Wanneer fotografen het hebben over lensdiffractie, doelen ze op het feit dat een foto bij kleine diafragmawaarden – f/16, f/22, enzovoort – steeds minder scherp wordt. Als je je lens tot zulke kleine diafragma’s verlaagt, beginnen de kleinste details in je foto’s onscherp te worden. Dit effect kan beginnende fotografen terecht zorgen baren. Als je echter begrijpt hoe diffractie van invloed is op je foto’s, kun je weloverwogen beslissingen nemen en de scherpst mogelijke foto’s in het veld maken. In dit artikel gaan we dieper in op het onderwerp diffractie en bespreken we verschillende technieken die je kunt toepassen om dit te voorkomen.
De effecten van diffractie – dat je scherpte afneemt bij steeds kleinere diafragma’s – zie je in de vergelijking hieronder. Houd er rekening mee dat dit vrij extreme crops zijn:
De reden dat dit gebeurt, is gebaseerd op de principes van de natuurkunde; in het kort, naarmate het diafragma kleiner en kleiner wordt, verspreiden lichtgolven zich en interfereren ze steeds meer met elkaar. Hierdoor worden kleine details op je foto’s onscherp.
Deze uitleg is echter te eenvoudig, en kan nog steeds verwarrend zijn voor beginnende fotografen. Wat is de fysische oorzaak van diffractie? Op welk punt begint diffractie je foto’s onscherp te maken? Is er iets wat je kunt doen om diffractie te voorkomen? Zijn dure lenzen beter in het onder controle houden van diffractie? De antwoorden op al deze vragen worden hieronder uitgebreid toegelicht.
Inhoudsopgave
Wat is diffractie?
Bij het uitleggen van diffractie kan het moeilijk zijn om de grens te overschrijden tussen het vermijden en omarmen van verwijzingen naar optische natuurkunde. De meeste fotografen zijn geïnteresseerd in dagelijkse kennis in plaats van uitgebreide achtergrondinformatie, maar het is onmogelijk om over diffractie te praten zonder te beschrijven hoe het op een fundamenteel niveau werkt. Dit deel is bedoeld om begrijpelijk te zijn, zelfs als je geen natuurkundige bent; we raden je aan het te lezen, omdat het een solide basis vormt voor je begrip van diffractie.
In de basis is diffractie het concept dat golven – inclusief lichtgolven – met elkaar kunnen interfereren. Telkens wanneer golven door een spleet gaan, zullen zij interfereren. Om dit eenvoudig te visualiseren, denk aan golven van water. Als je een steen in een perfect stilstaand meer laat vallen, zul je een rimpeling van kleine golven veroorzaken. Deze golven verspreiden zich in concentrische cirkels, net als in onderstaande afbeelding:
Wat gebeurt er als je een barrière maakt om het pad van deze golven te blokkeren? Heel eenvoudig, je zou hun beweging stoppen. Dit is saai:
Om het interessant te maken, knip je een gat in de barrière, zodat er water door kan. Wat voor patronen zouden de golven dan maken?
De golven zien er ongeveer zo uit als je zou verwachten, hoewel er zich naast de primaire golf nog een paar extra patronen vormen:
Deze extra patronen zijn artefacten van de golf die om de hoeken buigt. Ze ontstaan doordat de twee hoeken in wezen fungeren als afzonderlijke bronnen van golven – golven die met elkaar in botsing kunnen komen. In bepaalde botsingsgebieden heffen de golven elkaar op (destructieve interferentie); dat is de reden waarom sommige gebieden van het diagram er volkomen stil uitzien. Op andere plaatsen echter voegen de golven zich bij elkaar (constructieve interferentie), waardoor zich aan de zijkanten een extra patroon vormt.
Om dit te visualiseren, laten we zeggen dat er een sensor is langs de uiterst rechtse rand van het diagram. Deze sensor meet de intensiteit van de golven op een bepaald punt, die toeneemt met de amplitude van de golf. Hieronder is een grafiek van de intensiteit te zien:
Het is duidelijk dat het centrale patroon het meest significant is. De patronen aan de zijkant zijn er nog wel, maar ze hebben lang niet zo’n intensiteit als het patroon in het midden. Dit betekent dat het centrale patroon het belangrijkst is in de fotografie, zoals we zo dadelijk zullen behandelen. Maar laten we nu eens kijken wat er gebeurt met een grote versus een kleine opening in de barrière. Merk op dat de onderstaande afbeeldingen zijn vereenvoudigd, en dat alleen het centrale golfpatroon is opgenomen:
Het belangrijkste verschil tussen deze twee afbeeldingen is dat de kleinere opening tot een grotere spreiding van de golven leidt, terwijl de grote opening veel minder spreiding veroorzaakt.
Kijk eens naar een vergelijking tussen de grafieken van de twee golven:
Hoewel het in eerste instantie ongebruikelijk lijkt dat een kleine opening tot een grotere spreiding van de golven leidt, moet uit bovenstaande illustraties blijken dat dit logisch is. Het komt erop neer dat grotere openingen de golven zonder veel interferentie laten passeren. Aangezien de golven niet erg worden verstoord, volgen zij een relatief rechte weg naar de rand van het zwembad. Kleinere openingen hebben echter een grotere invloed op een golf, waardoor deze onder een grotere hoek afbuigt. (Dit is een kleine vereenvoudiging; voor meer technische informatie raad ik u aan de Wikipedia-pagina over het Huygens-principe te lezen.)
Ten slotte moet u weten dat een “kleine” opening relatief is. In feite veroorzaakt de opening alleen diffractie als deze even groot is als de golflengte die erdoorheen gaat. Dit is de reden waarom licht, dat een zeer kleine golflengte heeft, geen significante diffractie zal veroorzaken als het door een tien voet brede opening gaat – ook al doet de oceaan dat wel.
Gefeliciteerd! U begrijpt nu de natuurkunde van de diffractie. In de basis zorgt een kleine opening ervoor dat golven afbuigen en met elkaar interfereren; dit zorgt er op zijn beurt voor dat het signaal wordt verspreid.
Diffractie in de fotografie
Het is duidelijk dat diffractie een belangrijk concept is in de natuurkunde. Een soortgelijk experiment (met twee spleten in plaats van één) heeft zelfs een belangrijke rol gespeeld bij het bewijs dat licht zich als een golf kan gedragen – een van de belangrijkste ontdekkingen in de wetenschappelijke geschiedenis. Maar wat betekent dit voor uw dagelijkse fotografie?
Het komt allemaal neer op het diafragma van een lens. In de foto hierboven fungeren de diafragmalamellen van een lens als een enkele spleet die lichtgolven doorlaat. Een patroon van de intensiteit van het licht is precies wat je zou verwachten te zien:
Dit is echter een tweedimensionale grafiek. In de echte wereld projecteert een lichtpuntje zich in drie dimensies. Hieronder staat dus een nauwkeurigere grafiek:
Dit driedimensionale patroon ontstaat telkens wanneer licht door het diafragma in uw cameralens schijnt. Wanneer het op de sensor van uw camera wordt geprojecteerd, ziet het er als volgt uit:
De bovenstaande figuur toont wat een Airy-schijf wordt genoemd. Dit is eenvoudig gezegd het uiterlijk van een diffractiepatroon wanneer het op de sensor van je camera valt. Het centrale gebied is het helderst, en heeft het grootste effect op uw foto’s.
Het is niet moeilijk te achterhalen waarom deze Airy-schijf een foto onscherp kan maken. We weten al dat een kleine opening – of, een klein diafragma – ervoor zorgt dat golven zich verspreiden. Dit betekent dat bij kleine openingen de Airy-schijf veel groter wordt. Als je je kunt voorstellen dat de Airy-schijf de sensor van je camera raakt, krijg je een beeld dat er zo uitziet, waarbij het raster de pixels op je sensor voorstelt:
Nu kunt u zich een tafereel voorstellen dat is opgebouwd uit ontelbare kleine lichtbronnen. Elk lichtpuntje reist door het diafragma van je lens; als gevolg daarvan projecteert elk deel van je foto op je sensor als een Airy-schijf. Deze worden, zoals hierboven te zien is, onscherper bij kleine diafragmawaarden. Dit is de reden dat je diffractie ziet!
High- Versus Low-Megapixel Cameras
De vergelijking hierboven, waarbij een Airy disk de pixels van je sensor raakt, zou een vraag kunnen oproepen: als de pixels groter waren, zou de Airy disk dan niet minder snel overlopen?
In feite is dat helemaal waar! Grote pixels – die groter zijn dan de Airy-schijf – vertonen geen diffractie bij dezelfde diafragmaopeningen als een camera met kleine pixels. Misschien kan ik met de 12-megapixel Nikon D700 tot f/11 diafragmeren zonder enige diffractie te merken, terwijl de 36-megapixel D800/D810 zichtbare diffractie zou vertonen bij elk diafragma kleiner dan f/5.6. Deze getallen zijn echter niet in steen gebeiteld; ik raad je aan je eigen camera te testen om te zien wanneer diffractie merkbaar begint te worden (en, nog belangrijker, wanneer het verwerpelijk begint te worden).
Hoewel, dit is geen probleem met hoge-resolutie sensoren. Als alle instellingen gelijk zijn, zal een hoge-resolutiesensor altijd meer details vastleggen dan een lage-resolutiesensor van dezelfde grootte. Meer pixels leidt nooit tot minder details, zelfs niet bij de kleinste diafragmaopeningen. Dit betekent dat, als je je foto’s op hetzelfde formaat afdrukt, een Nikon D800/D810-foto altijd meer detail zal bevatten dan een Nikon D700-foto, ceteris paribus.
Dit gezegd hebbende, als je de Nikon D800/D810 koopt, is de kans groot dat je groot wilt afdrukken of pixel-peeps wilt maken. Als dat voor u het geval is, is diffractie absoluut een groter probleem dan het met een lage-resolutiesensor zou zijn geweest! Om de best mogelijke scherpte uit een D800/D810 te halen, moet je opletten of je diafragma kleiner is dan ongeveer f/8. Nogmaals, ik raad je aan om zelf de exacte grenzen van je camera te testen.
Kleine Versus Grote Sensoren
Er wordt vaak gezegd dat camera’s met een crop-sensor (d.w.z., DX Nikon-camera’s) gemakkelijker diffractie vertonen dan full-frame camera’s (FX Nikon). Is dit een mythe, of klopt het?
Laten we beginnen met wat we weten. Bij een gegeven diafragma op een lens zal de Airy-schijf altijd dezelfde fysieke grootte hebben. Het maakt niet uit welke sensor je gebruikt; dit is een natuurkundige eigenschap die alleen afhangt van het diafragma zelf. Of ik bijvoorbeeld een 50mm f/1.8 lens op de full-frame D750 zet of op de crop-sensor D3300, de grootte van de Airy-schijf projectie zal identiek zijn (uitgaande van hetzelfde diafragma).
Dus, waar zit de verwarring? Het probleem komt voort uit het feit dat dezelfde Airy-schijf een groter percentage van een crop-sensor camera inneemt dan een full-frame camera. Kijk maar eens naar het onderstaande voorbeeld:
In feite zal een DX-camera bij een gelijke afdrukgrootte meer diffractie vertonen dan een FX-camera. Dit komt omdat de DX-sensor in wezen een uitsnede is van de FX-sensor; met andere woorden, hij vergroot alles op je foto – inclusief de diffractie – net als bij croppen in post-productie.
De hoeveelheid extra diffractie is gelijk aan je uitsnijfactor. Dus, voor een 1,5x crop-sensor camera, vermenigvuldig je diafragma met 1,5 om de equivalente diffractie op een full-frame camera te zien. Bijvoorbeeld, de Airy-schijf bij f/11 op een DX-camera neemt ongeveer hetzelfde percentage van uw sensor in beslag als de Airy-schijf bij f/16 zou doen op een full-frame camera.
Natuurlijk, als u een DX-camera gebruikt, drukt u misschien niet zo groot af als u zou doen met een FX-camera. Voor veel fotografen is er dan geen praktisch verschil; de kleinere afdrukken van een DX-camera heffen de extra diffractie op. Als u toch grote afdrukken maakt met een DX-camera, moet u zich ervan bewust zijn dat de diffractie bij een gegeven diafragma groter zal zijn.
Diffractie en scherptediepte
Diffractie vermindert de scherpte van een foto bij kleine diafragmaopeningen. Maar tegelijkertijd vergroten kleine diafragma’s de scherptediepte van een foto. Dit is niet tegenstrijdig, hoewel het in het begin verwarrend kan zijn. Kijk bijvoorbeeld eens naar onderstaande vergelijking:
Zoals je kunt zien, heeft de f/22-foto veel meer van de scène binnen zijn scherptediepte. Als ik wil dat dit hele onderwerp scherp is, is dit veel beter dan de foto bij f/5,6. Maar laten we eens wat nauwkeuriger naar het scherpstelpunt kijken:
Zoals je kunt zien, is de foto bij f/5.6 aanzienlijk scherper. (Klik op de afbeelding om deze duidelijker te zien.)
Dit betekent natuurlijk niet dat je elke foto op f/5.6 moet nemen. Als je een grote scherptediepte nodig hebt, kun je gerust een kleiner diafragma gebruiken; soms is het de lichte vermindering in scherpte door diffractie waard.
Het kiezen van het scherpste diafragma
Er is altijd diffractie bij elk diafragma van je objectief. Dat moet ook wel; licht moet altijd door een diafragma buigen, ook al is dat heel groot. Maar bij grote diafragma’s zoals f/2.8 of f/4 is de Airy-schijf veel kleiner dan de pixels op je foto. Dit betekent dat diffractie bij zulke grote diafragma’s in wezen onmogelijk is.
Dit betekent echter niet dat grote diafragma’s het scherpst zijn bij een bepaalde lens. Zoals je waarschijnlijk wel weet, is een lens het scherpst als het diafragma iets wordt verlaagd. Mijn 20mm f/1.8-lens is bijvoorbeeld het scherpst in het midden bij f/4. Hieronder staat een scherptetabel voor zo’n lens:
Waarom ligt de piek dan bij een diafragma van f/4 en niet bij f/1.8? Dat valt enigszins buiten het bestek van dit artikel, maar de essentie is dat – bij grotere diafragma’s – meer licht door de randen van een lens reist. Aangezien het centrum van een lens het best gecorrigeerde gebied is, vermindert dit de scherpte van de foto (en neemt de sferische aberratie toe). Een kleiner diafragma blokkeert juist het licht dat door de randen van een lens is gereisd, wat de scherpte van een foto verbetert.
Dit effect, in balans met de afname van scherpte door diffractie, is de reden dat f/4 de grootste scherpte geeft op een lens als de 20mm f/1.8.
Hoe weet u welk diafragma het scherpst is op uw lens? Kijk gewoon naar de geteste resultaten online. U moet echter niet te veel stress hebben over het altijd fotograferen met het “perfecte” diafragma. Ten eerste kunnen zelfs deze testresultaten dubbelzinnig zijn. In de bovenstaande grafiek zijn de hoeken van het objectief bijvoorbeeld het scherpst bij f/8. Afhankelijk van je onderwerp kun je dus de voorkeur geven aan scherpere hoeken in plaats van het scherpst mogelijke centrum.
Tegelijkertijd zijn zelfs suboptimale diafragma’s niet verschrikkelijk onscherp. Ik heb een paar grote afdrukken gemaakt van foto’s die bij f/16 zijn genomen, en de kwaliteit daarvan is meer dan voldoende voor mijn behoeften. Als je zo’n diafragma nodig hebt – meestal om je scherptediepte te vergroten – wees dan niet bang om het te gebruiken.
(Als je de grootst mogelijke scherptediepte in een foto nodig hebt, zoals veel landschapsfotografen, raad ik je aan te lezen over hyperfocale afstand. Er zijn veel overeenkomsten tussen deze twee eigenschappen van fotografie.)
Omzeilen van diffractie
Nu je diffractie begrijpt, hoe zorg je er dan voor dat je het in je foto’s vermijdt? Helaas is het antwoord eenvoudig: dat kan niet. Diffractie is een natuurkundig verschijnsel. Het maakt niet uit hoe goed je lens is; diffractie zal de scherpte bij kleinere diafragma’s hoe dan ook wegnemen.
Ondanks dat je de wetten van de natuurkunde niet kunt omzeilen, is er één manier om diffractie in je foto’s te voorkomen: gebruik een groter diafragma. Als je de absoluut scherpste foto wilt, is dit de enige manier om de effecten van diffractie te vermijden. Fotografeer je een scène die een grote scherptediepte nodig heeft? Probeer dan scherp te stellen bij een diafragma van f/5.6 of f/8, waar diffractie minimaal is.
Als je toch een klein diafragma hebt gebruikt (bijvoorbeeld f/16 of f/22), kun je het zichtbare detail van een foto verbeteren door in de nabewerking te verscherpen. Dit elimineert de effecten van diffractie niet, maar het is een eenvoudige manier om foto’s met een klein diafragma te verbeteren.
In theorie is het mogelijk om voor diffractie te corrigeren via een verscherpproces dat bekend staat als deconvolutie verscherping. Dit type verscherping is het meest effectief wanneer men beschikt over een perfect model van de lens in kwestie, met inbegrip van de exacte optische kenmerken. Om deze reden vermindert algemene deconvolutieverscherping de effecten van diffractie niet noemenswaardig; NASA gebruikt een dergelijke methode echter om de scherpte van foto’s van de Hubble-telescoop te verbeteren. (Sommige camerafabrikanten, waaronder Pentax, hebben een menu-optie voor diffractiereductie; dit is echter niets meer dan een standaard onscherpmasker dat in je RAW-bestand wordt gekookt). Als je deconvolutieverscherping wilt testen, verhoog dan de schuifregelaar “Detail” zo veel mogelijk in Lightroom of Camera Raw. Natuurlijk zal dit niet specifiek zijn voor je lens, wat nodig zou zijn voor echte diffractiereductie.
Hoewel je je foto’s in de nabewerking kunt verscherpen, is de beste manier om diffractie te verminderen simpelweg door een groter diafragma te gebruiken.
Extra informatie
Het diafragma is een technisch onderwerp; dat geldt ook voor de interactie tussen licht en de sensor van uw camera. Sommige van de bovenstaande gegevens worden gepresenteerd als een best-casescenario, en de werkelijkheid kan iets complexer zijn. De meeste van de volgende gegevens zullen niet van invloed zijn op de feitelijke weergave van uw foto’s, maar het is de moeite waard enkele van deze speciale gevallen te behandelen.
Zo zal licht met grote golflengten bijvoorbeeld gemakkelijker diffracteren dan licht met kortere golflengten; dit betekent dat rood licht (met een golflengte van ongeveer 650 nm) bij hetzelfde diafragma tot een grotere Airy-schijf leidt dan blauw licht (ongeveer 475 nm). In theorie zult u dus iets minder onscherpte door diffractie zien als u bij extreem blauw licht werkt; in de praktijk is dit effect zo klein dat het weinig invloed op uw foto’s heeft.
Ook detecteren in de meeste camera’s de pixels die samen een foto maken, niet allemaal dezelfde golflengten van licht. Bij sensoren met een Bayer-array van pixels (waaronder DSLR- en spiegelloze camera’s van Nikon, Canon en Sony) is het aantal groengevoelige pixels twee keer zo groot als het aantal rode en blauwe pixels. Dit betekent dat het eerder gepresenteerde pixeldiagram een kleine vereenvoudiging is; dit verandert echter niets aan het feit dat de onscherpte door diffractie toeneemt met de grootte van de Airy-schijf.
Ten slotte is de weergave van de Airy-schijf in dit artikel iets eenvoudiger dan hij in de echte wereld zou lijken. Hierboven heb ik de Airy-schijf weergegeven als een reeks concentrische ringen; in werkelijkheid zou dat echter alleen gebeuren als het diafragma volkomen cirkelvormig zou zijn. De meeste lenzen hebben zeven, acht of negen diafragmalamellen, die (zelfs als ze gebogen zijn) geen echte cirkels zijn. Dus, de “Airy schijf” wordt een “Airy achthoek”. Er is echter geen praktisch verschil in het uiterlijk van diffractie in uw foto’s; uw foto’s zullen net zo wazig zijn als u de lens lager zet.
Als u vragen hebt over de finesses van diffractie, stel dan gerust een vraag in het commentaargedeelte; een enkel artikel is te kort om alles uit te leggen wat er te weten valt over zo’n complex onderwerp.
Conclusie
Gezien al deze technische kanttekeningen kan diffractie een vreemd, ongebruikelijk onderwerp lijken om te bespreken. De effecten ervan zijn echter duidelijk en significant in je foto’s, en het is de moeite waard om er bij stil te staan als je foto’s maakt. Vooral voor landschaps- en architectuurfotografen – of iedereen die scherpe foto’s met een grote scherptediepte wil maken – is het belangrijk om te begrijpen wat de nadelen zijn van fotograferen met een klein diafragma.
Diffractie is aanwezig in al je foto’s, en – als je niet oppast – kan het wat scherpte van je favoriete foto’s wegnemen. Maar als je het effect ervan eenmaal in de praktijk ziet, wordt diffractie een tweede natuur.