Περίθλαση: Ένα οπτικό σφάλµα στο προσκήνιο λόγω …πολλών Megapixel

Στη θεωρητική Φυσική, υποθέτουµε ότι όλοι οι φακοί είναι τέλειοι και καταγράφουν οποιοδήποτε αντικείµενο πιστά. Ωστόσο, αυτή η ιδανική κατάσταση απέχει από την πραγµατικότητα, όπου όλοι οι φακοί παρουσιάζουν xρωµατικά και γεωµετρικά σφάλµατα και παραµορφώσεις – ειδικά οι απλοί, φθηνοί φακοί.

Γράφει ο Γιώργος Κλαδούχας

Τρεις είναι οι κύριες αιτίες γι’ αυτό:
(1) Ο δείκτης ανάκλασης του γυαλιού µεταβάλλεται µε το µήκος κύµατος του φωτός.
(2) Η κατεργασία λείανσης (polishing) των επιφανειών των φακών µπορεί να γίνει σωστά, µόνον εάν οι επιφάνειες αυτές είναι σφαιρικές. Όµως, στους φακούς δεν χρησιµοποιούνται απόλυτα σφαιρικές επιφάνειες, επειδή αυτές δεν εστιάζουν τις ακτίνες φωτός.
(3) Το φώς συµπεριφέρεται σαν να αποτελείται από κύµατα (κυµατική συµπεριφορά).
Στα σφάλµατα των φακών οφείλεται η ορισµένου βαθµού απόκλιση του ειδώλου από το ιδανικό. Οι αποκλίσεις λόγω του σφάλµατος (1) ονοµάζονται χρωµατικές εκτροπές, αυτές λόγω του σφάλµατος (2) σφαιρικές εκτροπές, και οι τελευταίες λόγω του σφάλµατος (3) ονοµάζονται εκτροπές περίθλασης (diffraction).
Όµως, ο βαθµός διόρθωσης όλων αυτών των εκτροπών καθορίζει την αναλυτική ικανότητα ενός φακού (ικανότητα του φακού να αναλύει λεπτοµέρειες). Η περίθλαση λοιπόν, αποκτά βαρύνουσα σηµασία.

Περίθλαση (diffraction)
Στην κλασσική Φυσική, το φαινόµενο της περίθλασης περιγράφεται ως η διάχυση («άπλωµα») των κυµάτων φωτός όταν διέρχονται από µικρά ανοίγµατα (µικρές οπές). Στη φωτογραφία, ένα τέτοιο µικρό άνοιγµα είναι και η οπή του διαφράγµατος στο κέντρο του φακού. Εξ αιτίας αυτού του φαινοµένου απόκλισης του φωτός από την ευθύγραµµη πορεία του, το είδωλο µιας σηµειακής πηγής φωτός, που σχηµατίζεται στον αισθητήρα ακόµη και από έναν θεωρητικά τέλειο φακό, δεν είναι ένα σηµείο, αλλά ένα κυκλικό «µοτίβο» (pattern) φωτός, πεπερασµένης διαµέτρου.
Η δισδιάστατη µορφή αυτού του µοτίβου (pattern) περίθλασης φαίνεται στο σχήµα αριστερά. Ονοµάζεται Airy disc, προς τιµή του Βρετανού αστρονόµου και µαθηµατικού του 19ου αιώνα, George Airy, που τεκµηρίωσε την ύπαρξή τους.

Κλείνοντας διάφραγµα
Σε “ανοικτά” δηλ. πολύ φωτεινά διαφράγµατα (π.χ. f/2), οι συνέπειες της περίθλασης εξασθενούν. Όµως σε αυτά τα διαφράγµατα παρατηρούνται οι πιο σοβαρές χρωµατικές και σφαιρικές εκτροπές. Έτσι, οι περισσότεροι -εξαιρούνται οι πολύ καλά σχεδιασµένοι, ακριβοί – φακοί, παρουσιάζουν µικρότερη οξύτητα στα µεγαλύτερα (πιο φωτεινά) διαφράγµατα.
Αντίθετα, εάν «κλείσουµε» σταδιακά διάφραγµα, οι περισσότερες εκτροπές µειώνονται, αλλά οι συνέπειες της περίθλασης γίνονται πιο σοβαρές.
Ο λόγος είναι ότι τα πτερύγια του µηχανισµού ίριδας διαφράγµατος στο φακό, σχηµατίζουν µία µικρή οπή, και λόγω του φαινοµένου της  περίθλασης, οι διερχόµενες ακτίνες φωτός διαχέονται µειώνοντας την οξύτητα της φωτογραφίας.
Στα κλειστά διαφράγµατα (π.χ. f/11, f/16), η ποσότητα του εισερχοµένου φωτός είναι µικρή, µε αποτέλεσµα το διαχεόµενο γύρω από τις λεπίδες του διαφράγµατος φώς, να αποτελεί πλέον σηµαντική αναλογία του συνολικού προσπίπτοντος φωτός, επηρεάζοντας την ευκρίνεια της φωτογραφίας. Αυτή η αντίθεση, µεταξύ της περίθλασης που αυξάνεται, και των άλλων εκτροπών που µειώνονται, µας αναγκάζει να καταλήξουµε σε ένα “µεσαίο” διάφραγµα δηλ. σε ένα συµβιβασµό, όπου εξισορροπούνται οι συνέπειες όλων των εκτροπών.  Αυτό το “συµβιβαστικό” διάφραγµα, συνήθως είναι 3 f/stop (διαφράγµατα) κάτω από το µέγιστο (κάπου στο f/5,6 ή στο f/8). Συνεπώς, το άσκοπο “κλείσιµο” του διαφράγµατος πέραν αυτών των µεσαίων τιµών, είναι συνετό να αποφεύγεται, αφού (λόγω περίθλασης) περιορίζεται η αναλυτική ικανότητα του φακού. Φαίνεται λοιπόν, ότι µέγιστη οξύτητα και µέγιστο βάθος πεδίου, είναι δύο παράµετροι που δεν µπορούν να συνυπάρξουν χωρίς αλληλεπιδράσεις.

Περιορισµοί στην ανάλυση
Το πλάτος του Airy disc χρησιµοποιείται για να ορίσει την µέγιστη θεωρητική ανάλυση ενός οπτικού συστήµατος (π.χ. φακού). Όταν η διάµετρος της κεντρικής κηλίδας του Airy disc γίνει µεγάλη, σε σύγκριση µε το µέγεθος των pixel του αισθητήρα, τότε αρχίζει να έχει ορατές επιπτώσεις στην τελική φωτογραφία.

Δηλαδή, σε compact µε αισθητήρα µεγέθους 1/1.8” και 10Megapixel, “κλείνοντας” το διάφραγµα περισσότερο από f/5,6 πίσω από το φακό θα απεικονίζονται “σηµεία” µε επιφάνεια µεγαλύτερη του ενός pixel. Έτσι, η περίθλαση θέτει ένα βασικό περιορισµό στην ανάλυση του αισθητήρα, η οποία εξαρτάται πλέον ευθέως, από το χρησιµοποιούµενο διάφραγµα (f/No).
Στο σηµείο αυτό, ας θυµηθούµε ότι τα pixel των DSLR και DSC µηχανών είναι πολύ µεγαλύτερα σε µέγεθος από αυτά των compact, αφού οι τελευταίες χρησιµοποιούν πολύ µικρότερους αισθητήρες.  Έτσι, στις περισσότερες µηχανές – συστήµατα, η περίθλαση αρχίζει να κάνει την εµφάνισή της περίπου στο f/11. Αντίθετα, στις compact µε τη µεγάλη ονοµαστική ανάλυση, της τάξης των 14-18Megapixel, τα αποτελέσµατα της περίθλασης γίνονται ορατά από πολύ χαµηλότερα διαφράγµατα εργασίας.

Βεβαίως, όσον αφορά το βάθος πεδίου, θυµίζουµε ότι στις compact µηχανές είναι πολύ µεγαλύτερο, λόγω και πάλι του µικρού σε µέγεθος αισθητήρα. Γι’ αυτό, σε µια compact δεν χρειάζεται να κλείσουµε το διάφραγµα στο f/11 για να έχουµε µεγάλο βάθος πεδίου.

Συµπερασµατικά
Ακόµη και όταν χρησιµοποιούµε διαφράγµατα κοντά στο όριο της περίθλασης, άλλες παράµετροι όπως η ακρίβεια εστίασης, το κούνηµα της µηχανής και οι ατέλειες των φακών πιθανότατα θα έχουν τις επιπτώσεις τους, στην τελική ποιότητα της φωτογραφίας.
Εκ πείρας γνωρίζουµε ότι κατά κανόνα, οι φακοί παρουσιάζουν µικρότερη οξύτητα στα πιο φωτεινά διαφράγµατα. Ωστόσο, όταν «κλείνουµε» διάφραγµα, είτε για να αποφύγουµε αυτά τα σφάλµατα, είτε για να αυξήσουµε το βάθος πεδίου, πρέπει να θυµόµαστε ότι η περίθλαση αρχίζει προοδευτικά να κάνει την εµφάνισή της, περιορίζοντας  την αναλυτική ικανότητα του φακού. Συνεπώς, το άσκοπο «κλείσιµο» του διαφράγµατος πέραν των µεσαίων τιµών (π.χ. f5,6), είναι συνετό να αποφεύγεται. Μέγιστη οξύτητα και µέγιστο βάθος πεδίου, είναι δύο απαιτήσεις που δεν µπορούν να συνυπάρξουν.