Difração na fotografia – Nitidez e resolução

[sc:script ]

Conteúdo


Introdução – o que é difração

Para explicar o conceito de difração, imagine a seguinte situação:

O diafragma da sua câmera está em uma posição mais fechada (por exemplo, f/22) e apontado para fontes de luz que são fortes, pontuais e estáticas (sol, lâmpadas, etc). Quando fotografadas, estas fontes de luz saem, na foto, como estrelas de várias pontas. Estas pontas que deixam a luz com formato de estrela são resultado da difração da luz no diafragma, e o número de pontas depende do número de lâminas do diafragma.

011301

O diafragma é composto por lâminas que, dependendo da posição, deixam a abertura mais fechada (maiores intervalos de f) ou mais aberta (menores intervalos de f).

O vídeo abaixo mostra como a abertura do diafragma varia de acordo com o f/stop selecionado:

A luz que passa por esta abertura sofre desvios no sentido das lâminas. Até mesmo os raios de luz que passam na parte central do diafragma, relativamente longe das suas bordas, sofrem este mesmo efeito, porém com menos intensidade.

A foto a seguir mostra a sombra de uma lente Nikon 50mm f/1.8 e o efeito de difração sofrido por um laser ao passar pelas lâminas do diafragma:

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

A difração não ocorre apenas dentro da lente, mas em qualquer borda de superfície.


Abertura x Difração

Quanto menor for a abertura do diafragma, maiores serão o ângulo e a intensidade da onda de luz difratada. Isto significa que, nesse caso, o efeito de estrela fica mais forte e maior na imagem.

Nas fotografias abaixo isto fica claramente demonstrado com as luzes dos postes:

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

A foto da esquerda foi tirada com uma abertura de f/1.8, enquanto a da direita com f/22.

Ou seja, quando um fotógrafo deseja evitar este efeito de estrela ao fotografar fontes de luz fortes, ele deve manter o diafragma da lente mais aberto (menor f/stop).

O esquema a seguir mostra como as ondas de luz que passam mais perto das bordas sofrem um desvio maior e também como o ângulo da luz difratada aumenta se o tamanho da abertura diminui.

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

O número de pontas da estrela formada na fotografia vai ser relativo ao número de lâminas do diafragma. Isto ocorre porque o diafragma forma polígonos quando fechado. Veja a figura a seguir mostrando um esquema de um diafragma com 6 lâminas que forma um hexágono.

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

Um diafragma de 7 lâminas forma um heptágono, um de 8 forma um octógono e assim por diante. Veja abaixo uma foto com luzes em forma de heptágonos – que estão no mesmo formato da abertura do diafragma da lente utilizada para fazer esta imagem (Nikon 50mm f/1.8):

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

Como as ondas de luz difratadas tendem a se concentrar ao longo das arestas do polígono (como observado na foto da lente iluminada por um laser) é daí que se formam as pontas das estrelas na fotografia.

Com o diafragma mais aberto, devido ao formato das lâminas, a abertura toma uma forma que pode ser próxima de um círculo. Por isso, os raios de luz tendem a não se concentrar na fotografia, não formando estrelas.

Na fotografia ampliada a seguir, vemos como um diafragma de 7 lâminas leva cada fonte de luz a virar uma estrela de 14 pontas.

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

Este efeito é mais dificilmente observado (mas também pode ocorrer) em situações em que o ponto emissor de luz é móvel, por exemplo um carrossel fotografado à noite. Como os pontos emissores de luz de um carrossel se movem constantemente, o sensor da câmera será exposto à luz vinda de pontos ligeiramente diferentes durante a exposição, camuflando as pontas estreladas que seriam formadas.

É importante ressaltar que a difração sempre ocorre – mesmo nas posições mais abertas do diafragma. Contudo, quando ele está mais aberto, a proporção de ondas de luz passando relativamente longe das suas lâminas será maior, e menor será o ângulo e a intensidade de difração destas ondas.

Para mais informações (e para entender melhor a física por trás disso), visite o link a seguir:

Princípio de Huygens – Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada da Universidade de São Paulo


Nitidez da fotografia

A difração das ondas de luz tem relação direta com a nitidez de uma fotografia.

Voltando à explicação anterior, podemos entender que existem dois tipos de ondas de luz atingindo o sensor da câmera durante a exposição da fotografia: ondas de luz difratadas e ondas de luz não-difratadas.

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

As ondas difratadas têm uma intensidade menor do que as ondas não-difratadas (representadas com linhas mais grossas e mais finas).

Cada onda de luz é formada por diversos fótons. O sensor é sensibilizado por diversos fótons durante a exposição da fotografia (enquanto o obturador da câmera está aberto). Devido à difração, as ondas de luz difratadas (menos intensas) levam os fótons provenientes de um ponto único a sensibilizar pixels em áreas diferentes do sensor.

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

As imagens acima são didáticas. Os pixels e o diafragma tiveram os seus tamanhos modificados para facilitar a compreensão do tema. Sensores reais têm milhões de pixels, enquanto os sensores da figura têm apenas 9. O tamanho do diafragma é de uma ordem de grandeza muito superior ao tamanho de um pixel.

O sensor é subdividido em milhões de quadrados ou retângulos, que são chamados de pixels. Devido à difração, a luz emitida de um ponto singular pode atingir, com intensidades diferentes, diversos pixels na câmera.

Por isso, quanto maior a intensidade e quantidade de luz (fótons) difratados e quanto maior o ângulo de difração, menos nítida será a imagem final.

Veja o detalhe das imagens abaixo cortadas em 100% de ampliação para comparar. Observe como, por causa da difração, a fotografia tirada com f/22 é menos nítida do que a tirada com f/14.

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

Se a luz sofrer uma difração muito grande, a sua onda pode atingir com bastante intensidade não apenas uma área com 2 pixels lado a lado (ou área com poucos pixels), mas uma região com diversos pixels.

Assim, de nada adiantará ter um sensor capaz de capturar 36 megapixels, se grande parte deles forem “borrados” por uma única onda de luz. O gargalo para a melhor nitidez deixa de ser o sensor e passa a ser a abertura do diafragma.

A nitidez de uma fotografia também será fator da velocidade do obturador, da movimentação do objeto sendo fotografado, da luminosidade, da sensibilidade ISO, da distância hiperfocal, da profundidade de campo, de aberrações cromáticas e de aberrações esféricas… Então, antes de culpar a abertura do diafragma/difração pela falta de nitidez, pense que outros parâmetros também podem estar influenciando na qualidade final da imagem.

O limite de difração é o ponto a partir do qual a abertura do diafragma é tão pequena que causa, na foto, uma perda suficiente de nitidez para ser identificada pelo olho humano. Em outras palavras, a nitidez será suficientemente baixa para que um objeto pontual dentro do plano focal apareça desfocado na fotografia (com dimensões maiores do que a do círculo de confusão).

A lição que deve ser aprendida é: evite utilizar f/stops muito altos sem necessidade.


Limite de difração X tamanho do sensor e quantidade de pixels

Quanto maior o número de pixels em um sensor, a tendência é que seja mais fácil que uma onda de luz difratada atinja diversos pixels, e isso limita a resolução da imagem.

Por isso, se compararmos (para um mesmo f/stop) o sensor de uma câmera compacta de 14 megapixels com um sensor de uma câmera full frame DSLR com também 14 megapixels, chegamos à conclusão que o sensor da câmera compacta é mais suscetível aos efeitos negativos da difração da luz no diafragma.

O que precisa ser notado também é que isso não significa que sensores menores são piores. Para um mesmo f/stop, sensores menores em câmeras compactas produzem imagens com maior profundidade de campo do que em câmeras profissionais, por exemplo. Ou seja, o fotógrafo não precisa fechar tanto o diafragma para alcançar uma maior profundidade de campo.

A figura a seguir é um exemplo didático que mostra como em um sensor menos denso (câmera full frame) uma onda de luz difratada ocupa a área de poucos pixels, enquanto para um sensor mais denso (câmera compacta), esta mesma luz (ou borrão de luz) ocupa mais pixels.

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop

Teoricamente, a câmera está no limite de difração – e isso ocorre quando uma onda de luz vinda de um objeto pontual em foco cobre inteiramente um grupo de 2 ou mais pixels lado a lado no sensor (considerando que o sensor da câmera é tipo Bayer).

Na realidade, a nitidez da fotografia é reduzida não apenas por causa da difração no diafragma, mas também devido ao filtro de passagem baixa que cobre o sensor (que dispersa ainda mais a luz antes de atingir o sensor) e a possíveis imperfeições na lente.


Situações comuns em que o limite de difração é atingido

Por que fabricantes produzem lentes que permitem f/stops tão baixos se as imagens perdem tanto a nitidez?

Os dois exemplos a seguir servem para demonstrar que em algumas situações o fotógrafo não tem outra escolha, a não ser fechar o diafragma.


1 – Fotografias macro

Devido à proximidade entre a lente e o objeto em fotografias macro, a profundidade de campo é tão pequena que muitas vezes requer que o fotógrafo utilize os menores f/stops que a lente permite.

A menor abertura possível resulta em profundidade de campo máxima.

Veja o vídeo abaixo que mostra uma corrente de bicicleta filmada em macro (começando em f/22 e terminando em f/1.8. Observe como a profundidade de campo varia drasticamente.


2 – Fotografias de longa exposição durante o dia

Em outros casos, o fotógrafo precisa controlar a passagem de luz para o sensor. Para aumentar o tempo de exposição de uma imagem, uma das opções do fotógrafo é fechar o diafragma  para bloquear a luz que passa através da lente.

A utilização de filtros de densidade neutra aparece como uma alternativa ao fechamento do diafragma. Mas às vezes, mesmo com este filtro, o fotógrafo precisa de exposições tão longas que a única opção que resta é fechar o diafragma (e sofrer com a redução de nitidez causada pela difração).

como tirar fotos; fotografia; difração; difração na fotografia; diafragma; f/stop; Alamo Mission in San Antonio; The Alamo; Texas; San Antonio; Mission San Antonio de Valero;


Difração, cores e aberração cromática

Sabendo que cada onda de luz difrata ao passar pelo diafragma da lente, o próximo passo é entender que dependendo do comprimento da onda, o ângulo e a intensidade da difração serão diferentes.

As ondas de luz têm um comprimento de onda diferente para cada cor, ou seja, cores diferentes não terão a mesma difração. Ondas vermelhas difratam com mais facilidade do que ondas azuis. Sendo mais extremo e indo além da capacidade visual humana, ondas infravermelhas difratam mais do que ondas ultravioleta.

A tabela abaixo mostra o comprimento de onda para as cores vermelho, verde e azul em nanômetros (nm). Saiba que 1nm=0,000000001m.

Vermelho (R) 620 a 740nm
Verde (G) 520 a 570nm
Azul (B) 440 a 490nm

 

É por causa disso que aberrações cromáticas se pronunciam em algumas fotos. Com a difração diferente, ondas de luz de cor branca se decompõem devido à difração sofrida dentro da lente e atingem o sensor como ondas de luz de diversas cores.

Fabricantes combatem a aberração cromática arranjando os elementos internos da lente de forma a minimizar a difração e também escolhendo revestimentos especiais para evitá-la.


Limite de difração e cores

Visto que ondas de luz de cor vermelha são mais suscetíveis a difratar do que as de cor azul, teoricamente é mais difícil alcançar o limite de difração quando fotografando um objeto iluminado por uma luz azul monocromática. Em outras palavras, para uma mesma cena e mesma configuração da câmera, se a iluminação for vermelha, maior é a chance da luz difratada reduzir a nitidez da fotografia.


Publicado por Câmera Neon em 2013-09-12 16:35:10. Última atualização em . [sc:end2 ]

Visitado 13,008 vez(es), 1 visita(s) hoje