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La Diffrazione : un fenomeno spesso trascurato


Capita a volte girando per i vari forum di sentire strane (per essere educati) affermazioni, in cui si confonde la "nitidezza" di una foto con la "profondità di campo" e di vedere, quindi, consigli relativi all'apertura del diaframma anche correlati a problematiche di nitidezza dell'immagine. :suicide:
 
Senza alcun dubbio, scegliere un diaframma più chiuso aumenta la PDC, ma la stessa cosa non può dirsi per la "nitidezza" la quale, anzi, oltre un certo valore di diaframma, può peggiorare a causa del fenomeno che é conosciuto con il nome di ... Diffrazione.
 
 
La "Diffrazione" é un effetto ottico che può limitare la "risoluzione" di una foto indipendentemente dalle dimensioni del sensore e da quanti Mpixel si abbiano.
 
Normalmente la luce si propaga nell'aria in linea retta, ma comincia a "deviare" se attraversa un foro e, più piccolo é il diametro del foro, maggiore  é la deviazione che i nostri fasci di luce subiscono.
 
Naturalmente quest'effetto é, nella maggior parte dei casi, trascurabile, ma può provocare problemi nel caso di diaframmi molto chiusi.
 
Cerchiamo di capire allora cosa é questa "Diffrazione" e quando essa ci può creare dei problemi.
 
 
 
Fasci di luce paralleli che passano attraverso una piccola apertura "divergono" ed interagiscono l'uno con l'altro secondo un fenomeno che prende il nome di "interferenza".
 
Il quanto i raggi luminosi divergano e quanto interferiscano tra loro é cosa legata alla frequenza della luce ed alla dimensione del foro attraverso cui i raggi passano; tende comunque ad intensificarsi al ridursi del diamtero del foro.
 
 

Immagine Allegata: 1.gif

 
Foro grande - Poca divergenza
 
 


 
Immagine Allegata: 2b.gif

 
Foro piccolo - Grande divergenza

 
 
Poiché i raggi che divergono percorrono distanze diverse per raggiungere la stessa superficie, non sono più in "fase" tra di loro, ma cominciano ad interferire l'uno con l'altro, addizionandosi o sottraendosi (proprio a secondo della fase) e creando così delle zone a differente illuminazione.
 
 

Immagine Allegata: 3b.gif Immagine Allegata: 2.gif

 
Creazione di zone di luce ed ombra a causa dell'interferenza

 
 
Guardando frontalmente l'immagine ottenuta é possibile distinguere una serie di cerchi concentrici di differente luminosità e la figura visualizzata prende il nome di "Dischi di Airy" dal nome di George Airy che li scoprì. La rappresentazione in 3D mostra l'intensità della luce in funzione della distanza dal centro :
 
 

Immagine Allegata: 3.gif <--> Immagine Allegata: 4.gif

 
 
Risulta evidente che, quando il diametro del picco centrale del "Disco di Airy" assume dimensioni rilevanti rispetto alle dimensioni del singolo pixel della fotocamera, esso comincia ad avere un effetto visivo sull'immagine. Altrettanto ovvio é che se due "Dischi di Airy" sono così vicini da sovrapporsi per più del 50% essi non sono più distinguibili (criterio di Rayleigh) così come illustrato dalle immagini che seguono :
 
 

Immagine Allegata: 5.png ... Immagine Allegata: 6.png

 
 
 

Immagine Allegata: 7.gif

 
 
La "Diffrazione" crea quindi un limite nella "Risoluzione" dell'immagine che é del tutto indipendente dalle dimensioni del sensore o dal numero dei Megapixel, bensì é funzione dell'apertura dell'obiettivo (F stop), delle dimensioni del singolo pixel e, in realtà, anche della lunghezza d'onda della luce.
 

 
A questo punto, se si ricorda che i comuni sensori a matrice "Bayer"catturano un solo colore per ogni celletta e che più cellette, contigue tra loro, vengono interpolate per ottenere un singolo pixel, si ha che in realtà, per cominciare adavere un effetto visibile, il "Disco di Airy" deve coprire almeno due cellette del sensore.
 
Non solo, sempre facendo riferimento alla matrice "Bayer", sappiamo che le cellette sensibili al colore Verde sono il doppio diquelle sensibili agli altri due colori (Rosso e Blu), il che comporta che il primo "colore" dove la diffrazione mostrerà di più i suoi effetti sarà proprio il Verde.
 
Grazie invece alla lunghezza d'onda più corta della luce tendente verso il Blu, considerando che, come abbiamo detto, questo fenomeno é funzione anche proprio della lunghezza d'onda, questo colore sarà l'ultimo che mostrerà i segni della diffrazione.
 
 
Vediamo quindi ora alcuni test che ho effettuato utilizzando come riferimento una tavola ISO12233.
 
 

Immagine Allegata: 8.jpg

 
 
Gli scatti sono stati effettuati con il Nikkor 24mm f/2.8 montato sulla D2X, il tutto su cavalletto e comando a distanza. Gli scatti RAW sono stati "sviluppati", senza modificarne la nitidezza o altro, con Bibble Pro 4.9.8b. Con PaintShop Pro sono poi stati effettuati i crop dell'area di interesse.
 
Ecco i risultati ad alcuni diaframmi :
 

 

 
Primo gruppo : F2.8 / F4 / F5.6
 
Immagine Allegata: 1a.jpg Immagine Allegata: 2a.jpg Immagine Allegata: 3a.jpg
 
Secondo gruppo : F8 / F11
 
Immagine Allegata: 1b.jpg Immagine Allegata: 2b.jpg
 
Terzo gruppo : F16 / F22
 
Immagine Allegata: 1c.jpg Immagine Allegata: 2c.jpg
 
 
 

 

Se si esamina con attenzione la zona attorno al valore "10" in tutte le immagini si trova che la risoluzione, a partire da diaframmi molto aperti (F2.8) é, come c'era da aspettarsi, inferiore a quella di diaframmi più chiusi (es. F8), poi cresce fino a raggiungere il miglior valore proprio attorno ad F8 e quindi cala di nuovo con un visibile peggioramento a F22.
 
Ovviamente nel caso di diaframmi aperti a peggiorare la risoluzione non é il fenomeno della "Diffrazione", ma morbidezze intrinseche nell'obiettivo ad aperture così elevate, mentre, a partire da F16 comincia a subentrare la "Diffrazione" che mostra ben evidenti i suoi effetti a F22.
 
Bene, ora provate anche Voi a scoprire i limiti introdotti dalla diffrazione !
 
Un buon metodo é quello di prendere un bel pullover (magari d'angora o di mohair) o un qualche altra cosa a fibre fitte e sottili e ... fotografare da vicino ai vari diaframmi. La perdita di nitidezza a diaframmi molto chiusi (F22, F32) dovrebbe essere più che evidente Immagine inserita
 
Tutto questo non vuole ovviamente essere una battaglia contro i diaframmi troppo chiusi, anzi, essi sono fondamentali per la buona riuscita di foto con grande profondità di campo o per foto con tempi molto lunghi, magari per creare ad arte sfocature (es. ripresa di acqua che scorre).
 
Inoltre, anche se il fenomeno della "Diffrazione" é importante ai fini della risoluzione, in realtà su di essa incidono molti altri fattori; imperfezioni dell'obiettivo, imprecisioni nella messa a fuoco, micromosso, ecc. ecc. possono sicuramente rendere meno "nitida" una foto.
 
©2007 - 2010 Guglielmo Braguglia per Nikonland - riproduzione riservata
 
 




24 Comments

Foto
Adriano Max
ago 20 2007 11:18
Molto interessante

:bravo:

in effetti convalida in pieno quanto ho osservato: il diaframma f/8 ? il miglior diaframma minimo con tutti i miei obiettivi fissi provati (Ais24mm f/2,8, AFD50mm f/1,8, Ais85mm f/2, Sigma150mm f/2,8). A distanze macroscopiche non mostrano sostanziali differenze anche a f/11 e f/16, ed in genere il range di diaframmi che uso con i fissi per avere eccellenti risultati sta tra f/4 e f/16, ma se cerco la qualit? fermo il diaframma a f/8 e poi faccio considerazioni sulla pdf... Chiudo f/22 e apro a 2,8 e oltre solo se serve... con il 24 per eccellenti risultati devo scartare anche f/4 e chiudere a f/5,6 (anche se gi? a f/4... :) )

In macrofotografia (1:1) il limite ? pi? evidente: gi? da f/11 si nota un calo di qualit?.

Ciao,
Adri.
Foto
Mauro Maratta
ago 20 2009 13:05
Ho riscontrato (ad occhio) che la diffrazione ? effettivamente meno evidente con la D3 e la D3x.

Ma non l'ho verificato sperimentalmente.

Tu Guglielmo hai avuto la stessa curiosit? ?

Ho riscontrato (ad occhio) che la diffrazione ? effettivamente meno evidente con la D3 e la D3x.

Ma non l'ho verificato sperimentalmente.

Tu Guglielmo hai avuto la stessa curiosit? ?

Si, ma non ho ancora avuto tempo di fare una prova con la "chart" ...
... cosa che mi riprometto di fare per un ... prossimo articolo :)

Guglielmo
Come al solito ottimo articolo: chiaro e semplice.

Volevo solo aggiungere una piccola cosina, troppo spesso trascurata anch'essa.

Prendiamo la tua immagine del "foro grande":
Immagine Allegata: post_42_1186142297.gif

Ovviamente la diffrazione ? minima.
Altrettanto ovviamente, se il foro ? "enorme", la diffrazione ? nulla...
...tranne che ai bordi. :rolleyes:

Perch? il raggio luminoso che arriva bello perpendicolare al piano pellicola sfiorando il bordo di un foro (o qualsiasi spigolo, che possiamo immaginare come un "foro di dimensioni infinite) non lo sa quanto ? grande quel foro.
Di conseguenza si comporter? come se si trovasse su un bordo qualsiasi.

Da qui il fatto che spesso gli spigoli non appaiono perfettamente incisi come ci si aspetterebbe. :)

Non addentriamoci oltre, per?, perch? quella mancanza di incisione dipende da molti fattori (distanza dal soggetto, tipo di luce...), ed ? persino responsabile della CA.
Ma tutto questo in un'altra puntata.
a_
Foto
giannizadra
ott 07 2010 11:25
Ottimo "pezzo".
Mi sento solo di formulare qualche piccola nota a margine.

1) A livello teorico (e quindi a parit? di tutto il resto) il degrado indotto dalla diffrazione ai diaframmi chiusi ? legato alle dimensioni del singolo pixel, indipendentemente dal formato del sensore.
Il decadimento "difrattivo" sar? quindi pi? elevato sulla D3x che sulla D3, per esempio.
Metto in proposito un link a una tabella che tenta (fra l'altro) di deteminare il diaframma-limite compatibile con un effetto difrattivo accettabile per vari sensori. Da non prendersi per oro colato, naturalmente... ma ? interessante:
http://www.phme.it/2...ne-e-megapixel/

2) Tutti si occupano della nitidezza degli angoli estremi a f/2,8.
Pochissimi della "resistenza" di un'ottica alla diffrazione. Eppure gli obiettivi sotto questo aspetto, a parit? di diaframma e sensore non si comportano affatto allo stesso modo, anzi...
Io, che uso spesso l'iperfocale e il tutto-a-fuoco, mi preoccupo molto di pi? della nitidezza dei miei grandangoli a f/16 e f/22 che non della resa a f/1,4 (fissi) o a f/2,8 (zoom): infatti nei recessi estremi dell'angolino raramente piazzo il soggetto a fuoco a TA. Anzi, mai.
Questo in funzione delle foto; quando il mio hobby diventer? il cropwatching al 400% a monitor, si vedr?... :rolleyes:
Foto
Paolo Tagliaro
ott 07 2010 11:40
Una domanda: visto che il diametro del diaframma varia in funzione della lunghezza focale, questa ? parte delle variabili che determinano la diffrazione?

Ottimo "pezzo".
Mi sento solo di formulare qualche piccola nota a margine.

1) A livello teorico (e quindi a parit? di tutto il resto) il degrado indotto dalla diffrazione ai diaframmi chiusi ? legato alle dimensioni del singolo pixel, indipendentemente dal formato del sensore.
Il decadimento "difrattivo" sar? quindi pi? elevato sulla D3x che sulla D3, per esempio.
Metto in proposito un link a una tabella che tenta (fra l'altro) di deteminare il diaframma-limite compatibile con un effetto difrattivo accettabile per vari sensori. Da non prendersi per oro colato, naturalmente... ma ? interessante:
http://www.phme.it/2...ne-e-megapixel/
... omissis ...

... difatti, come hai notato, nell'articolo non si parla di dimensioni del sensore (che, all'epoca, 2007, erano tutte le stesse ... DX :) ), ma, nella tabella, sono proprio rappresentati i singoli pixel (in funzione delle varie fotocamere). ;)

Guglielmo

Una domanda: visto che il diametro del diaframma varia in funzione della lunghezza focale, questa ? parte delle variabili che determinano la diffrazione?

Immagino tu parli della formula per il calcolo di F ... ovvero "Lunghezza focale / Diametro della foro d'entrata della luce" ...
ovvio che se F rimane costante, pi? ? piccola la lunghezza focale, pi? piccolo deve essere il foro d'entrata della luce e quindi ... prima arrivi al fenomeno della diffrazione :)

Guglielmo
Foto
giannizadra
ott 07 2010 14:15
Attenti comunque (l'articolo giustamente lo sottolinea) a non farci spaventare eccessivamente dalla diffrazione.
Quando la profondit? di campo serve tutta, diaframmiamo.
L'importante ? conoscere il comportamento dei nostri vetri.
Qui il 17-35/2.8 a 17mm, f/18. "Buchetto" del diaframma minuscolo, e pure in controluce.
Cionondimeno c'? tutta la nitidezza che serve... anzi, di pi?.

Immagine Allegata: _GZ10660.jpg
caspita Guglielmo... che articoloni fantastici scrivevi +40kg fa ... he he !!

a parte scherzi complimenti veri ma avrei anche una domanda...

se la diffrazione ? una questione fisica non aggiustabile con la meccanica.. allora anche le lenti macro (come tutte le altre)
nulla possono fare per ridurla... giusto ?

allora nel caso dello still-life, con il mio 60 macro, oltre ad f16 avrei comunque una perdita di nitidezza...
deduco che se sono alla ricerca della massima nitidezza allora meglio puntare su F8 (PDF permettendo) .. giusto ?

ma allora perch? tutti i prof di still-life che conosco prediligono il f22 ... ?
Foto
Adriano Max
ott 07 2010 16:19

ma allora perch? tutti i prof di still-life che conosco prediligono il f22 ... ?


Per ragioni di profondit? di campo,Andrea !!
E' anche il motivo per cui i sensori di GRANDI dimensioni hanno un futuro !!
;)

Ciao,
Adri.

caspita Guglielmo... che articoloni fantastici scrivevi +40kg fa ... he he !!

... 45 Kg fa ... per la precisione :lol:

...
ma allora perch? tutti i prof di still-life che conosco prediligono il f22 ... ?

Ci sono due possibilit? ... e, dato che sono buono, comincio dalla prima, la "Profondit? di campo" ... l'ignoranza la lascio come seconda opzione ...

Lo still-life normalmente si fa a distanze ravvicinate, mettiamo per semplificare di riprendere un qualche cosa con una FF, con il 60mm a 100 cm (1 mt.) di distanza ... a F11 la PdC ? in totale di soli 17,9 cm (8,1 cm davanti - 9,7 cm dietro) ... passando a F22 la PdC sale a ben 36,6 cm (15,1 cm davanti - 21,5 cm dietro), pi? del doppio ... capisci che c'? una bella differenza e che, anche se l'immagine, ingrandita a monitor al 400% risulta meno nitida ... chisse frega, l'importante ? che stia tutto a fuoco e che l'immagine venga bene in stampa :)

La seconda possibilit?, come dicevo, ? che della PdC non sappiano nulla ma lo fanno per "aver inteso dire" da qualcuno che prima di loro "aveva inteso dire" ... e cos? via ! Brutta cosa l'ignoranza e chi copia senza ragionare con la propria testa ...

Tu non seguire "senza ragionare" gli altrui consigli ... fai le tue prove e, in funzione della PdC (QUI il calcolatore) prova varie aperture e guarda quella che, rispettando la PdC voluta, ti da la migliore definizione ;)

Ah ... non dimenticare che la teoria e i calcoli teorici sono una bella cosa, ma poi ... sono i risultati finali e quello che l'occhio umano riesce a distinguere che conta !!! :)

Guglielmo
Foto
Paolo Tagliaro
ott 07 2010 16:43

E' anche il motivo per cui i sensori di GRANDI dimensioni hanno un futuro !!


Ma aumentando le dimensioni del sensore bisogna avvicinarsi per "riempirlo" e quindi chiudere di pi? il diaframma per avere la stessa PDC.

cut
Ah ... non dimenticare che la teoria e i calcoli teorici sono una bella cosa, ma poi ... sono i risultati finali e quello che l'occhio umano riesce a distinguere che conta !!! :)

Guglielmo


prima d'oggi non mi ero posto il problema della nitidezza ridotta dalla diffrazione... ho sempre pensato che bastava avere tanta PDC
per mettere tutto a fuoco e via...

da oggi invece cercher? la PDC ottimale

sarebbe ora che Nikon incorporasse il calcolatore della PDC nel men? !!! (insieme ai comandi vocali ovviamente .. he he !!)

GRAZIE !

...
...
sarebbe ora che Nikon incorporasse il calcolatore della PDC nel men? !!! (insieme ai comandi vocali ovviamente .. he he !!)

Intanto lo puoi avere sull'iPhone ... QUI :lol:

Guglielmo
Foto
giannizadra
ott 07 2010 18:58

sarebbe ora che Nikon incorporasse il calcolatore della PDC nel men? !!! (insieme ai comandi vocali ovviamente .. he he !!)



Fino agli AIS, il "calcolatore" della pdc era incorporato negli obiettivi... in forma di doppi trattini colorati con la tinta dei rispettivi diaframmi (nella ghiera) posti ai due lati del punto di messa a fuoco sulla scala delle distanze.
Ed era comodissimo.

PS. I "calcolatori" di pdc a mezzo software sono in genere pi? "ottimistici" di quelli Nikon.
Puoi fidarti se non stampi troppo grande (cio? se non ingrandisci oltre l'A3).

Fino agli AIS, il "calcolatore" della pdc era incorporato negli obiettivi... in forma di doppi trattini colorati con la tinta dei rispettivi diaframmi (nella ghiera) posti ai due lati del punto di messa a fuoco sulla scala delle distanze.
Ed era comodissimo.
...

Eccoli qui ...

Immagine Allegata: Nikkor50_13.jpg


... l'ellisse evidenzia i trattini, la freccia i diaframmi colorati sulla ghiera :)

Guglielmo
Foto
Adriano Max
ott 08 2010 08:57

Ma aumentando le dimensioni del sensore bisogna avvicinarsi per "riempirlo" e quindi chiudere di pi? il diaframma per avere la stessa PDC.


Io potrei anche non avvicinarmi: allungo la focale (che ? poi quel che si fa). Quello che dici ? vero in teoria, ma man mano che si aumenta la dimensione del sensore la qualit? dell'immagine aumenta (stampare un file che proviene da un sensore di grandi dimensioni significa ingrandire poco: ci? si ripercuote inevitabilmente sulla definizione dell'immagine; in digitale poi sensori e pixel pi? grandi hanno decisive ricadute sulla qualit?). Per di pi? si minimizza l'effetto finale della diffrazione... tant? che su banco ottico si chiude tranquillamente a f/45-64 quando sulla reflex ci si fermava a f/22-32...
;)
Foto
Mauro Maratta
ott 08 2010 09:04
Per avere la qualit? migliore (anche i termini di diffrazione ma non solo) si allunga la focale.
Ingrandendo la superficie sensibile si ha sempre come sottoprodotto la necessit? di aumentare la focale con ulteriore aumento delle possibilit? qualitative.

Corto ... non ? bello anche in questi casi :bigemo_harabe_net-03:
Foto
Paolo Tagliaro
ott 08 2010 09:58

Per avere la qualit? migliore (anche i termini di diffrazione ma non solo) si allunga la focale.
Ingrandendo la superficie sensibile si ha sempre come sottoprodotto la necessit? di aumentare la focale con ulteriore aumento delle possibilit? qualitative.


S?, certo, ma per avere la stessa profondit? di campo si torna a dover chiudere ulteriormente il diaframma perdendone di fatto alcuni vantaggi: 60mm a f/11 non d? la stessa pdc di 90mm sempre a f/11.
Ad esempio (usando DOFMaster) fuoco a 1 metro:
- sensore DX 60mm @f/11 = pdc 0.12m (da 0.94m a 1.06m)
- sensore FX 90mm (per avere lo stesso angolo di campo) @f/11 = pdc 0.08m (da 0.96m a 1.04m)
per avere la stessa profondit? di campo su FX bisogna chiudere a f/18!

La conseguenza ? che con sensori pi? grandi diventa necessario avere pi? luce o tempi pi? brevi oppure scendere a compromessi sullo "spessore" del piano di fuoco.

La conseguenza ? che con sensori pi? grandi diventa necessario avere pi? luce o tempi pi? brevi oppure scendere a compromessi sullo "spessore" del piano di fuoco.


Per questo nello still-life si usano gli obiettivi "basculabili" o il banco ottico

Capita a volte girando per i vari forum di sentire strane (per essere educati) affermazioni, in cui si confonde la "nitidezza" di una foto con la "profondità di campo" e di vedere, quindi, consigli relativi all'apertura del diaframma anche correlati a problematiche di nitidezza dell'immagine. :suicide:
 
Senza alcun dubbio, scegliere un diaframma più chiuso aumenta la PDC, ma la stessa cosa non può dirsi per la "nitidezza" la quale, anzi, oltre un certo valore di diaframma, può peggiorare a causa del fenomeno che é conosciuto con il nome di ... Diffrazione.
 

 

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Fa bene ogni tanto richiamare alcuni concetti base, senz’altro utili alle nostre foto… Grazie Guglielmo!

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Tiziano Manzoni fototm
feb 12 2016 22:05
Ecco quando si dice che Nikonland is different... Grande pezzo Guglielmo...
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