Difração é um efeito óptico que limita a resolução total da sua fotografia — não importa quantos megapixels sua câmera tenha. Acontece porque a luz começa a dispersar ou "difratar" ao passar por pequena abertura (como a abertura da sua câmera). Este efeito é normalmente insignificante, pois aberturas menores frequentemente melhoram nitidez minimizando aberrações da lente. Porém, para aberturas suficientemente pequenas, esta estratégia se torna contraproducente — ponto em que sua câmera é dita ter se tornado limitada por difração. Conhecer este limite pode ajudar maximizar detalhe, e evitar exposição desnecessariamente longa ou velocidade ISO alta.
Raios de luz passando por pequena abertura começam a divergir e interferir uns com os outros. Isso torna-se mais significativo conforme tamanho da abertura diminui relativo ao comprimento de onda da luz passando através, mas ocorre em algum grau para qualquer abertura ou fonte de luz concentrada.
Como raios divergentes agora viajam distâncias diferentes, alguns saem de fase e começam a interferir — somando em alguns lugares e cancelando parcial ou completamente em outros. Esta interferência produz padrão de difração com intensidades de pico onde amplitude das ondas de luz somam, e menos luz onde subtraem. Se medisse intensidade de luz atingindo cada posição em uma linha, medições apareceriam como bandas similares às mostradas abaixo.
Padrão de Difração
Para abertura circular ideal, o padrão de difração 2-D é chamado "disco de Airy", em homenagem a seu descobridor George Airy. A largura do disco de Airy é usada para definir resolução teórica máxima para sistema óptico (definida como diâmetro do primeiro círculo escuro).
Disco de Airy
Visualização 3-D
Quando diâmetro do pico central do disco de Airy torna-se grande relativo ao tamanho do pixel na câmera (ou círculo de confusão máximo tolerável), começa a ter impacto visual na imagem. Uma vez que dois discos de Airy fiquem mais próximos que metade de sua largura, eles também não são mais resolvíveis (critério de Rayleigh).
Apenas Resolvido
Não Mais Resolvido
Difração assim define limite fundamental de resolução independente do número de megapixels, ou tamanho do formato de filme. Depende apenas do número f da sua lente, e do comprimento de onda da luz sendo imageada. Pode-se pensar nisso como o menor "pixel" teórico de detalhe na fotografia. Além disso, início de difração é gradual; antes de limitar resolução, ainda pode reduzir contraste de pequena escala causando sobreposição parcial de discos de Airy.
O tamanho do disco de Airy é primariamente útil no contexto de tamanho do pixel. A ferramenta interativa a seguir mostra um único disco de Airy comparado a tamanho de pixel para vários modelos de câmera:
Nota: disco de Airy acima aparecerá mais estreito que seu diâmetro especificado (já que este é definido onde atinge seu primeiro mínimo em vez da região brilhante interna visível).
Como resultado do filtro anti-aliasing do sensor (e critério de Rayleigh acima), um disco de Airy pode ter diâmetro de cerca de 2-3 pixels antes que difração limite resolução (assumindo lente perfeita). Porém, difração provavelmente terá impacto visual antes de atingir este diâmetro.
Como dois exemplos, a Canon EOS 20D começa a mostrar difração por volta de f/11, enquanto a Canon PowerShot G6 começa a mostrar seus efeitos em apenas cerca de f/5.6. Por outro lado, a Canon G6 não requer aberturas tão pequenas quanto a 20D para atingir mesma profundidade de campo (devido ao seu sensor muito menor).
Como tamanho do disco de Airy também depende do comprimento de onda da luz, cada uma das três cores primárias atingirá seu limite de difração em abertura diferente. O cálculo acima assume luz no meio do espectro visível (~550 nm). DSLRs típicas podem capturar luz com comprimento de onda de 450 a 680 nm, então na melhor hipótese o disco de Airy teria diâmetro de 80% do tamanho mostrado acima (para luz azul pura).
Outra complicação é que sensores usando array Bayer alocam o dobro da fração de pixels para verde que para vermelho ou azul, e depois interpolam estas cores para produzir imagem final de cor completa. Isso significa que conforme limite de difração é aproximado, primeiros sinais serão perda de resolução no verde e luminosidade em nível de pixel. Luz azul requer menores aberturas (maior f-stop) para reduzir sua resolução devido à difração.
Outras Notas Técnicas:Embora diagramas acima ajudem dar noção do conceito de difração, apenas fotografia real pode mostrar seu impacto visual. A série de imagens a seguir foi tirada na Canon EOS 20D, que tipicamente exibe suavização por difração além de cerca de f/11. Passe mouse sobre cada f-número para ver como impactam detalhe fino:
| Selecionar Abertura: | f/8.0 | f/11 | f/16 | f/22 |
Sem Sobreposição de Discos de Airy
Sobreposição Parcial de Discos de Airy
Note como a maioria das linhas do tecido ainda são resolvidas em f/11, mas têm contraste de pequena escala ou acutância ligeiramente menor (particularmente onde linhas do tecido estão muito próximas). Isso porque discos de Airy estão apenas parcialmente sobrepostos, similar ao efeito em fileiras adjacentes de discos de Airy pretos e brancos alternados (mostrado à direita). Em f/22, quase todas linhas finas foram suavizadas porque discos de Airy são maiores que este detalhe.
O formulário abaixo calcula tamanho do disco de Airy e avalia se câmera tornou-se limitada por difração. Clique em "mostrar avançado" para definir círculo de confusão (CoC) personalizado, ou ver influência do tamanho do pixel.
Nota: CF = "fator de corte" (comumente referido como multiplicador de distância focal); assume pixels quadrados, proporção 4:3 para compactas e 3:2 para SLR. *Calculadora assume que sensor da câmera usa array Bayer típico.
Esta calculadora mostra câmera como limitada por difração quando diâmetro do disco de Airy excede o que é tipicamente resolvível em impressão 8x10 polegadas vista a 30 cm. Clique "mostrar avançado" para mudar critérios para atingir este limite. Caixa de seleção "definir círculo de confusão baseado em pixels" indica quando difração provavelmente tornará visível no computador a 100% escala. Para explicação adicional de cada configuração de entrada, veja também calculadora de profundidade de campo.
Na prática, limite de difração não necessariamente traz mudança abrupta; há na verdade transição gradual entre quando difração é e não é visível. Além disso, este limite é apenas cenário de melhor caso ao usar lente perfeita; resultados reais podem variar.
Mesmo quando sistema de câmera está próximo ou pouco além de seu limite de difração, outros fatores como precisão de foco, desfoque de movimento e lentes imperfeitas são provavelmente mais significativos. Difração portanto limita nitidez total apenas ao usar tripé robusto, trava de espelho e lente de altíssima qualidade.
Alguma difração é frequentemente aceitável se você está disposto a sacrificar nitidez no plano focal em troca de nitidez fora da profundidade de campo. Alternativamente, aberturas muito pequenas podem ser requeridas para atingir exposições suficientemente longas, como para induzir desfoque de movimento com água corrente. Em outras palavras, difração é apenas algo para estar ciente ao escolher configurações de exposição, similar a como se equilibraria outros trade-offs como ruído (ISO) vs velocidade do obturador.
Isso não deve levar a pensar que "aberturas maiores são melhores", mesmo que aberturas muito pequenas criem imagem suave; a maioria das lentes também é bastante suave quando usadas totalmente abertas (na maior abertura disponível). Sistemas de câmera tipicamente têm abertura ótima entre configurações maior e menor; com a maioria das lentes, nitidez ótima é frequentemente próxima ao limite de difração, mas com algumas lentes isso pode até ocorrer antes do limite de difração. Estes cálculos só mostram quando difração torna-se significativa, não necessariamente localização de nitidez ótima (veja qualidade de lente: MTF, resolução e contraste para mais sobre isso).
Pixels menores são de alguma forma piores? Não necessariamente. Só porque limite de difração foi atingido (com pixels grandes) não necessariamente significa imagem é pior que se pixels menores tivessem sido usados (e limite fosse ultrapassado); ambos cenários ainda têm mesma resolução total (embora pixels menores produzam arquivo maior). Porém, câmera com pixels menores renderizará foto com menos artefatos (como moiré de cor e aliasing). Pixels menores também dão mais flexibilidade criativa, pois podem render maior resolução se usar abertura maior for possível (como quando profundidade de campo pode ser rasa). Por outro lado, quando outros fatores como ruído e faixa dinâmica são considerados, debate "pixels pequenos vs. grandes" torna-se mais complicado...
Nota Técnica: Independência da Distância Focal Como tamanho físico de abertura é maior para teleobjetivas (f/4 tem diâmetro 50 mm a 200 mm, mas apenas 25 mm a 100 mm), por que disco de Airy não fica menor? Isso porque distâncias focais maiores também fazem luz viajar mais longe antes de atingir sensor da câmera — aumentando distância sobre a qual disco de Airy pode continuar divergindo. Efeitos competitivos de abertura maior e maior distância focal portanto se cancelam, deixando apenas o número f como importante (que descreve distância focal relativa ao tamanho da abertura).
Para leitura adicional sobre este tópico, veja também o adendo: Difração em Câmera Digital, Parte 2: Resolução, Cor e Micro-Contraste
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