Калькулятор дифракции камеры: диафрагма и размер пикселя

Чем сильнее закрыта диафрагма, тем шире световое пятно на сенсоре. Посмотрите, сколько пикселей занимает диск Эйри, сравните две диафрагмы и проверьте, как меняются расчёты при макросъёмке.

Настройте камеру

Закройте диафрагму и посмотрите, как точка света растёт на сенсоре.

f/

Формат сенсора

Типовые размеры. Точные данные своей камеры введите ниже.

мм
px
нм
Объектив и макросъёмка
мм
×

Для далёкого объекта m = 0. При масштабе 1:1 задайте m = 1. Поправка для симметричного объектива.

Видимый свет: 380–780 нм. Диафрагма: f/0,7–f/64. Ширина: 1–60 мм. Пиксели: 100–40 000, целое число.

Световое пятно на сенсоре

Идеальная круглая апертура

Диаметр диска Эйри

—мкм
—пикселя в диаметре
Диск Эйри на пиксельной сетке и профиль яркостиСетка сенсора, граница первого минимума и профиль яркости.
—Пунктир: первый минимумГолубая линия: профиль яркости*

*Профиль увеличен отдельно. Цвет пятна условный; пунктир ограничивает центральный диск.

—

Шаг пикселя
—
Диск = 2 пикселя при
f/—
Расстояние по Рэлею
—
Эффективная диафрагма
—
Диаметр апертуры
—
Диаметр / шаг пикселя
—

Критерий Рэлея описывает расстояние между двумя различимыми точками в плоскости изображения. Два пикселя служат ориентиром для сравнения с сенсором.

Сравнение двух диафрагм

Сравните два значения при одной длине волны, одном сенсоре и увеличении. Полосы показывают диаметр пятна в пикселях.

N
N
Диаметр диска Эйри для двух диафрагм Две полосы: длина полосы пропорциональна отношению диаметра диска к шагу пикселя для каждой диафрагмы.
Диафрагма A: диаметр d
—
Диафрагма A: d/p
—
Диафрагма B: диаметр d
—
Диафрагма B: d/p
—

—

Диапазон: f/0,7–f/64. Сравниваем только дифракцию; аберрации и глубина резкости здесь не учитываются.

Как получается результатФормулы, пример и ограничения

Для круглой апертуры диаметр центрального диска до первого тёмного кольца: d = 2,44 · λ · N_eff. Для симметричного объектива при макросъёмке N_eff ≈ N · (1 + m). Шаг пикселя: p = ширина сенсора / число пикселей.

Из условия d = 2p находим установленную диафрагму: N₂ = 2p / [2,44 · λ · (1 + m)]. Расстояние по Рэлею равно радиусу диска: r = d / 2. Это расстояние, а не частота в циклах/мм.

При 550 нм, f/8, сенсоре 24 мм и 6000 пикселей: p = 4 мкм, d = 10,736 мкм, d/p = 2,684, N₂ ≈ 5,961. Для m = 1 диаметр удваивается, а N₂ уменьшается вдвое.

Модель не учитывает аберрации, дефокусировку, фильтры, байеровский массив, обработку и размер просмотра. По одному отношению d/p нельзя выбрать самую резкую диафрагму реального объектива. Подробная методика и источники находятся ниже.

Что показывает калькулятор

Свет от одной точки после круглой диафрагмы образует яркий центральный диск и слабые кольца. Центральную область до первого тёмного кольца называют диском Эйри. Калькулятор находит её размер в плоскости сенсора и сравнивает с шагом пикселя. Чем больше число диафрагмы при той же длине волны, тем шире пятно.

Как задать параметры камеры

Начните с диафрагмы. Ползунок, числовое поле и кнопки f/2,8…f/22 меняют одно и то же значение. Для сенсора можно выбрать типовой пример или ввести ширину в миллиметрах и число пикселей по горизонтали. Указывайте горизонтальное разрешение, например 6000, а не общее число мегапикселей. Пресеты служат примерами: сенсоры APS-C у разных камер отличаются по размеру.

Значение 550 нм соответствует зелёному свету. При 450 нм диск меньше, при 650 нм больше. Обычная фотография содержит смесь длин волн; здесь считается одна выбранная длина волны. На схеме цвет пятна условный. Сетка показывает пиксели сенсора, пунктир отмечает границу центрального диска. При большом пятне клетка объединяет несколько пикселей; подпись сообщает масштаб. Профиль яркости снизу увеличен отдельно и не привязан к масштабу верхней сетки.

В блоке «Объектив и макросъёмка» задаются фокусное расстояние и увеличение. Для далёкого объекта оставьте m = 0; для масштаба 1:1 задайте m = 1. При одинаковом числе диафрагмы смена фокусного расстояния меняет диаметр апертуры, но не размер диска в плоскости изображения. Увеличение влияет на эффективную диафрагму.

Формулы и единицы

Диаметр апертуры D = f / N, где f и D выражены в миллиметрах. Для симметричного объектива приближённо N_eff = N · (1 + m). При m = 0 эффективное и установленное числа диафрагмы совпадают. Радиус первого минимума r = 1,22 · λ · N_eff, диаметр d = 2,44 · λ · N_eff. Перед расчётом λ переводится из нанометров в миллиметры делением на 1 000 000. Результат в микрометрах в 1000 раз больше результата в миллиметрах.

Шаг пикселя p = ширина сенсора / число пикселей по горизонтали. Отношение d/p показывает, сколько пикселей занимает центральный диск в диаметре. Условию d = 2p соответствует установленная диафрагма N₂ = 2p / [2,44 · λ · (1 + m)]. Это геометрический ориентир для сравнения с сенсором. Он не задаёт универсальную границу заметности дифракции.

Критерий Рэлея относится к двум одинаковым некогерентным точечным источникам: максимум одного пятна совпадает с первым минимумом другого. Расстояние между центрами в плоскости изображения равно радиусу диска r. Поэтому калькулятор показывает его в микрометрах. Перевод обратного радиуса в «циклы/мм» смешивает критерий различимости точек с пространственной частотой и здесь не используется.

Контрольный пример

При λ = 550 нм, f/8, фокусном расстоянии 50 мм, сенсоре шириной 24 мм, 6000 пикселей и m = 0 получаются D = 6,25 мм и p = 4 мкм. Радиус r = 5,368 мкм, диаметр d = 10,736 мкм. Пятно занимает 2,684 пикселя, а условие двух пикселей выполняется при N₂ ≈ 5,961. Критерий Рэлея даёт расстояние 5,368 мкм.

Сравните f/4 и f/16: диаметры составят 5,368 и 21,472 мкм, то есть 1,342 и 5,368 пикселя. При масштабе 1:1 (m = 1) эффективное число для f/8 вырастет до 16, диаметр до 21,472 мкм, а установленная N₂ уменьшится до 2,981.

Границы расчёта

Принимаются длины волн 380–780 нм, диафрагмы f/0,7–f/64, фокусные расстояния 1–2000 мм, ширина сенсора 1–60 мм, от 100 до 40 000 целых пикселей по горизонтали и увеличение 0–10×. Пустое поле или значение вне диапазона останавливает расчёт и очищает схему. Кнопка «Сбросить» возвращает контрольный пример.

Модель описывает дифракцию в параксиальном приближении на идеальной равномерно освещённой круглой апертуре. Она не учитывает аберрации объектива, дефокусировку, форму лепестков, фильтры, байеровский массив, обработку и условия просмотра снимка. Макропоправка предполагает единичное увеличение зрачков; для асимметричных и сложных объективов эффективная диафрагма может отличаться. Самая резкая диафрагма реального объектива зависит и от этих факторов, и от требуемой глубины резкости.

Источники

Формула диска Эйри и влияние длины волны: Edmund Optics: Wavelength Effects on Performance. Определение критерия Рэлея: Evident: Resolution Criteria and Performance Issues. Рабочее число диафрагмы и увеличение: Edmund Optics: System Throughput, f/# and Numerical Aperture.