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像素衍射临界光圈 (DLA)  

2012-02-21 13:25:59|  分类: 摄影 |  标签: |举报 |字号 订阅

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http://blog.sina.com.cn/s/blog_537633d70100clym.html


这两天连续看到关于DLA的问题,撞针简单讨论一下。对数理化发怵的兄弟姐妹直接看黑体字就行了。


所谓DLA,指Diffraction Limited Aperture,字面直译应该叫做“衍射极限光圈”,不过撞针觉得要做到严格界定,发扬汉语所长,应该称做“像素衍射临界光圈”。


简单的说,当镜头光圈小于某数码相机的“像素衍射临界光圈”时,该相机成像元件的像素点将受到衍射的影响,逐点的分辨率下降。


某网站给出的DLA:

EOS 50D——f/7.6

EOS 450D——f/8.4

EOS 1000D——f/9.3

EOS 400D——f/9.3

EOS 40D——f/9.3

EOS 30D——f/10.3

EOS 20D——f/10.3

EOS 5D Mark II——f/10.3

EOS 1DS Mark III——f/10.3

EOS 350D——f/10.4

EOS 1D Mark III——f/11.4

EOS 1DS Mark II——f/11.6

EOS 300D——f/11.8

EOS 10D——f/11.8

EOS 1D Mark II N——f/12.7

EOS 1D Mark II——f/12.7

EOS 5D——f/13.2

但该站站长比较吝啬,没解释,给机会撞针就好为人师一下咯。



这里涉及三个概念,衍射、衍射极限和Rayleigh判据。

 

像素衍射临界光圈 <wbr>(DLA)
光的衍射(Diffraction)指光在传播路径中,遇到障碍物或小孔(狭缝)时,偏离直线绕过障碍物继续传播的现象。


光经过圆形口径后成像,并不会汇聚成绝对的点,而是形成明暗相间,距离不等的同心圆光斑,其中中央斑最大,集中了84%的能量,可以看作衍射扩散的主要部分,被称为Airy Disc(爱里斑)。


衍射极限(Diffraction Limit)是指不考虑光学系统几何像差,一个完美光学系统的分辨率仅受衍射(光波波长)限制的情况。


Rayleigh判据:如果两个相邻点形成的Airy Disc的角距离小于一个Airy Disc角距离时,这两个点无法分辨。翻译成人话就是如果两成像点(其实是两个斑点)混到一块的时候,自然就分不清了。因此对于光圈为圆形或类圆形的镜头,其衍射极限分辨率就是Airy Disc的直径。

像素衍射临界光圈 <wbr>(DLA)

如果Airy Disc等于数码相机成像元件单个像素尺寸,成像元件的分辨率等于镜头衍射极限分辨率,相机能够充分利用镜头的衍射极限分辨率。如果Airy Disc大于数码相机成像元件单个像素尺寸,则衍射极限分辨率成为瓶颈,成像元件的分辨率无法发挥——用一个像素点分辨一个成像点和十个像素点分辨一个成像点有啥区别?

像素衍射临界光圈 <wbr>(DLA)

衍射极限公式是sinθ=1.22λ/D。其中θ是角分辨率,λ是波长,D是光圈直径。当θ很小时,sinθ约等于tagθ,约等于d/f,其中d是最小分辨尺寸,f是焦距。


推导出d/f=1.22λ/D, 推导出f/D=d/1.22λ。f/D就是焦距:光圈直径,这是啥?光圈f/值啊!


A=d/(1.22λ)。A是光圈f/值。当d等于成像元件像素点尺寸p时,A就是像素衍射临界光圈。


DLA=p/(1.22λ),也就是:


Diffraction Limited Aperture=pixel size/(1.22x light wavelength)


像素衍射临界光圈=像素尺寸/(1.22x光波波长)


所以,像素衍射临界光圈与像素大小(或者说像素数以及成像元件面积)有关。像素数越高也,像素衍射临界光圈越小;成像面积越大,像素衍射临界光圈越大;总之像素密度越大,越不适合用小光圈。


另外光的波长λ越小,像素衍射临界光圈越小(f/值越大)。自然光是混合光,可见光波长为380nm-780nm,咱以顺眼的蓝绿色波长(500nm)计算,结果与某网站基本一致。如果用更精确的sinθ以及像素尺寸数据,结果会略有差异。



最后想起了一篇专访,Canon表示,随着数码单反像素的增长,少数镜头已经不能满足新型号单反机身的要求。不妨看看50D,对红色波长来说,其像素衍射临界光圈已经只有f/5左右,而很多变焦镜头长焦端最大光圈只有f/5.6,成为影响50D发挥的因素之一。对于高像素小DC来说,设计小光圈也已经有困难。对1470万像素的小DC,撞针不敢多算。



最后,撞针一定要提醒:不是说小于衍射临界值的光圈就不可用!!!


像素衍射临界光圈确实影响成像,但也只是影响成像的诸多因素之一,对成像的影响也是随着光圈收缩逐级增加的,大量测试证明了这一点。重要的问题是,还需要兼顾景深的要求、兼顾快门的要求,需要小光圈的时候,就应该用小光圈。撞针的老话:成像只能拍第三!

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