روزنه دیافراگم (Aperture) یکی از عناصر اصلی مثلث نوردهی است که اندازه های کوچک آن برای کنترل نورهای شدید و همچنین افزایش عمق میدان تصویر بکار می رود.
هر چه روزنه دیافراگم کوچکتر باشد، پرتوهای نور در لبه آن به اطراف پراکنده می شود و با پرتوهای نوری دیگر تداخل می یابد. به همین علت جزئیات تصویر از بین رفته و موجب کاهش وضوح و شارپی در تصویر می شود. به این پدیده تفرق یا پراش نوری لنز (Lens Diffraction) می گویند.
در اندازه های کوچکتر روزنه دیافراگم، پراکندگی پرتوهای نور به اطراف بیشتر می باشد.
اصولا پراش نوری در دیافراگم های کوچک همچون f/16 ، f/22 یا کوچکتر اتفاق می افتد. وقتی برخی از افرادی که در حال گذراندن آموزش های عکاسی هستند، به این مطلب پی می برند، ممکن است برای کاهش کیفیت احتمالی تصاویر در دیافراگم های کوچک دچار نگرانی شوند.
آشنایی با چگونگی ایجاد و نحوه اثر پراش نوری (دیفراکشن) در تصاویر می تواند به شما کمک کند تا برای بدست آوردن بیشترین وضوح، بهترین تصمیم را بگیرید.
در تصاویری که از این سنگواره گرفته شده است در دیافراگم های کوچکتر، وضوح و شارپی جزئیات تصویر کاهش یافته است.
نحوه ایجاد پراش نوری
پرتو های نور به صورت امواج جابجا می شوند. وقتی پرتوهای نور از یک شکاف کوچک (مثل روزنه دیافراگم) عبور می کنند، به صورتی واگرا به اطراف پراکنده شده و همچنین با یکدیگر تداخل می کنند. هر چه اندازه روزنه کوچکتر شود، این پدیده تشدید می شود.
پرتوهای موجی نور وقتی از روزنه دیافراگم کوچکتر عبور می کنند، در لبه های روزنه پراکندگی بیشتری پیدا می کنند.
پراکندگی و برخورد این امواج نوری به یکدیگر باعث می شود که در مناطقی یکدیگر را تضعیف و در مناطقی یکدیگر را تقویت کنند. نور در مناطق تقویت شده، شدت بیشتری می یابد و در مناطق تضعیف شده، از شدت کمتری برخوردار خواهد شد.
نحوه برخورد پرتوهای نور به سطح سنسور- در مناطقی که امواج نوری یکدیگر را تشدید کرده اند با نوار روشن تر و مناطقی که امواج نوری یکدیگر را تضعیف کرده اند به صورت کم رنگ و یا بدون نور در تصویر نمایش داده شده است.
در نتیجه این اثر تضعیف و تقویت امواج، الگوی خاصی از نحوه برخورد امواج نوری بر روی سطح سنسور بوجود می آید که می توان آن را به صورت یک دیسک مرکزی نورانی و دایره های نورانی هم مرکز با آن (با شدت درخشندگی کمتر) تصور نمود. به این الگوی برخورد نور به سطح سنسور، الگوی ایری (Airy pattern) و به مرکز درخشان آن، دیسک ایری (Airy disk) گفته می شود. این اصطلاح از نام George Biddell Airy ریاضیدان و دانشمند انگلیسی گرفته شده است.
الگوی برخورد امواج نورانی به سطح سنسور (الگوی ایری) بطوریکه شدت نور در مرکز بیشتر است و در اطراف به صورت دوایر متحدالمرکز با شدت نور کمتر دیده می شود.
شدت درخشندگی در مرکز دیسک ایری (Airy disk) بسیار بیشتر از مناطق حاشیه ای آن است و بیشترین تاثیر را بر روی سنسور و در نتیجه عکس شما خواهد داشت. قطر مرکزی دیسک ایری (یعنی قطر اولین دایره تاریک) در سیستم های اپتیکی به عنوان ملاک حداکثر تفکیک پذیری (Resolution) در نظر گرفته می شود.
بخش مرکزی الگوی ایری با عنوان دیسک ایری (Airy disk) نامیده می شود..
اگر به ساختمان سنسور دوربین که از چندین فوتوسایت (Photosite) تشکیل شده است توجه کنید، در واقع دیسک های ایری بر روی فوتوسایت های سنسور قرار می گیرند.
هر چه روزنه دیافراگم کوچکتر شود، پراکندگی امواج نورانی بیشتر شده، بنابراین قطر دیسک ایری (Airy disk) بزرگتر می شود و البته شدت ناحیه مرکزی آن نیز کمتر می گردد.
با کوچکتر شدن روزنه دیافراگم، قطر دیسک ایری بیشتر شده و از محدوده یک فوتوسایت فراتر می رود.
با افزایش قطر دیسک ایری، این دیسک بر منطقه بزرگتری از سطح سنسور قرار می گیرد و تمرکز آن بر روی یک فوتوسایت واحد کم می شود. با توجه به اینکه هر چه پرتوهای نوری، تمرکز بیشتری بر تک تک فوتوسایت ها داشته باشند، شارپی تصویر بیشتر خواهد بود، با بزرگ شدن دیسک ایری، این تمرکز کاهش یافته و دیسک های ایری از محدوده هر فوتوسایت فراتر رفته و با یکدیگر همپوشانی پیدا می کنند. در نتیجه شارپی و دقت در ثبت پرتوهای نوری دریافت شده توسط فوتوسایت ها نیز کاهش خواهد یافت.
تاثیر اندازه روزنه دیافراگم بر اندازه قطر دیسک ایری بطوریکه با بزرگ شدن دیسک، تمرکز آن بر روی یک فوتوسایت کاهش می یابد.
به این نکته توجه داشته باشید که اندازه دیسک ایری (Airy disk) به دو عامل اندازه روزنه دیافراگم و همچنین طول موج نور بستگی دارد. تاثیر اندازه روزنه دیافراگم بر روی آن توضیح داده شد.
پرتوهای موجی شکل نور با طول موج های بلندتر نسبت به پرتوهای با طول موج کوتاه تر، هنگام عبور از یک شکاف باریک بیشتر تفرق می یابند و در نتیجه دیسک ایری بزرگتری ایجاد می کنند.
به این صورت که در یک اندازه ثابت روزنه دیافراگم، مثلا نور قرمز (با طول موج تقریبی 650nm) نسبت به نور آبی (با طول موج تقریبی 475nm)، دیسک ایری (Airy disk) بزرگتری تولید می کند. پس اگر نور غالب در صحنه عکاسی، آبی باشد، تاری ناشی از پراش نوری مختصری کمتر از زمانی خواهد بود که نور غالب در صحنه، قرمز رنگ باشد. البته توجه داشته باشید که عملا این اختلاف وضوح ناشی از رنگ نور، خیلی محسوس نیست.
در اکثر سنسورها چیدمان فیلترهای رنگی در سطح سنسور به صورت چیدمان بایر (Bayer array) است که در آن تعداد فیلترهای سبز دو برابر فیلترهای آبی و قرمز است. بنابراین با نزدیک شدن به مرز پراش نوری، اولین نشانه های کاهش وضوح در رنگ سبز و سطح درخشندگی پیکسل ها اتفاق خواهد افتاد.
نور قرمز با طول موج بلندتر نسبت به نور آبی در لبه های روزنه دیافراگم دچار پراکندگی بیشتری می شود.
تاثیر اندازه و تفکیک پذیری سنسور
همانطور که ملاحظه کردید، وقتی که اندازه دیسک ایری (Airy disk) از اندازه فوتوسایت ها بزرگتر می شود، کاهش کیفیت تصویر و در واقع پدیده پراش نوری (Diffraction) رخ می دهد. بنابراین اگر با یک اندازه ثابت روزنه دیافراگم ، بر روی دو سنسور مختلف نور تابانده شود، سنسوری که دارای فوتوسایت های بزرگتری است، کاهش وضوح کمتری خواهد داشت. به عبارتی در دیافراگم های بسته تر نیز دچار پراش نوری نمی شود.
بنابراین اگر اندازه دو سنسور در دو دوربین مختلف یکسان باشد (مثلا هر دو فول فریم یا کراپ سنسور هم اندازه)، از نظر تئوری، در سنسوری که تفکیک پذیری (Resolution) بیشتری دارد، پس اندازه هر فوتوسایت کوچکتر بوده و احتمال بیشتری برای ایجاد پراش نوری (دیفراکشن) در دیافراگم های بازتر وجود دارد. ولی در دوربین هایی که سنسور آنها مگاپیکسل و تفکیک پذیری کمتری دارد، تا زمانی که به دیافراگم های کوچکتری برسید، پراش نوری قابل توجهی بوجود نخواهد آمد.
وقتی در یک سنسور با اندازه ثابت، رزولوشن افزایش یابد، فوتوسایت های آن کوچکتر شده و تاثیر دیسک ایری بر روی آنها افزایش می یابد.
این موضوع از نظر کلی درست می باشد، ولی در خصوص وضوح و شارپ بودن تصاویر، عوامل و فاکتورهای مختلفی تاثیرگذار هستند. بطوریکه یک سنسور با تفکیک پذیری بالا (فوتوسایت های بیشتر) تقریبا همیشه جزئیات بیشتری نسبت به یک سنسور با همان اندازه ولی با تفکیک پذیری پایین (فوتوسایت های کمتر) ثبت می کند. حتی اگر احتمال ایجاد پراش نوری در آن بیشتر باشد.
بنابراین ایجاد پراش نوری برای هر دوربین از اهمیت خاص خودش برخوردار است. برای هر عکاس لازم است که در مورد دوربین خود در خصوص اندازه ای از روزنه دیافراگم که در آن محدوده، پدیده پراش نوری اتفاق می افتد اطلاع داشته باشد.
برای بدست آوردن حداکثر وضوح در هر دوربین، لازم است از اندازه روزنه دیافراگم که در آن محدوده موجب پدیده پراش نوری می شود، اطلاع داشته باشید.
به این نکته مهم توجه کنید که پراش نوری (Diffraction) یک پدیده فیزیکی است و اندازه دیسک ایری (Airy disk) به لنز و دیافراگم درون آن بستگی دارد. اگر از یک لنز خاص بر روی دو دوربین با اندازه سنسور متفاوت استفاده کنید، دیسک ایری همیشه به یک اندازه خواهد بود. به عبارتی اندازه سنسور ( اگر فول فریم باشد یا کراپ سنسور )، بر روی اندازه دیسک ایری تاثیری نخواهد داشت. در این شرایط، اگر میزان تفکیک پذیری این دو سنسور در واحد سطح یکسان باشد، پس اندازه فوتوسایت ها در آنها یکسان بوده و پدیده پراش نوری نیز برای هر دو سنسور بطور یکسانی اتفاق می افتد.
با یک لنز و اندازه روزنه دیافراگم خاص، اندازه دیسک ایری بر روی سطح دو سنسور با اندازه های مختلف ولی با رزولوشن یکسان، به یک میزان خواهد بود.
البته در عمل ممکن است به نظر برسد که در دوربین های کراپ سنسور، پراش نوری بیشتر اتفاق می افتد. این موضوع به این علت است که در دوربین های کراپ سنسور اصولا نسبت به دوربین های فول فریم، همه چیز بزرگنمایی می شود. یعنی همانطور که ضریب برش (Crop Factor) مثلا 1.5x را برای اصلاح فاصله کانونی در این دوربین ها بکار می برید، همین موضوع در اندازه دیسک ایری نیز صادق است، بطوریکه اگر مثلا در یک دوربین کراپ سنسور 1.5x در اندازه روزنه دیافراگم معادل f/11 ، دیسک ایری سطح مشخصی از سنسور را می پوشاند، در یک دوربین فول فریم وقتی دیافراگم بر روی f/16 است، دیسک ایری همان درصد از سطح سنسور را می پوشاند. این عاملی است که باعث می شود چنین به نظر برسد که پراش نوری در دوربین های با اندازه سنسور بزرگتر کمتر اتفاق می افتد.
مجدد یادآوری می شود که این موضوع با بزرگی اندازه یک فوتوسایت اشتباه نشود. همانطور که قبلا اشاره شد، هر چه فوتوسایت بزرگتر باشد، تاثیر اندازه دیسک ایری و در نتیجه پدیده پراش نوری در روزنه دیافراگم کوچکتری اتفاق می افتد.
برای مطالعه بیشتر در خصوص فوتوسایت ها، ساختار سنسور و ضریب برش می توانید به مقاله "نحوه کارکرد حسگر ( سنسور ) در دوربین های عکاسی دیجیتال" در همین وب‌سایت مراجعه نمایید.
عمق میدان و پراش نوری لنز
کاهش اندازه روزنه دیافراگم موجب افزایش عمق میدان (DOF) تصویر و افزایش عمق وضوح آن می گردد. از طرف دیگر، در اندازه های کوچکتر روزنه دیافراگم ، پدیده پراش نوری (Diffraction) اتفاق می افتد که موجب کاهش شارپی و وضوح جزئیات تصویر خواهد بود.
مقایسه وضوح تصویر و عمق میدان در دو اندازه روزنه دیافراگم
همانطور که در تصویر بالا ملاحظه می کنید، در f/22 عمق میدان بیشتری نسبت به f/5.6 وجود دارد، ولی وقتی بزرگنمایی تصویر را افزایش می دهیم، وضوح جزئیات تصویر در f/5.6 بیشتر می باشد.
گاهی این موضوع ممکن است در تصمیم گیری شما موجب سردرگمی شود. توجه کنید که امکان جلوگیری از ایجاد پراش نوری وجود ندارد. این یک پدیده فیزیکی است. شما بایستی بر اساس نوع عکس و آنچه مورد نظرتان است برای تعیین اندازه روزنه دیافراگم تصمیم بگیرید. در بسیاری از مواقع، برای اینکه به یک عمق میدان مناسب دست یابید، لازم است از مقدار مختصری کاهش وضوح ناشی از پراش نوری چشم پوشی کنید. از طرفی دیگر، اگر فقط می خواهید که بر بخش کوچکی از سوژه خود تمرکز کنید، ممکن است تصمیم بگیرید که برای بدست آوردن حداکثر وضوح از دیافراگم های بازتر استفاده کنید و کم شدن عمق میدان را نیز درنظر داشته باشید.
برای مطالعه بیشتر در خصوص نحوه کنترل عمق میدان می توانید به مقاله "عمق میدان و عوامل موثر بر آن " در همین وب‌سایت مراجعه نمایید.
شارپ ترین اندازه روزنه دیافراگم
با توجه به پدیده پراش نوری، ممکن است این تصور ایجاد شود که هر چه روزنه دیافراگم بازتر باشد، وضوح تصویر و شارپی آن نیز بیشتر است. ولی این چنین نیست.
وقتی روزنه دیافراگم یک لنز کاملا باز است، به علت ماهیت فیزیکی لنز، پرتوهای نوری زیادی که از لبه های حاشیه لنز عبور می کنند نسبت به پرتوهایی که از نواحی مرکز آن عبور می نمایند از تمرکز پایین تری برخوردارند و موجب کمی پراکندگی در سطح لنز و در نتیجه کاهش وضوح در تصویر می شوند که به این پدیده، کج نمایی کروی (Spherical Aberration) گفته می شود.
با کوچک کردن روزنه دیافراگم، پرتوهای نوری که از لبه های لنز عبور می کنند، مسدود شده و باعث می شود تا شارپی تصویر افزایش یابد. به همین علت عموما بهترین وضوح لنزها با یک یا چند درجه بستن روزنه دیافراگم و استفاده از ناحیه وسط لنز بدست می آید.
نمودار مقایسه کیفیت تصویر در اندازه های مختلف روزنه دیافراگم بر اساس پدیده پراش نوری و کج نمایی کروی (منبع: کتاب Mastering Digital Photography )
به عبارتی همانطور که بستن زیاد روزنه دیافراگم از طریق پدیده پراش نوری موجب کاهش وضوح تصویر می شود، باز کردن حداکثر دیافراگم نیز از وضوح تصویر خواهد کاست. بنابراین در عموم لنزها، با استفاه از اندازه های وسط روزنه دیافراگم می توان بیشترین وضوح و شارپی را داشت. اندازه هایی از روزنه دیافراگم که لنز در آن بیشترین وضوح خود را نشان می دهد و معمولا حدود 2 تا 3 استاپ کمتر از حداکثر اندازه روزنه دیافراگم است، تحت عنوان نقطه مطلوب لنز (Lens Sweet Spot) نامیده می شود. اندازه روزنه دیافراگمی که نشان دهنده این نقطه در لنزهای مختلف باشد، یکسان نیست و در هر لنز می تواند کمی متفاوت باشد.
مقایسه وضوح و شارپی جزئیات سه تصویر که با اندازه های مختلف روزنه دیافراگم ثبت شده اند.
سایر نکات قابل توجه
ـ شکل دیسک ایری از شکل روزنه دیافراگم تبعیت می کند. با توجه به اینکه دیافراگم از تیغه های متعدد (حدود 5 تا 8 تیغه) تشکیل شده است؛ عموما شکل روزنه دیافراگم به صورت چندضلعی می باشد، بنابراین دیسک ایری نیز اساسا چندضلعی است و به شکل دایره نمی باشد. البته این موضوع تاثیر محسوسی بر رفتار دیسک نوری بر روی فوتوسایت ها نخواهد داشت.
ـ تاثیر پراش نوری در عکس هایی که با لنزهای با فاصله کانونی کوتاه تر گرفته می شوند، معمولا بارزتر است.
ـ برای ایجاد بالاترین وضوح تصویر، غیر از مقوله پراش نوری معمولا عوامل دیگری همچون دقت در فوکوس، جلوگیری از تاری حرکتی و کیفیت لنز مورد استفاده، از اهمیت بیشتری برخوردارند. پراش نوری وقتی بیشتر مورد توجه است که شرایط گرفتن یک عکس بسیار شارپ محیاست، یعنی یک لنز با کیفیت، سه پایه مناسب، قفل آیینه و شرایط نوری خوب وجود دارد و شما نیز قصد دارید حداکثر جزئیات را ثبت کنید.
برای ایجاد بیشترین وضوح تصویر، عوامل مختلفی در هنگام عکاسی دخالت دارند.
ـ در شرایطی مثل دستیابی به نوردهی های طولانی مدت مثلا برای ایجاد تاری حرکتی (Motion Blur) در جریان آب یک رودخانه، ممکن است به اندازه های کوچک روزنه دیافراگم نیاز باشد. در این شرایط پراش نوری چیزی است که باید از آن آگاهی داشته باشید و در مواقعی برای رسیدن به نتایج مورد نظر خود، ایجاد آن را در تصویر خود بپذیرید.
ـ در مواردی که قصد دارید از جزئیات یک سوژه عکس بگیرید و از طرفی به عمق میدان کافی هم نیازمندید، برای دوری از پراش نوری می توانید از نقطه مطلوب لنز خود استفاده کنید و اگر به عمق میدان بیشتری نیاز داشتید، از تکنیک انباشت فوکوس (Focus Stacking) بهره ببرید.
برای مطالعه بیشتر در خصوص این تکنیک می توانید به مقاله "تکنیک انباشت فوکوس" در همین وب‌سایت مراجعه نمایید.
ـ همچنین در مواردی می توان کاهش وضوح ایجاد شده در اثر پراش نوری را با کمک نرم افزارهای ویرایش تصویر، تا حدودی با افزایش شارپی جبران نمود.
ـ پراش نوری ناشی از یک پدیده فیزیکی است و امکان جلوگیری از ایجاد آن ممکن نیست. ولی با در نظر گرفتن شرایط صحنه و نحوه عکاسی مورد نظر خود، می توانید از اندازه های مناسب تری از روزنه دیافراگم استفاده کنید.
نمایی زمستانی از منطقه کوهستانی توچال، تهران
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
گردآوری و تالیف: امیر دولتیاری
تاریخ نگارش/آخرین ویرایش: 1399/9/12
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
مراجع:
1_ Gabor Holtzer (2020). What Is Lens Diffraction? Retrieve from https://expertphotography.com on Nov 12.
2_ Jimmy Chin (2020). Photography 101: What Is Lens Diffraction In Photography And How Do You Avoid It? Retrieve from www.masterclass.com on Nov 8.
3_ Kishore Sawh (2014). Lens Diffraction | Understand It To Find Your Lens’ Sweet Spot & Make Better Buys. Retrieve from www.slrlounge.com on Dec 17.
4_ Michael Freeman (2008). Mastering Digital Photography, 1th ed. ILEX, UK.
5_ Rajib Mukherjee (2020). What Is Lens Diffraction? Retrieve from www.picturecorrect.com on Nov 12.
6_ Sean McHugh (2020). Lens Diffraction and Photography. Retrieve from www.cambridgeincolour.com on Nov 12.
7_ Shawn C. Steiner (2014). Lens Diffraction: What It Is, and How to Avoid It. Retrieve from www.bhphotovideo.com on Dec 27.
8_ Spencer Cox (2020). What Is Lens Diffraction? Retrieve from http://photographylife.com on May 9.
مقالات مرتبط:
- اصول پایه نوردهی در عکاسی: بخش 2 - روزنه دیافراگم (Aperture)
- نحوه کارکرد حسگر ( سنسور ) در دوربین های عکاسی دیجیتال
- انواع لنزها و طبقه بندی آنها
- عمق میدان و عوامل موثر بر آن
- فاصله هایپرفوکال یا ابرکانونی (Hyperfocal Distance)
- کج نمایی رنگی (Chromatic Aberration)
- تکنیک انباشت فوکوس
- تغییر مکان فوکوس (Focus Shift)