Difracción y tamaño de sensor

[akin]

Leyendo sobre profundidad de campo, me topé con la siempre nombrada difracción, así que traté de profundizar más en ese concepto.

La teoría es sencilla: la luz cuando pasa por un borde afilado sufre una pequeña desviación en su trayectoria. A efectos prácticos, en la fotografía eso repercute en el hecho de que según el diafragma elegido, hay un límite máximo teórico insuperable en cuanto a la calidad de la imagen. Ese límite no está causado por los límites tecnológicos y por lo tanto se superará en un futuro, sino que es inherente a la propia naturaleza de la luz.

Sin embargo, la idea que a todos nos queda cuando leemos sobre objetivos, es que la resolución empieza a decaer cuando llegamos a f8. Pero ¿Sucede antes? ¿Cuánto cae a partir de ahí? ¿Depende del tamaño del sensor?

Bien, pues buscando respuestas a esas y otras preguntas, me topé con este artículo: http://www.dslrmagazine.com/digital/tecnicas-de-fotografia-digital/imagen-digital-y-difraccion.html donde comenta un cruce de artículos de expertos en tecnología fotográfica en una web especializada americana. Quizás lo más práctico y rápido del artículo, viene casi al final, cuando nos presentan una tabla de resoluciones máximas teóricas con un objetivo libre por completo de aberraciones y en función del tamaño den sensor. Ojo que la tabla es llamativa:



La columna que nos interesa es la correspondiente a APS-C (y, en menor medida, la de FF).

Si nos fijamos, para empezar la difracción actúa a todas las aperturas del objetivo, sólo que a aperturas grandes el efecto es tan pequeño, que tendríamos que tener un sensor con una cantidad enorme de megapíxeles para que la difracción sea limitante. Sin embargo... a f8 ya no es así, ahí el límite está en 13 MP, para los que tenemos K20, K7 o K5... por muy bueno que sea el objetivo, por muy libre de aberraciones que esté, por muy nítido que sea, a f8 ya dará menos resolución de la que nuestra cámara es capaz de captar, y eso es un límite físico de la luz, no superable, salvo que aumentemos el tamaño del sensor.

Esa tabla nos da la respuesta a las preguntas que hacía antes: sí hay difracción a aperturas menores, pero por ahora los sensores no son lo bastante densos en fotocaptores para que ese efecto se note antes de f8. A partir de f8 la caída es muy importante. Y sí, el límite de la difracción es superior si el sensor es de mayor tamaño.

¿Y por qué necesitamos cerrar tanto el diafragma? Pues por dos razones:
a) Queremos que entre menos luz: eso tiene otra solución, que es usar filtros de densidad neutra que nos quiten luz en el objetivo, lo que nos evita cerrar tanto.
b) Queremos conseguir más profundidad de campo: Pero las APS-C, a igual composicion de foto que en una FF (esto es, usando un objetivo de focal menor) da un paso más de profundidad de campo. O dicho de otro modos, la PdC de un objetivo a f8 en APS-C es algo mayor que en una FF a f11. Y si miramos en la tabla, veremos que la resolución máxima casi coincide. El resultado es que, para conseguir la máxima profundidad de campo, la ventaja del sensor mayor (menos difracción) más o menos se compensa con la ventaja del APS-C (mayor PdC por magnificación), con lo que al final el efecto de la difracción es básicamente similar en ambos y la PdC que podemos obtener sin perder mucha calidad viene a ser también la misma.

Como vemos en la tabla, todavía hay mucho magen a la carrera de los megapíxeles, pero esos MP extras que podamos conseguir implicarán cada vez una utilidad menor, al ser solamente aprevechables en aperturas cada vez más abiertas (donde los círculos de confusión también son mayores, con lo que será un equilibrio precario).

Por poner otro enlace muy ilustrativo sobre el tema. A nivel de explicación es más claro, aunque la tabla que ellos ponen al final en función de cámaras concretas puede ser algo más confusa: http://luipermom.wordpress.com/2010/04/07/que-es-la-difraccion/

[jrvalverde]

Realmente interesante. Muchísimas gracias.

[Justin Allard]

Gracias por el aporte 

[SiMKiN]

Muchas gracias akin!
Una explicación muy buena y clara.
No tenía ni idea, pensaba que era a partir de f16 que se notaba la difracción, tsss

[jrvalverde]

Una duda que me queda es si las distintas distancias de registro pueden afectar a la intensidad de la difracción o si las diferencias son tan pequeñas que su efecto es despreciable. Tendré que repasar algo de óptica por si acaso.

Por cierto, que creo que este hilo debería estar fijo. Es un tema importante e interesante para todos.

[akin]

Pues en lo que he estado leyendo por ahí, no he visto nada referente a ese parámetro, en ningún lado he visto que afecte al sensor según la montura del objetivo.

Supongo, sin afirmarlo, que la diferencia debe ser despreciable.

Si miramos como actúa la difracción, lo que se ve es que se generan círculos parecidos a los de confusión, sólo que en este caso en forma de anillos concéntricos de luz y oscuridad, los llamados círculos de Airy (vamos, círculos con bandas de interferencia, si no los interpreto mal) Una pequeña diferencia en la distancia e registro supongo que afectará más a la forma que al tamaño. El parámetro clave está en la apertura del diafragma: a menor apertura círculos más grandes.

[Rigo]

Muy interesante. Esto rompe un poco lo que pensaba en dos aspecto:

1. Yo pensé en algún monento hace pocos meses que de alguna forma la cantidad de laminillas del diafragma tenía que ver con la difracción, pero por lo visto no es nada importante en este fenómeno.

2. Pensé que se podía llegar un poco más allá sin problema como a f/16, pero veo que a f/11 la mayoría ya estamos bien servidos.

Por otro lado nuevamente se genera lo de los megapíxeles, Canon por ejemplo quiere seguir metiendo megapíxeles en os sensores y vemos otro problema (junto al ruido y el problema on el rango dinámico) que esto genera.

Como siempre muy interesante Akin, yo también pienso que debería de ser un tema fijo.

Saludos

[akin]

Bueno, tal y como yo lo entiendo, meter más megapíxeles no genera un problema, simplemente es desaprovecharlos.

Con muchísimos megapíxeles (los 18 de la 7D por ejemplo) a f8 por ejemplo, el problema que vamos a tener es que ampliando al 100% veremos los efectos de la difracción, más que si ampliamos a 100% la misma foto sacada con una Kx. Sin embargo, si reescalamos la foto de la 7D a 12 MP, ese efecto se anula y las fotos serían básicamente similares. Esos megapíxeles no nos van a dar más detalle, y en ese sentido son inútiles, pero tampoco van a generar un problema.

Algo parecido pasa con el ruido: la 7D tiene mucho más ruido que una D300s cuando se ven las fotos al 100%, pero si se trata el ruido en ambas y se reescalan al mismo tamaño, la ventaja de la D300s es mucho menor.

Y tres cuartos de lo mismo con el rango dinámico, de hecho la D300s sólo supera a la 7D a ISOs muy bajos, luego es la 7D la que va mejor.

(Datos sacados de comparar las dos cámaras en DXOMark. Aunque no es el unico sitio donde he visto esa información, croe que Guillermo Luijk lo menciona también en alguno de sus artículos, donde indica que hay que hacer las comparaciones sobre el mismo tamaño de copia final, no sobre la foto al 100%)

Otra cosa es comparar ambas con la K5 por ejemplo, pero en ese caso más que la densidad de fotocaptores la diferencia es en el salto generacional de los sensores.

Más que un problema, hasta donde yo lo he entendido, la densidad de fotocaptores marca el límite de hasta donde son aprovechables. En APS-C ahora mismo el límite está en f8 para sacar toda la calidad del sensor, en modelos más avanzados incluso un poco menos. Si seguimos aumentando esa densidad simplemente cada vez tendremos menos rango de aperturas para sacarle partido (y como todos sabemos, las aperturas más abiertas también pierden nitidez por otros motivos)

Ojo, eso tampoco implica que no podamos usar una apertura de f11 por ejemplo. Si el destino de esa foto es una pantalla de ordenador, o una copia impresa de un tamaño no muy grande, se puede perfectamente usar f11 si nos hace falta toda esa profundidad de campo. Simplemente debemos ser conscientes que si esa foto la ampliamos muchísimo, no va a estar totalmente nítida porque la difracción habrá actuado. Esa tabla que he puesto nos indica la "resolución" real de la foto tomada, debemos calcular el tamaño de impresión en base a eso, y no en base a la resolución teórica de nuestra cámara.

El tema de la forma de las laminillas, redondeándolas, también lo he leído yo en varios sitios. De hecho una de las cosas que se decía del nuevo D-FA 100mm macro de Pentax es que las laminillas del diafragma estaban redondeadas por eso; pero luego cuando he ido leyendo sobre el tema no he visto referencia a eso por ningún lado. Supongo que si se han molestado en redondearlas es que alguna mejora aportarán a la calidad de imagen, pero si es en el tema de la difracción es algo que las webs donde he estado informándome no han señalado.

[Rigo]

Pues es que el hecho que no sean aprovechados pues ya de hecho es algo inútil, de que te sirve meter más megapixeles, lo cual hace necesario procesadores más rápidos( y caros) RAWs más grandes, menos espacio en tarjeta, etc. Todo para después tener que reescalar, y elegir el mejor algoritmo, método de reducción, etc.  ni en pedo.

Ahora bien todo esto desde luego se queda en la teoría, en la práctica como decis para la gran mayoría de fotos, pues vale el f/16 o hasta más.

Lo de las laminillas habrá que averiguarlo más, ya que de algo servirá, tengo entendido que la mayor función en dar un desenfoque (bokeh) mejor, en fin seráde averiguarlo

[jrvalverde]

Bueno, todo es relativo. Si no necesitas gran profundidad de campo, la resolución efectiva que puedes conseguir es muy alta, ya que al abrir el diafragma reduces la difracción. Eso quiere decir que si haces retrato con luz natural (f5.6) puedes obtener muy buenos resultados y subir hasta los 26 Mpx en APS-C: obtienes una foto que puedes ampliar bastante.

Posiblemente necesitarías un ISO mayor para poder usar una velocidad más rápida, pero con los nuevos sensores, como el de la K-5 eso no es problema. Así que con sensores modernos, y un buen objetivo, puedes aprovechar sin problemas en APS-C 25-50 Mpx y trabajar con comodidad, a luz ambiente y con velocidades altas, más aún si es una MF como la 645D.

El problema es la PDC que pierdes, o sea que para paisajes estás vendido, pero para retrato (que es lo que más suele usarse) no hay problema. En deportes además, abriendo más el diafragma consigues mayores velocidades, y un enfoque más selectivo, así que tampoco tienes problema; lo podrías tener si quieres usar velocidades bajas para difuminar el movimiento, pero si vas a difuminar, entonces te dá igual usar una f32 porque la imagen saldrá borrosa de todas formas.

En resumen, el problema es con paisajes o fotos que requieran muchísima PDC  y en lugares con mucha luz (va siendo hora de comprarse un CPL o ND B+W buenos), porque la guerra de los sensores se juega en los megapíxeles y en los ISOs altos por desgracia. Aunque yo creo que pronto (con unos cuantos Mpx más) la gente empezará a darse cuenta y reclamará ISOs más bajos también para poder cerrar más.

Para ciertas cosas (como deportes) habrá que empezar a pensar en usar un CPL o ND en lugar de un UV para proteger el objetivo y a la vez reducir la luz permitiendo aberturas mayores (y reduciendo reflejos) cuando nuestras cámaras superen los 16 Mpx.

[Rigo]

En ese punto tenes mucha razón landaverde. Cabe destacar además que lo que se estría pidiendo es también objetivos de mejor calidad, hoy hay algunos que a F/2.8 simplemente asombran.

[PABLOLI]

Me imagino que esos límites reflejados en la tabla puesta al inicio corresponderán a una tasa de transferencia de contraste del 50% entre la imagen real y la captada por el sensor de pares de lineas blanco-negro a las resoluciones mostradas.

[akin]

En el sitio de donde lo saqué no ponía nada, así que no sabría decirte.

[akin]

Vale, si no lo he entendido mal, esa tabla relaciona los tamaños de los círculos de Airy (que es la forma en que se manifiesta la difracción) con el tamaño del fotocaptor.

Los círculos de Airy son como parecidos a los círculos de confusión, sólo que en vez de ser círculos difusos son círculos con bandas de oscuridad/claridad. Esos círculos son mayores cuanto menor es la apertura del diafragma. En función de su tamaño se pueden establecer tamaños máximos de fotosensores, dado que por debajo de su tamaño subir el número de captores sería inútil.

La tabla indica, precisamente, el número de captores que podría tener un sensor, como máximo, antes que su tamaño fuese mayor que lo que la difracción permite.

[jrvalverde]

La tabla indica, precisamente, el número de captores que podría tener un sensor, como máximo, antes que su tamaño fuese mayor que lo que la difracción permite.

SUpongio que quieres decir "menor", es decir antes de que el tamaño del fotocaptor sea menor que el del círculo de Airy y por tanto no pueda distinguir. Se puede visualizar el círculo de Airy como un pixel del mundo real, o como el límite inferior de tamaño que puede tener un píxel. Por debajo/dentro del cícrulo la difracción desdibuja, difunde, mezcla la luz impidiendo resolver.