Difracción y los megapíxeles de tu sensor

[Manolo]

Quiero empezar en fotolibre ayudando, y no pidiendo ayuda El tema es todo es trasunto que oímos acerca de que con relaciones focales altas tenemos problemas con la nitidez. Como soy físico, esto me lo sé y quiero aclararlo; y además os paso una formulita que espero que os ayude. Si este no es el foro adecuado, ruego a algún admin. que lo mueva.

Como sabéis, con aperturas pequeñas se produce un fenómeno llamado difracción, por el cual una fuente puntual de luz se "desparrama" en el plano de la imagen en un disco, de tamaño tanto mayor cuanto menor es la apertura. Por tanto, puede producir pérdida de nitidez en tu imagen.

Si el tamaño del disco (llamado disco de Airy) es menor a un solo píxel en nuestro sensor, entonces no estamos perdiendo nitidez por este fenómeno. Por el contrario, si es mayor, entonces da igual los chopocientos megapíxeles del sensor; seguramente otro sensor menos potente nos daría el mismo resultado en cuanto a resolución lateral.

La fórmula que nos dice cuál es la relación focal máxima que podemos aplicar sin perder nitidez es la siguiente:

f = 53/(c*sqrt(M*r))

Donde:

• f, es la máxima relación focal que podemos usar para aprovechar toda la resolución del sensor
• c, es el factor de recorte del sensor (crop factor) en relación a la película de 35 mm. Vale 1 para full sensor, 1,5 para los sensores tipo APS (mi Nikon D40X, por ejemplo), 2 para los micro-4/3, etc
• M, son los megapíxeles del sensor
• r, es la razón de aspecto: 3/2 (1,5) para las DSLR, 4/3 (1,33) para la mayoría de las compactas

Veamos algunos ejemplos:

• Nikon D40X: M=10, c=1,5, r=3/2 -> f = 9. Esto es, por encima de f/9 estoy haciendo el canelo, si es que quiero tomar una foto de la más alta resolución que sea capaz mi sensor.
• Lo mismo, pero ahora sé que el resultado lo voy a escalar para ver en pantalla (1680x1120) M = 1,9 -> f = 21. Por tanto soy libre de cerrar el diafragma hasta casi f/22, que la difracción no va a molestar
• La flamante nueva Leica M9: M=18,5, c = 1, r = 3/2 ->  f = 10. Es decir, que no puedo pretender exprimir a tope sus mareantes 18 MP, si hago tomas por encima de f/10

¿Qué os sale a vosotros con vuestros equipos?

[tat]

Esto si que es presentarse Manolo y lo demás tonterías.

Me despista un poco esto que describes. Siempre había creído que la difracción dependía exclusivamente del tamaño del diafragma y que daba igual el tamaño del sensor y el número de píxeles.
En cualquier caso este tipo de cálculos pueden llevar a valoraciones erróneas pues al limitar el número f limitamos la profundidad de campo, que a veces produce una sensación relativa de nitidez mayor que el que pueda producir una menor difracción en la imagen final. No se si me explico.

Un saludo

[Manolo]

Esto si que es presentarse Manolo y lo demás tonterías.

Es que me daba mucho palo veros repartir acertadísimos consejos en los foros y no poder aportar yo ninguno

Me despista un poco esto que describes. Siempre había creído que la difracción dependía exclusivamente del tamaño del diafragma y que daba igual el tamaño del sensor y el número de píxeles.

Tienes toda la razón, pero no es incongruente con lo que he explicado.

A ver. El tamaño del disco de Airy depende exclusivamente del tamaño del diafragma, tal y como has dicho. La fórmula es:

r = 1,22λf

donde "r" es el radio del disco, "f" la relación focal y "λ" la longitud de onda de la luz empleada (en mis cálculos he usado la longitud de onda del centro del espectro visible, λ = 0,56 micras).

Pero este tamaño no nos dice nada, si no lo comparamos con el tamaño del pixel en nuestro sensor. ¡Y ahí sí entran el resto de parámetros!

En resumidas cuentas, cuanto mayor es el tamaño del píxel, más apertura de diafragma podemos usar. Por tanto, si queremos muchos MP, que estén distribuidos en sensores grandes, para que cada píxel ocupe el tamaño que le corresponde.

Imagina el tamaño de píxel en los sensores de 8 MP de los teléfonos móviles...

En cualquier caso este tipo de cálculos pueden llevar a valoraciones erróneas pues al limitar el número f limitamos la profundidad de campo, que a veces produce una sensación relativa de nitidez mayor que el que pueda producir una menor difracción en la imagen final. No se si me explico.

Te explicas perfectamente.

Es un asunto de compromiso, como tantas cosas en fotografía. Una vez que conoces la "f" limitante para tu sensor y la resolución que preveas obtener en ese momento, entonces te toca elegir: si cierras aún más el diafragma, se enfocan zonas más profundas delante y detrás del punto de enfoque, pero a cambio pierdes nitidez general. ¿Compensa? Quizá sí, si la pérdida de nitidez no es mucha y a cambio has conseguido tu objetivo de enfocar una zona más extensa.

[tat]

Perfectamente explicado, Manolo, gracias por aclararlo, ahora lo entiendo mejor. Entonces lo importante es la densidad de pixels sobre el sensor ¿no?

Un saludo

[Medyr]

Genial.

A mi me da 8.55. Lo cal me viene genial, por que suelo intentar siempre sacarlas a 8 (a no ser que quiera desenfocar mucho el fondo).

Manolo, welcome. Te voy a freír a preguntas. Mi física esta un tanto oxidada de la carrera, pero todo es ponerse. Aparte, ya verás que soy aficionado a los numerajos.

[luispa]

Esta noche sueño con f  , madre mia, muchas gracias. Si lo he hecho bien, me sale esto:

• Canon 5D MkII: M=21, c=1, r=3/2 -> f = 9,44.
  

EDITADO:

no paro de pensar en ello y me he acordado de algo tras escribir. ¿Esto que comentas es lo que llaman el DLA (Diffraction Limited Aperture) de la cámara?. Lo mire hace tiempo y encontré este enlace, donde dice que mi cámara tiene uno teórico de 10,3.

¿es lo mismo?, y si lo es, ¿por qué sale otro valor? ¿existe una fórmula más exacta? (lo digo porque en mi caso son 21.144.402 bits y estoy usando 21 en la fórmula)

Luis

[luispa]

Lo mismo, pero ahora sé que el resultado lo voy a escalar para ver en pantalla (1680x1120) M = 1,9 -> f = 21. Por tanto soy libre de cerrar el diafragma hasta casi f/22, que la difracción no va a molestar

Esto te pido que lo desarrolles más, que no me convence tanto. Si muestras una foto en el monitor que fue tomada a 1680x1120, la posible difracción se notará igual. Si la has tomado a la resolucíón de la cámara (p.ej: 10M), el SW que lo visualize va a escalarla y ya se está cargando todo tipo de realidad.

Por otro lado, ese ejemplo que pones de resolución no me ha cuadrado. Me hice una tabla hace tiempo con los tamaños típicos, para redimensionar en el umbral correcto dependiendo del monitor donde lo vaya(n) a ver.

Código: [Seleccionar]

VGA 640 480 307.200
SVGA 800 600 480.000
XGA 1.024 768 786.432
WXGA 1.280 768 983.040
SXGA 1.280 1.024 1.310.720
WUXGA 1.920 1.200 2.304.000
WQXGA 2.560 1.600 4.096.000
WQUXGA 3.840 2.400 9.216.000

Luis

[Charly Morlock]

Ondia, esto parece interesante pero yo y los numeros no nos llevamos muy bien, me lo apunto y vere que saco en claro.
Muchas gracias por la aportacion

[JoRdi]

Buenas,

...yo y los numeros no nos llevamos muy bien...

Ya somos dos

Gracias por la información Manolo , en cuando tenga un momento miraré de calcularlo

Ta lu3go

[tomas.senabre]

Modificado para corregir los cálculos que los había hecho muy deprisa. Suben un poco las Olympus y baja sorprendentemente la G10

• Olympus E3: M= 10,5; c= 2; r= 4/3 -> f= 8
• Olympus E3E1: M= 5,2;  c= 2; r= 4/3 -> f= 11
• Canon G10: M= 14,7; c= 4,6; r= 4/3 -> f= 2,6
• Nikon Coolpix 4500: M= 4,; c= 4,8; r= 4/3 -> f= 5
• Canon A70: M=3,2; c= 6,5; r= 4/3 -> f= 4

Yo siempre estoy rozando la línea de compromiso que va de la nitidez a la profundidad de campo, está bien saberlo, así podré pasarme con conocimiento de causa.

Bienvenido Manolo

[invisible]

Tomaso... supongo que la segunda E-3 que pones de 5,2 Mpichis es la E-1... ¿no?

Añado que si huimos de cerrar el diafragma por temor a una pérdida de nitidez por efecto de la difracción, podemos encontrarnos con otros problemas (para mí más evidentes) propios de diafragmas muy abiertos, como puedan ser las aberraciones ópticas y cromáticas.

[Colegota]

Buenas,

aquí la pregunta tonta. ¿No debemos usar diafragmas por encima de esos o qué pasa si los usamos?

Saludos,
Colegota

[Manolo]

Perfectamente explicado, Manolo, gracias por aclararlo, ahora lo entiendo mejor. Entonces lo importante es la densidad de pixels sobre el sensor ¿no?

Cuanto menor densidad, mejor. Cuanto mayor número absoluto de píxeles, mejor. Por tanto, para que se den ambas circunstancias, el sensor tiene que ser cuanto mayor mejor.

Pero eso ya lo sabíamos de la fotografía analógica, ¿no? El hecho de pensarlo "en digital" no debería llevarnos a la conclusión contraria que ya sabíamos de la fotografía analógica.

[tat]

Cuanto menor densidad, mejor. Cuanto mayor número absoluto de píxeles, mejor. Por tanto, para que se den ambas circunstancias, el sensor tiene que ser cuanto mayor mejor.

A eso me refería, OK 

aquí la pregunta tonta. ¿No debemos usar diafragmas por encima de esos o qué pasa si los usamos?

Pasa que obtendrás una nitidez notablemente menor en la zona enfocada que con diafragmas más abiertos.

Un saludo

[Manolo]

no paro de pensar en ello y me he acordado de algo tras escribir. ¿Esto que comentas es lo que llaman el DLA (Diffraction Limited Aperture) de la cámara?. Lo mire hace tiempo y encontré este enlace, donde dice que mi cámara tiene uno teórico de 10,3.

¿es lo mismo?, y si lo es, ¿por qué sale otro valor? ¿existe una fórmula más exacta? (lo digo porque en mi caso son 21.144.402 bits y estoy usando 21 en la fórmula)

Sí creo que DLA es el mismo concepto. Y estás usando bien la fórmula.

¿Por qué sale ligeramente distinto en el calculador de Canon? Se me ocurren dos razones:

1) Puede que los megapíxeles anunciados sean superiores a los reales; es posible que la cámara haga una cierta extrapolación para llegar a la capacidad anunciada. En este caso, la cifra que hay que poner en "M" es la real, no la extrapolada, lo que daría un DLA mayor. Pero claro, la extrapolación es siempre mentirosa: el fotógrafo debería saber siempre cuál es la resolución real de su cámara si pretende hacer un trabajo que apure al máximo la capacidad del sensor.

2) En la fórmula yo he usado λ = 0,56 micras, que corresponde al centro del espejo visible. En pruridad, cada longitud de onda se difracta de distinta manera. Por tanto, deberíamos considerar las longitudes de onda a las cuales tienen el pico de sensibilidad los microsensores  de color del dispositivo. El azul (menor λ, ~0,45 micras) tiene más tolerancia porque su disco de Airy es más pequeño; el rojo  (mayor λ, ~0,65 micras) es más sensible al fenómeno de difracción porque su disco de Airy es mayor. Puede que Canon se haya puesto en el caso más favorable posible, es decir, cuando el azul empieza a sufrir el fenómeno de difracción.

En cualquier caso, ya ves que la fórmula no es exacta porque depende de ciertas consideraciones. Incluso se puede tomar otro criterio de resolución óptica (yo he tomado el llamado criterio de Rayleigh).

En cualquier caso, yo prefiero ser conservador a optimista y quedarme en el peor caso, o, por lo menos, no engañarme tomando los criterios más laxos para que salga un número grande. Si tengo que hacer un trabajo que exija todo lo que pueda dar mi sensor, yo prefiero empezar con el criterio más conservador, que después analizaré si puedo relajarlo o no.