viajado a través de los bordes de una lente, lo que mejora la nitidez de una fotografía.

Este efecto, equilibrado con la disminución de la nitidez por difracción, es la razón por la que f/4 ofrece la mayor nitidez en un objetivo como el 20 mm f/1,8.

¿Cómo sabes qué apertura es más nítida en tu lente? Simplemente mire los resultados probados en línea. Sin embargo, no se preocupe demasiado por disparar siempre con la apertura “perfecta”. Por un lado, incluso los resultados de estas pruebas pueden ser ambiguos. En el gráfico anterior, por ejemplo, las esquinas de la lente son más nítidas en f/8. Por lo tanto, según el sujeto, es posible que prefiera esquinas más nítidas en lugar del centro más nítido posible.

Al mismo tiempo, incluso las aperturas subóptimas no se ven terriblemente borrosas. He hecho algunas impresiones grandes a partir de fotografías tomadas en f/16, y su calidad es más que suficiente para mis necesidades. Si necesita una apertura como esta, generalmente para aumentar la profundidad de campo, no tenga miedo de usarla.

(Si necesita la mayor profundidad de campo posible en una fotografía, como muchos fotógrafos de paisajes, le recomiendo leer sobre la distancia hiperfocal . Hay muchas similitudes entre estas dos propiedades de la fotografía).

Evitar la difracción

Ahora que entiendes la difracción, ¿cómo te aseguras de evitarla en tus fotografías? Desafortunadamente, la respuesta simple es que no puedes. La difracción es un resultado de la física. No importa qué tan bueno sea su lente; la difracción robará la nitidez en aperturas más pequeñas sin importar qué.

Aunque no puede eludir las leyes de la física, hay una forma de evitar la difracción en sus fotografías: use una apertura más grande. Si necesita la fotografía más nítida, esta es la única forma de evitar los efectos de la difracción. ¿Estás fotografiando una escena que necesita una gran profundidad de campo? Pruebe el apilamiento de enfoque en una apertura de f/5.6 o f/8, donde la difracción es mínima.

Al mismo tiempo, si usó una apertura pequeña (digamos, f/16 o f/22), puede mejorar el detalle aparente de una fotografía al aumentar la nitidez en el procesamiento posterior . En realidad, esto no elimina los efectos de la difracción, pero es una forma sencilla de mejorar las fotos tomadas con aperturas pequeñas.

En teoría, es posible corregir la difracción mediante un proceso de nitidez conocido como nitidez por deconvolución. Este tipo de nitidez es más efectivo cuando se tiene un modelo perfecto de la lente en cuestión, incluidas sus características ópticas exactas. Por esta razón, la nitidez de deconvolución genérica no reduce los efectos de la difracción en un grado significativo; Sin embargo, se sabe que la NASA utiliza este método para mejorar la nitidez de las fotografías del Telescopio Hubble. (Algunos fabricantes de cámaras, incluido Pentax, pueden tener una opción de menú de reducción de difracción; sin embargo, esto no es más que una máscara de enfoque estándar cocinada en su archivo RAW). Si desea probar el enfoque de deconvolución, aumente el control deslizante "Detalle" como tanto como sea posible en Lightroom o Camera Raw. Por supuesto, no será específico para su lente,

Sin embargo, aunque puede mejorar la nitidez de sus fotografías en el posprocesamiento, la mejor manera de disminuir la difracción es simplemente utilizar una apertura mayor.

Información extra

La apertura es un tema técnico; también lo es la interacción entre la luz y el sensor de la cámara. Parte de la información anterior se presenta como el mejor de los casos, y la realidad puede ser un poco más compleja. La mayor parte de la siguiente información no afectará la apariencia real de sus fotografías, pero vale la pena cubrir algunos de estos casos especiales.

Por ejemplo, la luz con longitudes de onda grandes difractará más fácilmente que la luz con longitudes de onda más cortas; esto significa que la luz roja (con una longitud de onda de alrededor de 650 nm) conduce a un disco de Airy más grande que la luz azul (alrededor de 475 nm) en la misma apertura. Entonces, en teoría, verá un poco menos de desenfoque por difracción si está trabajando en una luz extremadamente azul; en la práctica, este efecto es lo suficientemente pequeño como para tener poco impacto en sus fotografías.

Además, en la mayoría de las cámaras, no todos los píxeles que se combinan para hacer una fotografía detectan las mismas longitudes de onda de luz. Para los sensores con una matriz de píxeles de Bayer (incluidas las cámaras Nikon, Canon y Sony DSLR/sin espejo), la cantidad de píxeles de detección verde es el doble de la cantidad de píxeles rojos y azules. Esto significa que el diagrama de píxeles presentado anteriormente es una ligera simplificación; sin embargo, esto no cambia el hecho de que la borrosidad por difracción aumenta debido al tamaño del disco de Airy.

Finalmente, la representación del disco Airy en este artículo es un poco más simple de lo que parecería en el mundo real. Arriba, lo mostré como una serie de anillos concéntricos; en realidad, sin embargo, eso solo ocurriría si la apertura fuera perfectamente circular. La mayoría de las lentes tienen siete, ocho o nueve hojas de apertura, que (incluso cuando están curvadas) no son exactamente círculos. Entonces, el "disco Airy" se convierte en un "octágono Airy". Sin embargo, no existe una diferencia práctica en la apariencia de la difracción en sus fotografías; tus fotos se verán tan borrosas como bajas la lente.

Si tiene alguna pregunta sobre los puntos más finos de difracción, no dude en hacer una pregunta en la sección de comentarios; un solo artículo es demasiado corto para explicar todo lo que hay que saber sobre un tema tan complejo.

Conclusión

Teniendo en cuenta todas estas advertencias técnicas, la difracción puede parecer un tema fuera de lo común e inusual para discutir. Sin embargo, sus efectos son claros y significativos en sus fotografías, y vale la pena considerarlos mientras toma fotografías. Especialmente para los fotógrafos de paisajes y arquitectura, o cualquiera que quiera tomar fotos nítidas con una gran profundidad de campo, es importante comprender las ventajas y desventajas que surgen al disparar con una apertura pequeña.

La difracción está presente en todas sus fotografías y, si no tiene cuidado, puede robar algo de nitidez a sus imágenes favoritas. Sin embargo, una vez que vea sus efectos en la práctica, la difracción se convertirá en una segunda naturaleza.