Difracción y tamaño de sensor

[akin]

Yo lo entiendo al revés: Si el círculo de Airy es mayor que el fotocaptor, lo que debiera ser un punto nítido que sólo activa un píxel, se convierte en un círculo difuso que puede activar los de los alrededores y generar falta de nitidez. Es como el círculo de confusión: superado un tamaño máximo que sólo activa un píxel, genera una nube que activa píxeles vecinos y el resultado es una imagen con bordes difusos, falta de nitidez.

[jrvalverde]

Llevas toda la razón, y eso era lo que yo quería decir, es lo que tiene escribir a ciertas horas desde casa y con los críos encima.

En efecto, si uno traza un rayo ideal desde la escena al sensor, en principio cada fotosensor capta un "cuadradito" o "punto" de la escena. Idealmente, eso es todo. Pero con la difracción, cada rayo se difumina a los lados un poco. Es decir, lo que originalmente era un punto en la escena pasa a ser una circunferencia un poco más grande tras atravesar el diafragma.

Así que si el circulo (el área extendida que ocupa el punto al difractarse) es menor que el fotocaptor, no afecta significativamente a los fotocaptores de al lado. Pero cuando el tamaño del fotocaptor es menor que el del círculo, entonces la luz que originalmente procedía de un punto y que cabía (idealmente) en el fotocaptor, ahora ya no cabe y se difumina a los lados afectando a los píxeles de al lado.

A eso me refería (expresándome muy malamente): cuando el tamaño del fotocaptor está por debajo del del círculo, éste extiende la luz que debería haber estado contenida en el fotocaptor hacia los adyacentes.

[Archimboldi]

Primero, quiero agradecerte, Akin, toda esa información. Realmente es curiosa y le hace a uno pensar mucho... Por ejemplo, ¿lo sabía Ansel Adams y Cia.? O lo que es lo mismo, ¿afecta -como parece lógico- esa condición a todos los tipos de captores, CCD, retroiluminados, analógicos, etc? Los paisajistas clásicos se esforzaban por tirar más cerrado que f22. Tengo un libro de Charlie Waite donde todas sus tomas están, como mínimo en esos guarismos. Tiraba en gran formato, pero eso, por lo que vemos en la tabla, no eran equivalentes más que a 8 Mp (¡como mi FZ 18!!!).

Luego hay otra cosa que creo que podría estarnos confundiendo. En la tabla se da un valor en Mp máximos aprovechables por cada valor f. Y creo que algunos piensan que por bajar los Mp a la hora de capturar con su cámara, la nitidez entonces aumentará. Pues yo entiendo que no es así, porque el valor de Mp que pone en la tabla es sólo el resultado de una operación que tiene que ver con la densidad de fotositos del sensor, en relación a la superfície de este. Es decir, de lo que realmente habla la tabla es del tamaño del fotosito. Ergo aunque pongamos nuestra K5 a captar con 6 Mp, la capacidad de nitidez para un tamaño de apertura es la misma... creo. O no se si lo he entendido bien.

Un saludo muy grande.

[Archimboldi]

Mmmm... creo que lo mejor van a ser pruebas empíricas. El tema es interesantísimo. Aunque es un límite físico es solo un problema técnico. Ya encontraremos la manera de que la luz no se desvíe.

[akin]

Primero, quiero agradecerte, Akin, toda esa información. Realmente es curiosa y le hace a uno pensar mucho... Por ejemplo, ¿lo sabía Ansel Adams y Cia.? O lo que es lo mismo, ¿afecta -como parece lógico- esa condición a todos los tipos de captores, CCD, retroiluminados, analógicos, etc? Los paisajistas clásicos se esforzaban por tirar más cerrado que f22. Tengo un libro de Charlie Waite donde todas sus tomas están, como mínimo en esos guarismos. Tiraba en gran formato, pero eso, por lo que vemos en la tabla, no eran equivalentes más que a 8 Mp (¡como mi FZ 18!!!).

Luego hay otra cosa que creo que podría estarnos confundiendo. En la tabla se da un valor en Mp máximos aprovechables por cada valor f. Y creo que algunos piensan que por bajar los Mp a la hora de capturar con su cámara, la nitidez entonces aumentará. Pues yo entiendo que no es así, porque el valor de Mp que pone en la tabla es sólo el resultado de una operación que tiene que ver con la densidad de fotositos del sensor, en relación a la superfície de este. Es decir, de lo que realmente habla la tabla es del tamaño del fotosito. Ergo aunque pongamos nuestra K5 a captar con 6 Mp, la capacidad de nitidez para un tamaño de apertura es la misma... creo. O no se si lo he entendido bien.

Un saludo muy grande.

La cuestión es la que has indicado: tiraba a gran formato.

Los paisajistas tenían (tenemos) dos problemas con la apertura. Por un lado está el problema de pérdida de nitidez por difracción que afecta a todo el mundo y a todas las marcas y a sensores y película y todo lo que haya tras un objetivo. Está ahí y no tiene solución. Y es mayor cuanto menor es el tamaño del captor de luz (Sea película o sensor). Cuanto más cierres, más refracción tendrás.

Y por otro lado, tenemos el problema de la pérdida de nitidez por la pérdida de profundidad de campo. Si nos quedamos en f5.6 pues ser verá genial... la parte que esté enfocada, porque en la no enfocada se verá mal.

Se trata pues de lograr un equilibrio, para nuestra fotografía, entre los círculos de Airy y los círculos de confusión: A mayor f menores los de confusión pero mayores los de Airy y viceversa. ¿Dónde está ese óptimo? Pues dependerá de cada toma en concreto. La forma de interpretar esa tabla es pensar en que si queremos la máxima nitidez, hay que organizar la toma para necesitar un f relativamente bajo.

[akin]

Mmmm... creo que lo mejor van a ser pruebas empíricas. El tema es interesantísimo. Aunque es un límite físico es solo un problema técnico. Ya encontraremos la manera de que la luz no se desvíe.

No soy ningún experto en óptica, ni tampoco en física, pero en los sitios donde me informé decían precisamente lo contrario: no es un problema técnico sino un límite físico. Los círculos de Airy no están provocados por el diseño de la óptica sino por las bandas de interferencia de la luz al pasar por un agujero diminuto (el diafragma en nuestro caso), y ahí ya intervienen límites marcados por la teoría física vigente, que está sobradamente probada.

En este contexto "encontrar la manera de que la luz no se desvíe" equivaldría a "demostraremos que la física cuántica está equivocada".

A mí sí se me ocurre un modo de superar ese límite, y de hecho ya existe ahora: por software. Si necesitas la profundidad de campo de una apertura f16, la cámara haría varias capturas a f8 con puntos de enfoque distintos y luego fusionaría las imágenes en una sola. Eso, de hecho, ya se puede hacer en Photoshop y se utiliza para fotografía macro (generalmente en estudio, y para objetos estáticos, que es donde es más sencillo tener las condiciones controladas). De ese modo te saltas las limitaciones de los círculos de Airy pero consigues toda la PdC necesaria.

[jrvalverde]

Bueno, en realidad es como todo, un problema mixto, de compromisos. Uno puede imaginar un sistema sin diafragmas y por tanto sin difracción, pero supondría un cambio de paradigma agresivo afectando a diseño, producción, marketing, educación...

La pregunta es si merece la pena. La inversión necesaria en producir un sistema alternativo de captación fotográfica podría no estar justificada por la magnitud de las mejoras que se pueden obtener y el coste de marketing y producción. Y a ver si habría alguien interesado en hacerlo.

Es como lo de los sensores intercambiables, una idea que para el usuario final es muy atractiva, pero que nadie lleva a la práctica (con mil excusas por cierto), o su equivalente, las CPUs intercambiables para ordenadores, que lo mismo, o la FF digital de Pentax, y miles de ejemplos más de cosas que para el usuario son una gran idea pero para el inversor que dirige el negocio no lo son.

[Archimboldi]

jrvalverde: es verdad, cambiar el sensor sería lo ideal (en el mejor de los mundos). Lo más parecido lo ha fabricado precisamente Ricoh con su sistema modular, aunque con el inconveniente insoslayable de que va junto con la óptica. Supongo que además de marketing existen serios problemas técnicos, dado la precisión de los mecanismos que intervienen, pero no lo sé.

Luego hay otra cosa que, la verdad, me sigue dejando con cara de pasta de boniato después de ver la tabla que ha puesto Akin. Si esa tabla está en lo cierto, y dado que para conseguir una determinada profundidad de campo hay que dar un valor f direrente en cada tamaño de sensor, y que ese valor debe aumentar -y el tamaño del agujero disminuír- en la medida que aumenta el tamaño del captor (aproximadamente un paso y medio de luz de un APS-C a un FF), entonces tenemos la paradoja de que el problema de conseguir una mayor PdC aumenta con el tamaño del captor DE FORMA IRRESOLUBLE. Es decir, por ejemplo f/11 en APS-C (7Mp) corresponde para una misma PdC a un f/16 en un FF (7Mp), que corresponde aproximadamente a un f/22 FM (8Mp). Prácticamente no obtenemos mejora por grande que sea el sensor.

Esto nos lleva a pensar que sería mejor tirar con sensores pequeños para fotografiar paisajes (!), pues no aporta ventajas un gran sensor para esta cuestión (aunque sí para otras, como el rango dinámico, aunque no necesariamente). Y sí es fácil obtener gran PdC.

 

[Archimboldi]

Mmmm... creo que lo mejor van a ser pruebas empíricas. El tema es interesantísimo. Aunque es un límite físico es solo un problema técnico. Ya encontraremos la manera de que la luz no se desvíe.

No soy ningún experto en óptica, ni tampoco en física, pero en los sitios donde me informé decían precisamente lo contrario: no es un problema técnico sino un límite físico. Los círculos de Airy no están provocados por el diseño de la óptica sino por las bandas de interferencia de la luz al pasar por un agujero diminuto (el diafragma en nuestro caso), y ahí ya intervienen límites marcados por la teoría física vigente, que está sobradamente probada.

En este contexto "encontrar la manera de que la luz no se desvíe" equivaldría a "demostraremos que la física cuántica está equivocada".

A mí sí se me ocurre un modo de superar ese límite, y de hecho ya existe ahora: por software. Si necesitas la profundidad de campo de una apertura f16, la cámara haría varias capturas a f8 con puntos de enfoque distintos y luego fusionaría las imágenes en una sola. Eso, de hecho, ya se puede hacer en Photoshop y se utiliza para fotografía macro (generalmente en estudio, y para objetos estáticos, que es donde es más sencillo tener las condiciones controladas). De ese modo te saltas las limitaciones de los círculos de Airy pero consigues toda la PdC necesaria.

Perdona Akin: me he expresado fatal. No quería poner en duda el actual estado de la teoría óptica. Me refería a lo de que no mejorarían nuestras tomas por el hecho de captar con un mismo sensor (importante), con menor resolución.

Lo de que ya encontraremos solución... pues eso. Tú mismo has dado una solución -lateral, sin conculcar las leyes físicas-. Quizás haya con el tiempo soluciones ingeniosas como adaptar la superfície del sensor a la forma de incidencia de la luz: sensores cóncavos optimizados para conseguir una gran profundidad de campo, por ejemplo. Esto es ciencia ficción. Pero hay que ser optimistas, como lo fue por ejemplo Copérnico, cuyas teorías eran falsas estrictamente dentro de las leyes vigentes a la sazón.

En fin, gracias por abrir este hilo, que me parece de lo más estimulante.

PD: ¿Y ahora qué me llevo de viaje, la K5 o la FZ 18? Si es para paisajes...

[akin]

Mmmm... creo que lo mejor van a ser pruebas empíricas. El tema es interesantísimo. Aunque es un límite físico es solo un problema técnico. Ya encontraremos la manera de que la luz no se desvíe.

No soy ningún experto en óptica, ni tampoco en física, pero en los sitios donde me informé decían precisamente lo contrario: no es un problema técnico sino un límite físico. Los círculos de Airy no están provocados por el diseño de la óptica sino por las bandas de interferencia de la luz al pasar por un agujero diminuto (el diafragma en nuestro caso), y ahí ya intervienen límites marcados por la teoría física vigente, que está sobradamente probada.

En este contexto "encontrar la manera de que la luz no se desvíe" equivaldría a "demostraremos que la física cuántica está equivocada".

A mí sí se me ocurre un modo de superar ese límite, y de hecho ya existe ahora: por software. Si necesitas la profundidad de campo de una apertura f16, la cámara haría varias capturas a f8 con puntos de enfoque distintos y luego fusionaría las imágenes en una sola. Eso, de hecho, ya se puede hacer en Photoshop y se utiliza para fotografía macro (generalmente en estudio, y para objetos estáticos, que es donde es más sencillo tener las condiciones controladas). De ese modo te saltas las limitaciones de los círculos de Airy pero consigues toda la PdC necesaria.

Perdona Akin: me he expresado fatal. No quería poner en duda el actual estado de la teoría óptica. Me refería a lo de que no mejorarían nuestras tomas por el hecho de captar con un mismo sensor (importante), con menor resolución.

Lo de que ya encontraremos solución... pues eso. Tú mismo has dado una solución -lateral, sin conculcar las leyes físicas-. Quizás haya con el tiempo soluciones ingeniosas como adaptar la superfície del sensor a la forma de incidencia de la luz: sensores cóncavos optimizados para conseguir una gran profundidad de campo, por ejemplo. Esto es ciencia ficción. Pero hay que ser optimistas, como lo fue por ejemplo Copérnico, cuyas teorías eran falsas estrictamente dentro de las leyes vigentes a la sazón.

En fin, gracias por abrir este hilo, que me parece de lo más estimulante.

PD: ¿Y ahora qué me llevo de viaje, la K5 o la FZ 18? Si es para paisajes...

La K5, sin duda. Problemas de PdC aparte (donde no hay grandes ventajas o desventajas) la K5 te aporta un rango dinámico tremendo, que es sumamente importante en paisaje.

[Danny]

Interesantisimo el hilo tanto por la información como por los comentarios.

Me subo y me mantengo atento a las "novedades".

Saludos.

[Rigo]

Una noche de estas en las que no tengo nada que hacer me puse a pensar en este tema y pues me parece que la solución para poder ganar más detalle y evitar la difracción podría venir por un rumbo inesperado.

Según lo que tengo entendido las curvas Mtf no se miden (o no se deben medir) en el sensor, ya que este no presenta las condiciones ideales para realizarlo. Por lo tanto la el detalle real (pixel a pixel) que dan los mejores objetivos modernos está por encima de lo que al final una imagen digitalizada puede dar. La gran mayoría de sensores actuales (sean CCD o CMOS) no terminan de dar el máximo detalle por dos motivos principales:

- El filtro AA que se le asigna a cada sensor (exepto en casos como la leica M8 o la pentax 465d) para evitar el moiré en nuestras fotos.
- La interpolación que se hace ya que cada pixel del Raw representa únicamente un valor de uno de los tres colores primarios (RGB) y se logran colores por interpolación.

Entonces si los sensores tipo foveon logran desarrollarse mejor (recordemos que Canon en el pasado y Sony en este año han patentado tecnologias similares), podrían dar el máximo de detalle que realmente proporciona el objetivo, dado que estos ni necesitan filtro AA, ni necesitan interpolación. Según leí en repetidas ocaciones el sensor Foveon de la Sigma SD15 que al final daba 4.8 megapixeles equivalia en calidad de detalle a un sensor CCD o CMOS de 10 MP. Esto quiere decir que con el límite de 12 MP en una APSC con este tipo de sensor dentriamos el detalle de un sensor de 25 MP CMOS, lo cual implica colores más finos, tranciciones más suaves e impresiones en gran formato con más detalle.

Pero como siempre el mercado puede ir por el rumbo comercial y no más.

Saludos

[espkype]

Entonces los que tiramos macro a f11-16 o incluso 18... lo llevamos chungo? Porque yo en macro noto mucha calidad a aperturas pequeñas. Sin abriéramos más no conseguiríamos enfocar bien los bichos... Para paisaje también se usan las hiperfocales, y con ellas hay que cerrar diafragma también

[jrvalverde]

Dos cosas: de la primera, lo de Ricoh, pues se va a acabar en septiembre: en septiembre Ricoh presenta una nueva GXR en que el módulo de sensor lleva una montura Leica y usa objetivos intercambiables, así que serán por fín independientes el sensor, la cámara y el objetivo.

La otra debajo

jrvalverde: es verdad, cambiar el sensor sería lo ideal (en el mejor de los mundos). Lo más parecido lo ha fabricado precisamente Ricoh con su sistema modular, aunque con el inconveniente insoslayable de que va junto con la óptica. Supongo que además de marketing existen serios problemas técnicos, dado la precisión de los mecanismos que intervienen, pero no lo sé.

Luego hay otra cosa que, la verdad, me sigue dejando con cara de pasta de boniato después de ver la tabla que ha puesto Akin. Si esa tabla está en lo cierto, y dado que para conseguir una determinada profundidad de campo hay que dar un valor f direrente en cada tamaño de sensor, y que ese valor debe aumentar -y el tamaño del agujero disminuír- en la medida que aumenta el tamaño del captor (aproximadamente un paso y medio de luz de un APS-C a un FF), entonces tenemos la paradoja de que el problema de conseguir una mayor PdC aumenta con el tamaño del captor DE FORMA IRRESOLUBLE. Es decir, por ejemplo f/11 en APS-C (7Mp) corresponde para una misma PdC a un f/16 en un FF (7Mp), que corresponde aproximadamente a un f/22 FM (8Mp). Prácticamente no obtenemos mejora por grande que sea el sensor.

Esto nos lleva a pensar que sería mejor tirar con sensores pequeños para fotografiar paisajes (!), pues no aporta ventajas un gran sensor para esta cuestión (aunque sí para otras, como el rango dinámico, aunque no necesariamente). Y sí es fácil obtener gran PdC.

 

En efecto, cuanto más pequeño el sensor, mayor es la PDC, eso es correcto y es la principal crítica/problema que se le hace a nivel práctico a las cámaras compactas: dan una PDC enorme a todas las aperturas, con lo que es muy difícil obtener un enfoque selectivo. Mira el hilo de la nueva PentaxQ y verás que han tenido que simular el desenfoque por software.

El problema es que como ya se ha comentado se trata de un balance: es posible que reduzcas el efecto de la difracción, o que aumentes la PDC... pero a costa de aumentar otros defectos con lo que en realidad no te compensa. Por eso puestos a legir, "el coche y la burra, grande, ande o no ande". Si la cámara es grande y tienes que redimensionar hacia abajo (reducir Mpx) no pasa nada, puedes hacerlo, pero habrás captado más información, sea en detalle, en sensibilidad, etc. O como se dice "más vale que sobre que no que falte".

[Dco]

Esto nos lleva a pensar que sería mejor tirar con sensores pequeños para fotografiar paisajes (!), pues no aporta ventajas un gran sensor para esta cuestión (aunque sí para otras, como el rango dinámico, aunque no necesariamente). Y sí es fácil obtener gran
PdC.

Para disparar a aperturas pequeñas, a efectos de difracción no hay demasiada diferencia entre sistemas. Por una parte los sensores más pequeños necesitan cerrar menos para conseguir una determinada profundidad de campo, pero a la vez se ven afectados antes por la difracción. Lo sensores grandes, necesitan aperturas más cerradas, pero la difracción les afecta menos. Y por lo general, sistemas con sensores más grandes necesitan de aperturas más pequeñas para que los objetivos rindan sin problemas (MIentras que para sensores menores es más fácil optimizar las ópticas).
 Si tuviésemos un sensor de igual tamaño de píxel en distintos formatos, puede parecer que para una misma profundidad de campo el sensor más grande sale perjudicado, porque se verá afectado más por la difracción, además de tener que usar un difragma menos, lo cual es cierto. Pero hay otro factor a tener en cuenta que es el tamaño de salida final. El sensor más grande tendrá una resolución mucho mayor, y al interpolarlo a la baja, se reducirá el efecto de difracción de una manera mucho más notable que el de menor resolución, y al final, las diferencias no son demasiado significativas.
 Para ilustrar, pongo un ejemplo, en este caso con dos sensores APS-C, de distinta resolución, siendo así más fácil entender lo que quiero decir. He hecho la misma fotografía con la *IstD (6 mp) y la K5 (16 mp), ambas a f22, con lo cual la K5 se verá más afectada por la difracción, dándo resultados peores en la teoría. ¿Pero que pasa si comparamos las imágenes interpoladas para un mismo tamaño de salida que es cómo se van a ver en la práctica?
 Un recorte de la *IstD al 100%:

PENTAX Corporation - PENTAX *ist D - 70mm - 1/20s - f/22 - ISO: 200 - Flash: No - Fecha: 2011:08:10 11:14:56
Objetivo usado: Tokina AT-X 270 AF

Un recorte de la K5 reducido al tamaño de la *IstD:

PENTAX - PENTAX K-5 - 70mm - 1/8s - f/22 - ISO: 80 - Flash: No - Fecha: 2011:08:10 11:14:26
Objetivo usado: Tokina AT-X 270 AF

El mismo recorte, pero aplicándole una ligera máscara de enfoque previa a la reducción:

PENTAX - PENTAX K-5 - 70mm - 1/8s - f/22 - ISO: 80 - Flash: No - Fecha: 2011:08:10 11:13:41
Objetivo usado: Tokina AT-X 270 AF

Y ahora el proceso inverso, la *IstD interpolada el tamaño de la K5 ( Tendríamos que interpolar al alza si nos interesase una copia de gran tamaño, por ejemplo)

PENTAX Corporation - PENTAX *ist D - 70mm - 1/20s - f/22 - ISO: 200 - Flash: No - Fecha: 2011:08:10 11:16:56
Objetivo usado: Tokina AT-X 270 AF

La K5 al 100%:

PENTAX - PENTAX K-5 - 70mm - 1/8s - f/22 - ISO: 80 - Flash: No - Fecha: 2011:08:10 11:16:35
Objetivo usado: Tokina AT-X 270 AF

La K5 al 100% con máscara de enfoque:

PENTAX - PENTAX K-5 - 70mm - 1/8s - f/22 - ISO: 80 - Flash: No - Fecha: 2011:08:10 11:17:16
Objetivo usado: Tokina AT-X 270 AF

 Es simplemente para aportar una referencia una poco más práctica -Que para mí es la que vale- en medio de tantos datos teóricos. Realmente el sensor más pequeño -O de menor resolución en este caso- no aporta mejoras a nivel de calidad, en este tema de la difracción.
 Saludos