Дифракция в фотографии: что это такое и как избавиться

Что такое дифракция

Когда-то я писал статью про то как фотографировать пейзаж, там я говорил что не нужно поднимать диафрагму выше значения f/11. Меня тут же засыпали вопросами: “Почему…?”, “А как же f/22?” и т.д.

Так вот, нельзя фотографировать с высоким диафрагменным числом по одной простой причине, эта причина – дифракция. В этой статье я наглядно расскажу и покажу что это за злобный зверь дифракция и почему нельзя полностью закрывать диафрагму.

Дифракция это физическое явление в оптических системах. Чтобы самому ощутить что такое дифракция попробуйте прищуриться, ваши глаза смотрят через узкую полоску и вы видите намного меньше деталей чем с открытыми глазами. То же самое происходит с линзой, вы закрываете диафрагму, к примеру до значения f/22, и как следствие – теряете резкость кадра.

Обратите внимание

Когда я объяснял это своим знакомым, они мне не верили, а когда я сказал им попробовать проверить – они обленились и сказали что их устраивает то качество которое они имеют с закрытой диафрагмой на значении f/22.

Окей, я сам сделал наглядный практический пример дифракции, чтобы показать что они теряют.

Я взял широкоугольную Tokina 12-24mm, так как на неё я чаще всего фотографирую пейзажи, сделал десяток фотографий с разным значением f/.

Красный квадрат это участок 100% кропа, я его вырезал с каждой фотографии с разными значениями диафрагмы. Вот собственно что получилось:

Существенная потеря резкости начинается со значения f/14, и постепенно увеличивается вплоть до значения f/22, на котором детали совсем пропали, все мыльное, как на мыльнице.

Самыми резкими получились f/5.

6 и f/7.1. А f/11 именно то предельное значение, при котором вы получаете все в фокусе и детали не теряются. Я частенько не дохожу до него и фотографирую пейзажи со значением f/7-f/9, на широком угле, даже при этих значениях, у вас почти всегда все будет в фокусе.

То же самое с другими линзами, к примеру на портретном фиксе 50mm f/1.4 самыми резкими получаются снимки отснятые со значением f/5. 6, для меня они даже чересчур резкие, поэтому я открываю диафрагму до значения f/3.2. На f/16 (предельном значении) у вас будут потери в резкости – дифракция.

Эффект дифракции примерно равен эффекту фотографирования через стекло. Наверняка вы уже пытались что-то сфотографировать в окно и видели как заметно теряется резкость.

Важно

Не балуйтесь с предельными значениями диафрагменного числа и да прибудет с вами диафрагма!

Если вам понравилась статья, и вы хотите поддержать проект “Про Фото”, это легко сделать. Любая помощь будет принята с благодарностью.

Константин

Источник: http://review.lospopadosos.com/chto-takoe-difrakciya

Дифракция объектива её влияние на фотографию

Явление дифракции можно наблюдать при попадании световых волн в район тени от объектива. При этом точки геометрической оптики превращаются в размытые дифракционные пятнышки. На фотоснимках теряется четкость изображения, снимки получаются некачественными. Явление напрямую связано с величиной диафрагмы.

Происходит дифракция при малых диафрагмах, когда их ребра препятствуют прохождению волн света по прямой линии. В результате этого световые лучи огибают ребра диафрагмы на своем пути.

Если даже просто прищуриться, глаза не увидят четко столько деталей, как в открытом состоянии, такое простое сравнение может наглядно дать представление о дифракции.

Явление дифракции приводит к снижению контрастности снимка, к ухудшению четкости изображения, поэтому для фотографа очень важно уметь подобрать необходимую величину диафрагмы для различных видов съемок. Снимок, на котором виден эффект дифракции, похож на тот, который снят через стекло.

Съемки пейзажных фотографий требуют определенного настроя фотоаппарата, обычно фотографы стараются увеличить при этом диафрагму. Но увеличение диафрагмы приводит и к большему проявлению дифракции. В итоге пейзажные снимки имеют по краям нечеткое изображение.

Профессионалы рекомендуют для пейзажей не поднимать диафрагму выше значения f/11.

Существенную потерю резкости можно наблюдать уже со значения f/14, более высокие показатели диафрагмы приведут к тому, что снимки на профессиональном фотоаппарате будут похожи на фотографии с «мыльницы».

Совет

Дифракция может проявляться не только при малых диафрагмах, на ее появление влияют и такие факторы, как фокусное расстояние, длина волн света, светосила объектива. Даже при точном расчете дифракционного предела оптической системы точность фокусировки, несовершенный объектив могут ограничить качество снимка.

Только дифракция создает размытое изображение в случаях использования штативов, высококачественного объектива. Явление дифракции может быть и допустимым, если требуется большая резкость в фокальной плоскости, а резкость на границах не столь существенна.

Другими словами, диафрагма небольшого значения может быть необходима для получения длинной выдержки, такой, которая используется при снятии движущейся предметов например воды.

Явление дифракции связано с качеством объектива. Каждый объектив для фотоаппарата имеет свое оптимальное значение величины диафрагмы. При этом значении качество снимков получается наиболее высокое. Такие характеристики объективов ограничиваются дифракцией, которая снижает эффективную разрешающую способность оптического элемента.

В итоге объективы с очень узкой диафрагмой больше поддаются эффекту дифракции. При выборе объектива следует уделять внимание его качеству, поскольку такой элемент фотооборудования также может иметь порой невидимые искажения, дефекты.

Чем объектив качественней, чем меньше он имеет собственных искажений, тем больше при открытой диафрагме он обеспечит высокую четкость снимка, его контрастность.

Но и большая диафрагма не всегда является самым лучшим решением. Оптимальный вариант для многих объективов, которые обладают достаточной мягкостью, это среднее положение диафрагмы, ее среднее значение. Хорошее качество снимков не всегда зависит и от количества пикселей.

При больших диафрагмах меньший размер пикселей позволит получить снимок с меньшим количеством дефектов. При выборе объектива лучше обращать внимание на модели с большим диаметром, так как данная характеристика увеличит широту применения его возможностей.

Избежать явления дифракции, при котором происходит снижение четкости снимка, и не видно всех мелких деталей, можно, если выставить правильно величину диафрагмы. Ее не следует максимально закрывать для того, чтобы достигнуть максимальную ГРИП. Кадр следует выстраивать так, чтобы объекты были размещены в самой зоне глубины резкости.

Можно также использовать гиперфокальное расстояние. Если требуется вести съемки с получением высокой резкости, можно использовать фильтр нейтральной плотности, который уменьшит световой поток. О сайте fotomtv.

Источник: http://FotoMtv.ru/stati/difrakciya_obektiva_e_vliyanie_na_fotografiyu/

Резкость, дифракция и диафрагма

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени.

Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец.

Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Обратите внимание

Большинство фотографов имеют представление о том, как диафрагма влияет на резкость и о глубине резкости. Но есть так называемый диафрагменный предел, значение которого зависит как от объектива, так и от модели камеры и причиной этого является дифракция.

При съемке пейзажа или архитектуры естественным стремлением будет получение максимальной глубины резкости. Это достигается путем уменьшение отверстия диафрагмы. Легко увлечься и слишком сильно зажать диафрагму, “на всякий случай”, пытаясь получить достаточную глубину поля.

При этом необходимо соблюдать разумный предел. Несмотря на то, что меньшие диафрагмы обеспечивают бо́льшую ГРИП, эффект дифракции при очень малых диафрагмах приводит к снижению общей резкости изображения.

Также неправильным будет и использование малых диафрагм для получения максимально резкого изображения, результат будет прямо противоположным. Зная пределы объектива, можно избежать этого явления, а также сопутствующих ему, таких как необходимость использования высоких ISO или длительной выдержки, необходимых для получения нормальной экспозиции при закрытой диафрагме.

Наука о дифракции света

Физики давно установили, что свет имеет корпускулярно-волновую природу. Таким образом, все свойства других видов волн, такие как звуковые колебания, волны в жидкостях и твердых телах могут быть применены к свету.

Принцип Гюйгенса-Френеля гласит, что каждую точку фронта волны можно рассматривать как источник вторичных волн, которые распространяются во все стороны со скоростью, равной скорости распространения волны.

Это означает, что свет, проходящий через диафрагму, создает новые световые волны. Крошечное отверстие диафрагмы объектива, точнее, острые края лепестков диафрагмы, создают дифракционный эффект (эффект огибания препятствия световыми волнами).

К примеру, возьмем непрозрачный объект, помещенный перед источником света. Он блокирует свет, создавая тень. Посмотрите внимательно на края этой тени.

Можно заметить, что даже если объект имеет острые края, края тени всегда слегка размыты

Обратите внимание на разницу в резкости спинки ножа и режущей кромки

Я использовал фотографию перочинного ножа, чтобы продемонстрировать эффект дифракции на краях. Фото было сделано в абсолютно темной комнате, единственным источником света была моя вспышка.

Я также немного отрегулировал контраст в Photoshop, чтобы лучше показать эффект.

Обратите внимание, что противоположная режущей кромке часть получилась очень резкой, а режущая кромка – несколько размытой, даже при таком источнике как вспышка, который можно считать точечным. Такой же эффект наблюдается и на краях лепестков диафрагмы.

Фронт световой волны, проходя через отверстие, соизмеримое с ее длиной, становится источником вторичных волн, которые взаимодействуют с основной по принципу интерференции, то есть сложения колебаний. Это создает чередование освещенных и затененных областей, а также проникновение света в затененные области. Подобные явления можно наблюдать со всеми типами волн.

Влияние дифракции на вашей камере можно имитировать, если скосить глаза. Когда вы косите глазами, мир становится расплывчатым.

Искажения световых волн при прохождении через отверстия различного диаметра.

Предположим, что у нас есть идеальный объектив с идеально круглым отверстием диафрагмы. Он называется объективом дифракционного предела, так как единственным ограничением на максимальное разрешение изображения является явление дифракции света, а не любые дефекты, смещение или разрешение сенсора.

Интерференционный узор, производимый круглой линзой при освещении пучком параллельных лучей, называется диском Эйри (в честь ученого Джорджа Эйри Биддела). При этом в центре находится так называемое дифракционное пятно, на которое приходится примерно 85% световой энергии, а окружают его светлые и темные кольца.

Диск Эйри при дифракции на круглом отверстии

Размер диска Эйри зависит только от диафрагмы и может быть приближенно рассчитан, исходя из диафрагменного числа, если его разделить на 1500. То есть, при диафрагме f/22 диаметр диска Эйри составит около 0,015 мм.

Если диаметр центрального пятна диска Эйри становится слишком большим по отношению к размеру пикселя, то изображение будет размытым. Это становится ограничивающим фактором в достижении резкого изображения. То есть, для каждой камеры есть свое значение диафрагмы, выше которого наступает ухудшение резкости изображения. Это значение носит название диафрагменного предела.

Практическое применение

Теперь, когда мы закончили со скучной теорией, давайте посмотрим, как практически применяется этот принцип. Тест на эффект дифракции очень простой.

Просто возьмите набор объектов, сохраняя при этом неизменное фокусное расстояние и экспозицию, и снимайте в режиме приоритета диафрагмы, изменяя ее значение.

Для получения достоверных результатов очень важно избежать любых изменений в изображении.

Важно

Примечание переводчика: для этого теста лучше использовать специальную шкалу – миру.

Для этого нужно использовать хороший штатив, дистанционный спуск затвора, блокировку зеркала, в общем, исключить все факторы, которые могут привести к малейшему дрожанию камеры.

Следующая серия изображений – это 100% кроп этикетки Crown Royal. Эти снимки были сделаны в помещении с камеры, стоящей на полу.

Отчетливо видно ухудшение резкости изображения от дифракции.

Из этого теста следует, что изображение начинает терять резкость примерно с диафрагмы f/11, сохраняя приемлемый вид до f/16. Начиная с f/22, происходит резкое ухудшение резкости, а диафрагма f/36 практически непригодна для использования.

Не забывайте также, что при использовании некоторых объективов широко открытая диафрагма также уменьшает резкость. Важно найти оптимальную величину диафрагмы для вашего объектива. Я предпочитаю использовать f/8 или f/11 в большинстве случаев.

Теперь понятно, что лучше всего не зажимать максимально диафрагму для достижения максимальной ГРИП, а строить кадр таким образом, чтобы все объекты находились в зоне глубины резкости, либо использовать гиперфокальное расстояние. Есть много способов и онлайн-калькуляторов для расчета глубины резкости.

Для этого снимка дистанция и фокусное расстояние не требуют небольшой диафрагмы для достижения большой глубины резкости.

Давайте на примере этого снимка дерева рассмотрим выбор диафрагмы для получения оптимальной ГРИП.

Совет

Фотография была сделана на неполнокадровую камеру с помощью объектива с фокусным расстоянием 18 мм, расстояние до дерева примерно 20 м.

Так как объект находится достаточно далеко и используется широкоугольный объектив, то даже умеренно закрытая диафрагма f/6.3 обеспечивает глубину резкости от 2,26 м до бесконечности.

Этого более чем достаточно, чтобы захватить в кадр все детали. На самом деле, с таким фокусным расстоянием даже диафрагма f/1 даст мне глубину резкости от 8,95 м до бесконечности, что опять же достаточно, чтобы дерево получилось резким.

В этой ситуации не было никакой необходимости использовать малую диафрагму, что позволило сделать снимок с меньшим ISO и более короткой выдержкой, что также вносит вклад в общую резкость картинки.

Это хорошо, когда вы знаете, что меньший диаметр диафрагмы обеспечивает большую глубину резкости, однако есть и другие факторы, оказывающие гораздо большее влияние.

Например, расстояние до объекта 25 м, а диафрагма f/8. Если используется объектив с фокусным расстоянием 100 мм, то глубина резкости будет от 17,9 до 41,6 м, общая протяженность ГРИП 23,7 м.

Однако, если вы будете использовать объектив с фокусным расстоянием 75 мм, диапазон ГРИП будет уже от 14,6 до 85,9 м, то есть 71,3 м. Это почти в три раза больше, чем при использовании объектива с фокусным расстоянием 100 мм.

Для сравнения, если мы закроем диафрагму до f/11 при фокусном расстоянии 100 мм, это даст нам глубину резкости от 16 до 57,3 м, в общей сложности 41, 3 м.

Для снимков, которые требуют более длительной выдержки, сначала лучше выбрать выдержку, которая даст вам соответствующий эффект, а затем подобрать диафрагму для нормальной экспозиции. Однако имейте ввиду, что лучше не использовать диафрагмы меньше f/8 или f/11 из-за эффекта дифракции.

Использование фильтра нейтральной плотности ND для уменьшения светового потока при съемках с длинной выдержкой даст гораздо лучший результат по резкости, чем использование для этой цели диафрагмы f/32.

Заключение

Я надеюсь, что эта статья принесет вам пользу. Знание о дифракции легко применить (хотя, в большинстве случаев этого не потребуется), но незнание может иметь плохие последствия для ваших фотографий.

Дифракционных эффектов легко избежать, если не зажимать диафрагму больше, чем до f/8.

Источник: https://photo-monster.ru/books/read/rezkost-difraktsiya-i-diafragma

Дифракция?!! Дифракция? А, дифракция… — Красноярский фотограф Артур Миханев

7 марта 2015 / 2534

Что такое дифракция в фотографии? Говоря упрощенно, это нежелательное явление, которое проявляется при чрезмерном закрытии диафрагмы. Все мы знаем, что когда диафрагма прикрыта (например, до f/11) то возрастает глубина резкости (ГРИП). В итоге, мы можем снимать пейзаж, уверенные, что все будет четко (ну, про гиперфокальное расстояние пока промолчим).

В итоге, молодые фотографы с энтузиазмом ужимают диафрагму вообще до предела — а у некоторых объективов он может достигать и f/45! Но, вглядываясь затем в снимки, они понимают, что где-то их обманули…

Действительно — у каждой фотокамеры есть порог закрытия диафрагмы, переходя который мы теряем в резкости. То есть, глубина резко изображаемого пространтства действительно увеличивается при закрытии диафрагмы. Но вот детализация предметов в зоне ГРИП оставляет желать лучшего — в том случае, если мы чрезмерно прикрыли диафрагму…

Это в теории (которая детально разрабатывается в блоге фотографа В. Медведева). А мы пока на практике проверим — насколько избыточное прикрытие диафрагмы влияет на потерю детализации?

Но, во-первых, запомним следующее — дифракция проявляет себя тем раньше, чем больше плотность пикселей на матрице. А это, увы, в первую очередь почувствуют на себе владельцы кропнутых камеры с большим количеством пикселей. Например, обладатели Canon EOS 7D.

Обратите внимание

На матрицу этой камеры производитель умудрился запихнуть 18 Мп! Для сравнения — у полнокадровой камеры Canon EOS 5D Mark II разрешение составляет 21 Мп.

Чувствуете разницу? Матрица Canon EOS 7D в полтора с лишним раза раза меньше матрицы своего полнокадрового собрата! А вот количество мегапикселей у нее уменьшилось отнюдь не в таких пропорциях…

В итоге, у Canon EOS 5D Mark II мы можем при необходимости смело ужимать диафрагму до значения f/11. А вот при работе с Canon EOS 7D желательно не идти дальше значения f/7.1 Но это, повторюсь, в теории. Давайте же сейчас проверим эти положения на практике.

Для теста мы берем полнокадровую фотокамеру Canon EOS 6D с объективом Tokina AT-X M100 AF PRO D. Мы будем фотографировать фрагмент купюры, поставив камеру на штатив и постепенно закрывая диафрагму. Функция “Блокировка зеркала” включена, автоспуск включен.

Фотографируемая купюра жестко прикреплена к предметному столу. Точка фокусировки — на центре колеса. Съемка в RAW с последующей конвертацией через  Digital Photo Professional 4.

Затем мы сравним полученные снимки и поймем, на каком значении нам действительно следует остановиться, чтобы не терять резкость.

Стартовое значение диафрагмы равняется f/11. Здесь мы гарантированно должны получить идеальную резкость. Так оно и оказалось — я сравнивал снимки, сделанные и на этом значении диафрагмы, и на более низком (например, f/9.0). В обоих случаях — идеальная резкость.

А вот затем я начал прикрывать диафрагму… И с удивлением обнаружил, что на значении f/13, f/14, f/16 и даже f/18 существенных изменений в резкости не произошло! Лишь на f/20 стало заметно НЕКОТОРОЕ падение резкости, которое последовательно увеличивалось на f/22, f/25, f29 и достигло максимального значения на f/32.

Увиденное стало для меня открытием.

До этого, снимая ювелирку или блюда для меню, я свято придерживался рекомендованной нормы — не ужимать на Canon EOS 6D диафрагму больше f/11! Но вот практические результаты доказали, что если обстоятельства вынуждают, можно смело перешагивать рекомендованный порог и не бояться существенного падения резкости.

А теперь, как и обещал, даю ссылку на блог Владимира Медведева. Смотрите рекомендованное значение максимальной диафрагмы для вашей камеры — и не бойтесь его переступать!

В разумных пределах, конечно…

Источник: http://mihanev.ru/blog/difrakcija-difrakcija-a-difrakcija.html

Дифракция и фотография

Дифракция (преломление) — это оптический эффект, который может ограничить детальность вашей фотографии — вне зависимости от того, как много мегапикселей у вашей камеры.

Обычно свет в однородной атмосфере распространяется по прямой, однако он начинает рассеиваться, будучи пропущен через маленькое отверстие (такое, как диафрагма объектива). Этим эффектом в норме можно пренебречь, но с уменьшением размера отверстия его сила нарастает.

Важно

Поскольку фотографы в погоне за повышением резкости закрывают диафрагму, чтобы добиться увеличения глубины резкости, при некоторой диафрагме сглаживающий эффект дифракции превосходит любое улучшение резкости за счёт увеличения её глубины.

Когда этот эффект начинает наблюдаться, говорят, что оптика камеры достигла дифракционного предела. Знание этого предела может помочь вам избежать сопутствующего сглаживания и избыточно длинных экспозиций или высоких чисел ISO, требуемых для получения малого отверстия диафрагмы.

Теория

Параллельные лучи света, проходя через малое отверстие, начинают рассеиваться и накладываться друг на друга. Этот эффект становится более заметным по мере уменьшения размера отверстия относительно длины волны проходящего света, но в некоторых количествах он присутствует для любого отверстия или сфокусированного источника света.

Открытая диафрагма

Закрытая диафрагма

Поскольку, расходясь, лучи преодолевают различные расстояния, часть из них оказывается в другой фазе, и в результате лучи начинают накладываться друг на друга — усиливаясь в одних областях и частично или полностью компенсируясь в других.

Эта интерференция порождает дифракционный рисунок с пиковыми интенсивностями света в областях, где волны суммируются, и тёмными участками там, где они гасятся.

Если измерить интенсивность света в каждой из областей, получатся штрихи следующего вида:

Для идеально круглого отверстия плоский дифракционный рисунок называется «диском Эйри», в честь его первооткрывателя Джорджа Эйри. Размер кружка рассеивания используется в качестве определения теоретического предела разрешающей способности оптической системы (определяется как диаметр первого тёмного круга).

Диск ЭйриОбъёмное представление

Пространственное положение

Когда диаметр центрального пика диска Эйри (кружка рассеивания) становится сравним с размером пикселя камеры (или предельно допустимого кружка нерезкости), он начинает оказывать визуальное влияние на изображение. Иначе, если два диска Эйри оказываются расположены ближе половины их размера, они более не являются различимыми (критерий Рэлея).

Едва различимы

Неразличимы

Таким образом дифракция задаёт фундаментальный предел разрешающей способности, который не зависит от числа мегапикселей или формата плёнки. Он зависит исключительно от f-ступени диафрагмы объектива и длины волны изображаемого света.

Можно рассматривать этот предел как наименьший теоретический «пиксель» детальности снимка.

Даже если два пика всё ещё могут быть различимы, закрытие диафрагмы может также значительно понизить мелкодетальный контраст в связи с частичным перекрытием вторичного и прочих колец вокруг кружка рассеивания (см. пример фото).

Визуальный пример: диафрагма и размер пикселя

Размер кружка рассеивания сам по себе полезен только в контексте глубины резкости и размера пикселя. Следующая интерактивная таблица показывает кружок рассеивания в матрице, которая отражает размер пикселя различных моделей камер (наведение курсора на название меняет матрицу).

ДиафрагмаТип камерыРазмер пикселя

f/2.0	Canon EOS 1D	136 мкм2
f/2.8	Canon EOS 1Ds	77.6 мкм2
f/4.0	Canon EOS 1DMkII / 5D	67. 1 мкм2
f/5.6	Nikon D70	61.1 мкм2
f/8.0	Canon EOS 10D	54.6 мкм2
f/11	Canon EOS 1DsMkII	52.0 мкм2
f/16	Canon EOS 20D / 350D	41.2 мкм2
f/22	Nikon D2X	30.9 мкм2
f/32	Canon PowerShot G6	5.46 мкм2

Вспомните, что сенсор цифровой камеры на базе матрицы Байера в каждом из пикселей получает только один из первичных цветов, а затем интерполирует эти цвета, чтобы получить итоговое полноцветное изображение.

В результате работы сглаживающего фильтра сенсора (и вышеописанного критерия Рэлея) диск Эйри может иметь диаметр порядка двух пикселей, прежде чем дифракция начнёт оказывать визуальное влияние (предполагая идеальный в остальном объектив и просмотр в масштабе 100%).

В качестве двух примеров, Canon EOS 20D начнёт показывать дифракцию примерно при f/11, тогда как Canon PowerShot G6 (компактная камера) начнёт проявлять её эффекты уже при f/4. 0-5.6. С другой стороны, Canon G6 не требует диафрагм настолько малых, как 20D, для получения аналогичной глубины резкости (для заданного угла обзора) в силу намного меньшего размера сенсора (подробнее об этом позже).

Совет

Поскольку размер диска Эйри зависит также от длины волны света, каждый из трёх первичных цветов достигнет своего дифракционного предела при разных отверстиях диафрагмы.

Вышеприведенный расчёт принимает за длину волны света середину видимого спектра (~510 нм).

Типичные цифровые зеркальные камеры способны зафиксировать свет с длинами волн от 450 до 680 нм, так что в лучшем случае диск Эйри будет иметь диаметр 80% от вышеприведенного размера (для чистого синего света).

Ещё одна сложность состоит в том, что матрица Байера отводит удвоенное число пикселей под зелёный цвет по сравнению с красным и синим. Это означает, что при достижении дифракционного предела в первую очередь произойдёт потеря разрешения в зелёном и в попиксельной яркости. Для потери разрешения в результате дифракции в синем потребуется минимальная диафрагма (максимальное число f-ступени).

Технические замечания:

• В действительности пиксели не занимают 100% площади сенсора цифровой камеры, между ними есть зазоры. Настоящий расчёт подразумевает, что микролинзы достаточно эффективны, так что эти зазоры можно игнорировать.
• Цифровые зеркальные камеры Nikon имеют пиксели прямоугольной формы, и следовательно, потеря разрешения в результате дифракции может быть более заметна в одном направлении. Этот эффект обычно визуально незаметен и сказывается толко при использовании высокоточных измерительных программ.
• Вышеприведенная таблица принимает за отверстие диафрагмы круг, хотя в действительности оно представляет из себя многоугольник, у которого 5-8 сторон (распространённое приближение).
• Наконец, расчёт площади пикселя подразумевает, что пиксели распространяются вплоть до границы каждого сенсора, и что все они вносят свой вклад в итоговое изображение. В действительности производители камер оставляют на границе каждого из сенсоров неиспользуемые пиксели. Поскольку не все производители предоставляют информацию о количестве используемых и неиспользуемых пикселей, в расчёт брались только используемые пиксели. Таким образом показанные выше размеры пикселей несколько больше настоящих (но не более, чем на 5% в худшем случае).

Вышеприведенные расчёты и диаграммы весьма полезны для получения представления о таком явлении, как дифракция, однако показать её визуальное влияние может показать только фотография из жизни.

Следующая серия снимков сделана с помощью Canon EOS 20D, на котором дифракционный предел начинает сказываться, начиная с f/11 (как показано выше).

Наведите курсор на каждую из f-ступеней и проследите изменения в текстуре ткани.

Без наложения дисков Эйри
Выберите диафрагму:	f/8.0	f/11	f/16	f/22	Частичное перекрытие дисков Эйри

Обратите внимание, как большинство линий ткани всё ещё различимы при f/11, но уже наблюдается снижение мелкодетального контраста или чёткости (в частности там, где полосы расположены очень близко).

Происходит это вследствие частичного перекрытия дисков Эйри, аналогично тому, как эффект проявляется на смежных полосах чёрного и белого (как показано справа).

При диафрагме f/22 практически все мелкие детали оказались размыты, поскольку кружок рассеивания превзошёл их по величине.

Расчёт дифракционного предела

Нижеприведенная форма осуществляет расчёт размера кружка рассеивания и оценивает подверженность системы дифракционному пределу. Необязательные поля обозначены и позволяют задать собственный кружок нерезкости (КН).

Данный калькулятор считает систему достигшей дифракционного предела, когда диаметр диска Эйри превышает диаметр кружка нерезкости. За подробным объяснением каждого из входных параметров обратитесь к усовершенствованному калькулятору ГРИП.

Возможность приравнять КН к удвоенному размеру пикселя даёт вам представление о том, когда дифракция становится заметна при просмотре цифрового изображения на экране компьютера в масштабе 100%.

Следует понимать, что «двойной пиксель» является абсолютным пределом, и в действительности существует плавный переход между незаметной и заметной дифракцией в масштабе 100%.

В действительности результаты будут также зависеть от используемого объектива, так что данный предел достижим только для наиболее резких объективов.

Замечания по применимости в практической фотографии

Даже когда ваша оптическая система достигла дифракционного предела или даже превысила его, другие факторы, такие как точность фокусировки, размытие движением (шевелёнка) и несовершенные объективы могут оказать намного большее влияние. Размытие вследствие дифракции становится ограничивающим фактором для общей резкости только при использовании стабильного штатива, поднятия зеркала и высококачественного объектива.

Зачастую небольшая дифракция допустима, если вы хотите пожертвовать избыточной резкостью в фокальной плоскости в обмен на несколько лучшую резкость на границах глубины резкости. Иначе, чрезвычайно малые диафрагмы могут потребоваться для получения длинной выдержки, где это необходимо, например чтобы создать размытие текущей воды движением, снимая водопад.

Было бы неверно приходить к выводу, что «чем шире диафрагма, тем лучше», просто потому что сильно закрытые диафрагмы вносят мягкость в изображение.

Большинство объективов не менее мягкие на предельно открытой диафрагме, так что оптимальная диафрагма всегда будет где-то между наибольшим и наименьшим значениями — обычно недалеко от дифракционного предела, в зависимости от объектива. Иначе говоря, оптимальная резкость для некоторых объективов может не достигать дифракционного предела.

Данные расчёты показывают только, когда дифракция становится значительной, но необязательно положение оптимальной резкости (хотя они часто совпадают).

Чем меньше пиксель, тем хуже? Необязательно.

Просто потому, что дифракционный предел был достигнут для большого пикселя, итоговый снимок не станет хуже из-за того, что пиксели были меньше, и предел был превышен; в каждом из случаев итоговое полученное разрешение будет одинаковым (хотя во втором случае размер файла будет больше). И даже несмотря на то, что разрешающая способность будет одинаковой, камера с меньшим размером пикселей отобразит фото с меньшим количеством дефектов (таких, как цветной муар и ступенчатость). Меньший размер пикселя даст к тому же возможность иметь лучшее разрешение при больших диафрагмах в ситуациях, когда глубину резкости можно сократить. Если учитывать прочие факторы, такие как визуальный шум и глубину резкости, ответ на вопрос, какой размер пикселя лучше, становится ещё более сложным.

Техническое примечание: поскольку физический размер диафрагмы объектива больше у телеобъективов (f/22 даёт большее отверстие при 200 мм, чем при 50 мм), почему размер диска Эйри не зависит от фокусного расстояния? Это происходит потому, что расстояние до фокальной плоскости с увеличением фокусного расстояния также увеличивается, так что диск Эйри на этом увеличенном расстоянии рассеивается сильнее. В результате два эффекта физического размера диафрагмы и фокусного расстояния взаимоисключаются. Следовательно, размер кружка рассеивания зависит только от f-ступени, которая описывает как фокусное расстояние, так и размер отверстия диафрагмы. Этот термин используется для универсального описания «числовой апертуры» (обратной удвоенной f-ступени). Существуют некоторые вариации от объектива к объективу, но они вызваны преимущественно различным дизайном и расстоянием между фокальной плоскостью и «входным отверстием» диафрагмы.

Источник: https://www.cambridgeincolour.com/ru/tutorials-ru/diffraction-photography.htm

Дифракция света и ее влияние на качество фотографии

Дифракция света известна с 19 века и связана с волновой природой электромагнитного излучения, к которому относится и свет.

Суть этого явления такова, что полностью избежать его влияния на качество фотографии невозможно, во всяком случае, на современном этапе развития физики, поэтому часто говорят о дифракционном пределе резкости снимка.

Но учесть специфику дифракционных эффектов и попытаться уменьшить их вредное воздействие вполне реально.

Дифракция света проявляется в том, что при встрече с любым препятствием, световая волна отклоняется от прямолинейного движения и начинает это препятствие огибать.

Обратите внимание

Это очень легко заметить, если понаблюдать за волнами на воде.

После успокаивающего созерцания водяных волн станет очевидным и другой немаловажный факт: чем меньше отверстие, через которое проходит волна, тем больше она рассеивается.

Применительно к фотографии это означает, что дифракция света сильнее всего портит изображение при сильно закрытых диафрагмах, то есть именно тогда, когда увеличивается глубина резкости. Возникает такой парадокс, что наше желание получить в кадре как можно больше резких деталей приводит к обратному результату – резкость наоборот падает.

Именно здесь и возникает задача найти оптимальный баланс между глубиной резкости и ухудшением качества изображения из-за дифракции света. Иными словами, надо определить ту диафрагму, которая обеспечит нужную глубину резкости и при этом сохранится общая резкость кадра, в противном случае, глубину то мы получим, но резкость пропадет. Эту задачу мы и будем сейчас решать.

Дифракция света и критерий Рэлея

Проходя через объектив, свет фокусируется на матрице и возникает изображение, которое затем преобразуется в фотографию. Если мы фотографируем точку, то в идеальном случае мы хотели бы получить и точку на матрице.

Тут-то все и портит дифракция света.

Как бы хорошо не были скомпенсированы оптические аберрации объектива, мы увидим не точку, а размытый кружок рассеяния с максимумом в центре и расположенными вокруг него интерференционными кольцами, возникающими из-за наложения световых волн.

Если фотографировать две рядом расположенные точки, то из-за дифракции на матрице получатся два кружка рассеяния, и при уменьшении расстоянии между точками, в какой-то момент кружки сольются, и мы вообще не сможем понять, сфотографировали мы две точки или одну. Это и есть дифракционный предел резкости, который определяется так называемым критерием Рэлея.

Согласно критерию Рэлея считается, что два дифракционных кружка рассеяния воспринимаются зрением как два в том случае, если между их максимумами расположен минимум с интенсивностью на 20% меньше. В противном случае они не разрешаются, т. е. глаз будет видеть их как один.

Дифракция света и диафрагма фотоаппарата

Таким образом, дифракция света приводит к тому, что изображение точки, которое строит объектив, становится размытым, даже если объектив не имеет аберраций и точно на нее сфокусирован.

Поскольку объектив и диафрагма имеют круглую форму, то точка приобретает вид нерезкого круга, который называется диском Эйри, в честь английского астронома, открывшего это явление.

Нас интересует размер диска Эйри, поскольку именно он будет ограничивать резкость фотографии.

Важно

Но как определить размер диска, который имеет размытые края? Для этого наиболее разумно исходить из того, чтобы две точки на матрице воспринимались именно как две, т. е. удовлетворяли критерию Рэлея. Рассчитанный по критерию Рэлея диаметр диска Эйри D можно определить по формуле

где λ – длина волны прошедшего через объектив света (обычно берется зеленый свет 500 нм (= 0,0005 мм)), K – диафрагменное число.

Обратите внимание на такую особенность. Выше мы говорили, что дифракция света сильнее проявляется при малых размерах отверстия, через которое проходит световая волна. В формуле же [1] присутствует только K – диафрагменное число, а не абсолютный размер диафрагмы.

В этом нет никакого противоречия, поскольку уменьшение размера диска Эйри при увеличении физического размера диафрагмы компенсируется пропорциональным его увеличением за счет фокусного расстояния, т. е.

зависит только от относительного отверстия объектива, обратная величина которого и есть диафрагменное число, или просто значение диафрагмы.

Полученный результат в виде формулы [1] уже можно использовать на практике, поскольку он точно показывает, как зависит размер кружка рассеяния от диафрагмы объектива. И теперь на первое место выходит матрица.

Дифракция света и размер пикселя

Именно характеристики матрицы, а конкретно размер пикселя, определяет ту предельную диафрагму, при которой дифракция света еще не оказывает влияния на резкость.

Если диаметр диска Эйри меньше размера пикселя, то разрешение системы объектив – матрица определяется матрицей (характеристики которой мы изменить не можем). А вот если больше, то диафрагмой (которую мы можем менять), что хорошо видно из соотношения [1].

Когда диаметр диска Эйри становится больше размера пикселя,  дальнейшее закрытие диафрагмы приводит только к ухудшению резкости изображения.

Рассмотрим пример. Как было показано в статье про резкость в фотографии, размер пикселя матрицы формата DX (кроп фактор 1,52, 12 МПикс) фотоаппарата Nikon составляет 0,0055 мм. Определим по формуле [1] предельную диафрагму, которая еще не ухудшает резкость снимка:

Совет

Таким образом, для такой матрицы использование диафрагм больше f/9 нецелесообразно, поскольку вместо улучшения качества за счет увеличения глубины резкости, мы получим размытие из-за дифракции. Можно легко рассчитать, что для небольших компактных камер с маленькими матрицами дифракционные эффекты начинают проявляться уже на диафрагмах 4 – 5,6.

Мы получили удивительный результат! Такое объективное физическое явление как дифракция света проявляет себя в фотографии в полной зависимости от искусственно спроектированной матрицы.

Говорит ли это о том, что мы можем победить дифракцию, создавая все более совершенные матрицы? Ни в коем случае. Как только размер пикселя станет равным диску Эйри на полностью открытой диафрагме идеального (т. е.

без аберраций) объектива, дальнейшее наращивание «мегапиксельности» матрицы станет теоретически бессмысленным.

Дифракция света и современный фотоаппарат

Чтобы проиллюстрировать сказанное, приведу снимки испытательной миры, сделанные фотоаппаратом Nikon с матрицей, характеристики которой мы рассматривали выше. Съемка производилась на диафрагмах f/9 (которую мы получили в примере),  f/16 и  f/25.

Хорошо видно, что диафрагма f/9 действительно дает наиболее резкое изображение. При f/16 резкость все еще удовлетворительная, хотя если посмотреть внимательнее, то на самых мелких штрихах заметно слабое размытие. А вот f/25 никуда не годится. Мелкие штрихи разрешаются уже на пределе, а общая контрастность снимка заметно падает.

Несмотря на результаты теста, во многих случаях имеет смысл пожертвовать общей резкостью снимка, но получить одинаково резкими и передний и задний планы, например, на той же диафрагме 22.

Исходя из практики, можно сказать, что для зеркальных камер предельные диафрагмы находятся в интервале 8 – 11, а для компактов 4 – 8 и этого вполне достаточно, чтобы достичь приемлемой глубины резкости без дифракционного ухудшения качества изображения.

Кроме того, большинство объективов в указанных интервалах диафрагм дают наилучшее качество изображения, поскольку влияние аберраций на таких диафрагмах уже незначительно, а дифракционное размытие еще пренебрежимо мало.

Мы рассмотрели идеальный случай с точки зрения теории, в предположении, что у объектива отсутствуют аберрации. На самом деле при съемке приходится учитывать множество самых разнообразных факторов.

Это и наличие штатива, и освещенность объекта и скорость его перемещения, и художественный замысел автора, и многое, многое другое.

Такое знание приобретается только с опытом, поэтому точно сказать, что при предельной диафрагме 9 нельзя использовать 22, будет неправильным, но что касается максимальной резкости, то здесь дифракция света влияет однозначно, и учитывать ее надо обязательно.

Источник: http://fotoapparat-expert.ru/difrakciya-sveta-i-ee-vliyanie-na-kachestvo-fotografii.html

Таблица дифракционного предела

к содержанию ↑

к содержанию ↑

Теория

У нас есть оптическая система, называемая объектив. В ней наличествует диафрагма, при прохождении которой в объективе возникает дифракция световых волн.

Зеленой линией помечено распределение интенсивности света.

Дифракционный предел был открыт 1873 году Эрнстом Аббе. Дифракционный предел — минимально возможный размер светового пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение (свет) заданной длины волны в среде с показателем преломления n:

В нашем случае мы получаем на матрице камеры так называемый диск Эйри.

диск Эйри, Airy disc

Размер диска и в частности его радиус, который нам понадобится для вычислений, принято мерить по первому световому кольцу, на которое приходится около 80% интенсивности света.

λ — длина волны света. Если у нас белый свет, то все длины волн будут создавать диски разного размера, ухудшая ситуацию (видимый свет от 400 nm синий до 700 nm красный). Сильнее страдает красный свет.
D — диаметр диафрагмы
F — фокусное расстояние

Это явление накладывает на нас два ограничения.

Обратите внимание

1. Каждая точка объекта съемки на матрице камеры создаёт такой рисунок. Если два диска Эйри будут расположены слишком близко друг к другу, то 2 точки будут восприниматься, как одна.

По формуле видно, что при увеличении значения диафрагмы, растёт радиус диска Эйри.
И происходит сливание дисков Эйри в один объект. Т.е. точка перестает быть точкой на изображении.

Это явление дифракции, которое и снижает разрешение объектива при достижении определенной диафрагмы. Оно называется DLA (Diffraction Limited Aperture).

Оно существует для каждого оптического прибора, но если результат мы проецируем на некий носитель (пленку или матрицу или глаз), то накладывается еще одно ограничение.

Критерий Релея: предел при котором два диска считаются еще разделимы визуально — радиус диска Эйри. Если расстояние между их центрами меньше радиуса, то разрешение объектива падает.

И в принципе это явление не имеет отношения к матрице камеры. Совсем не имеет, пока мы не начали разделять получившуюся картинку на цифровые пиксели.

И вот если мы начали оцифровывать сигнал с помощью пикселей, то получаем такие правила.

Если пиксель больше диска Эйри, то значит сенсор не способен использовать всё разрешение, которое предоставляет ему объектив и считается, что система ограничена разрешением.

Если пиксель меньше диска Эйри, то дополнительного разрешения мы не получаем, а вот система становится ограниченной явлением дифракции, которая возникает в объективе.

Размер диска Эйри существенно уменьшается при открытии диафрагмы, но там вступают в силу ХА ( хроматические аберрации), которые тоже существенно снижают разрешение объектива.
к содержанию ↑

Пример

Для примера возьмем камеру Canon 5D mark II.

При длине волны 555nm (жёлто-зеленый свет к которому глаз наиболее чувствителен и который лучше всего воспринимает камера) и диафрагме F11 диаметр диска Эйри составит 14. 8 микрон.
При этом размер пикселя у Canon 5D mark II составляет 36мм / 5616пикс * 1000 = 6.4 микрона

Но! Для того, чтобы различить хоть какие-то детали нам нужен не один пиксель, а, как минимум, два пикселя. Скажем, для того, чтобы увидеть черную полоску, нам нужна одна черная и одна белая. Один пиксель показывает черный цвет, другой белый — мы можем установить, что видим переход с черного на белый.

Это называется частотой Найквиста.

© Википедия

Замечу к цитате, что фильтр слишком высоких частот в фотокамерах это фильтр антиалиасинга. Без него мы получали бы муар на снимках с повторяющейся текстурой (например, ткань).

Важно

В идеале это (2px на одну линию) так, но в основном для ЧБ сенсора без АА (антиалиасинг) фильтра. Такой сенсор, например, у Leica M-Monochrom.
У цветного сенсора разрешение будет ниже.

Т.е. реальное разрешение сенсора Canon 5D mark II — 12.8 микрон (2 пикселя).

Диаметр диска Эйри на F8 — 10.7 микрон
Диаметр диска Эйри на F11 — 14.8 микрон

Значит, для того, чтобы система камера Canon 5D mark II + объектив была ограничена разрешением сенсора камеры, нужно снимать на диафрагме более открытой, нежели F11 (F8->F1.2).

Теоретически — F8,F11 оптимальные диафрагмы для камер Canon 5D mark II, при которых разрешение сенсора не ограничено дифракцией, а разрешение объектива не ограничено сенсором камеры.

Камера Canon 60D (сенсор APS-C), объектив Canon 100/2.8L

Сделать с этим ничего нельзя тк это закон природы Дифракция и зависит он только от диаметра дырки-диафрагмы и длины волны света. Можете попробовать снимать в ультрафиолете (шутка 🙂 )

Для чего я тут всё расписывал и вас утомлял теорией?

Сколько бы пикселей не было на матрице — разрешение будет падать, начиная с F (относительное отверстие) = DLA. Для обычного режима съемки относительное отверстие равно «значению диафрагмы камеры».

Для макросъемки это не так, смотрите данные к своему объективу (относительное отверстие объектива указывается для режима фокусировки на бесконечность). Например, для макрообъектива Nikon 105mm f/2.

8G IF-ED AF-S VR Micro-Nikkor показывается реальное относительное отверстие в режиме макросъемки — F4.8 вместо 2.8, заявленных на оправе объектива. Для Canon EF 100/2.8L IS USM реальное относительное отверстие на камере не показывается (остается якобы 2.

8), но реально оно составляет 5.6. При закрытии диафрагмы +1, +2, +3 ступени добавляйте к этому значению, которое дано для масштаба 1:1, чтобы не перейти грань (DLA) при которой начнётся сильная потеря детализации.

Совет

На данный момент нельзя добавлять мегапиксели без потери попиксельной резкости на закрытых диафрагмах, ухудшения соотношения сигнал/шум (SNR) и уменьшения динамического диапазона (ДД).
к содержанию ↑

DLA — Дифракционно ограниченная диафрагма (Difraction Limited Aperture)
Расчётная DLA — значение диафрагмы, получаемое по формуле
Фактическая DLA — значение диафрагмы, получаемое в результате тестов (в частности программой Reikan Focal)

Если вашей камеры нет в таблице — посчитайте её плотность пикселей, найдите ближайшее к нему значение другой камеры и посмотрите DLA.

Mpix (35mm) — сколько мегапикселей было бы на сенсоре с такой плотностью пикселей, если бы его увеличили до размера сенсора 35×24мм.

q, pix/mm — плотность пикселей на матрице

Res, lp/mm — разрешение матрицы при допущении, что она линия это одна черная и одна белая линия (идеальный случай). Вменяемого ответа как считать разрешение матрицы в lp/mm нет. Кто-то считает, что только из 3-х пикселей можно различить переход черный/белый.

Наименование камерыРазмер сенсора, мм, MpixРазрешение, пиксРазмер сенселя, мкм, pix/mmRes матрицы, lp/mmрасчётная DLAфактическая DLAMpix (35mm)

Canon 1D X	Canon	CMOS	36 x 24	18	5184 x 3456	6,9	144	72	11,0	18
Canon EOS 1Ds Mark III	Canon	CMOS	36 x 24	21	5616 x 3744	6,9	156	78	9,45	10,2	21
Canon EOS 1Ds Mark II	Canon	CMOS	36 x 24	16	4992 x 3328	7,2	11,5
Canon EOS 1Ds	Canon	CMOS	35,8 x 23,8	11	4064 x 2704	8,8	14,8	11,1
Canon EOS 1D Mark IV	Canon	CMOS	27,9 x 18,6	16	4896 x 3264	5,7	175	87	9,1	26,6
Canon EOS 1D Mark III	Canon	CMOS	28,1 x 18,7	10	3888 x 2592	7,2	138	69	11,5
Canon EOS 1D Mark II N, Canon EOS 1D Mark II	Canon	CMOS	28,7 x 19,1	8	3520 x 2336	8,2	122	61	13,2
Canon EOS 1D	Kodak	CCD	28,7 x 19,1	4	2464 x 1648	11,6	19,1	6,4
Canon 5Ds / Canon 5DsR	Canon	CMOS	36 x 24	50	8688 x 5792	4,14	241	121	6,7	50
Canon EOS 5D Mark III	Canon	CMOS	36 x 24	21	5760 x 3840	6,25	156	78	9,45	10,1	21
Canon EOS 5D mark II	Canon	CMOS	36 x 24	21	5616 x 3744	6,4	156	78	9,45	10,2	21
Canon EOS 6D	Canon	CMOS	35,8 x 23,9	20	5472 x 3648	6,54	152	76	9,45	10,5	21
Canon 5D	Canon	CMOS	35,8 x 23,9	12	4368 x 2912	8,2	122	61	13,2	12
Canon 7D mark II	Canon	CMOS	22,5 x 15,0	20	5472 x 3648	4,11	243	122	6,6
Canon 7D	Canon	CMOS	22,3 x 14,9	18	5184 x 3456	4,3	232	116	6,9
Canon EOS 70D	Canon	CMOS	22,5 x 15,0	20	5472 x 3648	4.1	243	122	6.6
Canon 550D, 600D, 650D, 700D, 1200D	Canon	CMOS	22,3 x 14,9	18	5184 x 3456	4,3	232	116	6,8
Canon 500D / 50D	Canon	CMOS	22,3 x 14,9	15	4752 x 3168	4,7	213	106	7,5
Canon 450D, 1100D	Canon	CMOS	22,2 x 14,8	12	4272 x 2848	5,2	8,3
Canon 400D, 1000D	Canon	CMOS	22,2 x 14,8	10	3888 x 2592	5,7	9,1
Canon 350D / 20D / 30D	Canon	CMOS	22,5 x 15	8	3504 x 2336	6,4	156	78	10,8	20,9
Canon 300D / 10D / D60	Canon	CMOS	22,7 x 15,1	6	3072 x 2048	7,4	12,4	15,5
Canon EOS M	Canon	CMOS	22,3 x 14,9	18	5184 x 3456	4,3	232	116
Canon PowerShot G1 X	Canon	CMOS	18,7 x 14,0	14	4352 x 3264	4,3	232	116	6,9
Canon PowerShot G12	Canon	CMOS	7,4 x 5,6	10	3648 x 2048	2,7	493	246	4,3
Canon PowerShot G9	Canon	CMOS	7,6 x 5,7	12	4000 x 3000	2,5	526	263	4,0
Nikon D4	?	CMOS	36 x 24	16	4928 x 3280	7,3	137	68	16
Nikon D3X	?	CMOS	35,9 x 24	24	6048 x 4032	5,9	9,9	24,4
Nikon D800	Sony	CMOS	35,9 x 24	36	7360 x 4912	4,9	205	103	36
Nikon D700 / D3 / D3s	?	CMOS	36,0 x 23,9	12	4256 x 2832	8,4	14,1	12,2
Nikon D7100	?	CMOS	23,5 x 15,6	24	6000 x 4000	3,9	255	128	5,9
Nikon D7000	?	CMOS	23,6 х 15,6	16	4928 x 3264	4,79	209	104	7,1	8,1
Nikon D5000 / D90 / D300 / D300s / D2X / D2Xs	Sony	CMOS	23,7 x 15,6	12	4288 x 2848	5,4	9	28,8
Nikon D3000 / D40x / D60 / D80 / D200	Sony	CCD	23,6 x 15,8	10	3872 x 2592	6,1	10,3	23,4
Nikon D1/D1H	Sony	CCD	23,7 x 15,5	2,6	2000 x 1312	11,9	20	6,2
Nikon D40 / D50 / D70 / D100	Sony	CCD	23,7 x 15,5	6	3008 x 2000	7,8	13,1	14,0
Nikon D2H	Nikon	JFET	23,7 x 15,5	4	2464 x 1632	9,6	16,1	9,3
Sony A900 / A850	Sony	CMOS	35,9 x 24	24	6048 x 4032	5,9	9,9	24
Sony A7	Sony	CMOS	35,8 x 23,9	24	6000 x 4000	5,97	168	84	24
Sony NEX 5R	Sony	CMOS	23,5 x 15,6	16	4912 x 3264	4,78	209	105
Olympus E-5	?	17,3 x 13,0	12	4032 x 3024	4,3	233	117
Olympus OM-D E-M10 Mark II	?	17,3 x 13,0	16	4608 x 3456	3,75	266	133	61
Fuji X-E2	?	23,6 x 15,6	16	4896 x 3264	4,82	207	104
PhaseOne P65+	?	54,9 x 40,4	60	8984 x 6732	6,1	164	82
Leica S2	Kodak	45 x 30	37	7500 x 5000	6,0	10,0	22
Leica M9	Kodak	36 x 24	18	5212 x 3472	6,9	145	72	18
Leica M8	Kodak	26,8 x 17,9	10	3936 x 2630	6,8	11,4	18
Hasselblad h4DII-50	Kodak	49,1 x 36,8	50	8176 x 6132	6,0	10,0	22
Hasselblad h4DII-39	Kodak	49,1 x 36,8	39	7212 x 5412	6,8	11,4	18
Hasselblad h4DII-31	Kodak	44,2 x 33,1	31	6496 x 4872	6,8	11,4	18

Источник: http://evtifeev.com/35260-tablitsa-difraktsionnogo-predela.html

2. Дифракция волн. Оптика. Физика. Курс лекций

2.1. Дифракция Фраунгофера на узкой длинной щели в непрозрачном экране

2.2. Дифракция света на одномерной дифракционной решётке

2.3. Разрешающая способность дифракционной решётки

2.4. Дифракция рентгеновских лучей

Огибание волнами препятствий или отклонение от прямолинейного распространения в оптически неоднородной среде получило название дифракции.

Дифракция возникает при прохождении световых волн через отверстия в непрозрачных экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т.д.

Различаются два вида дифракции световых волн: дифракция Френеля, или дифракция в расходящихся лучах, и дифракция Фраунгофера, или дифракция в параллельных лучах.

В первом случае на препятствие падает сферическая или плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, который находится позади препятствия на конечном расстоянии от него.

Во втором случае на препятствие падает плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света.

2.1. Дифракция Фраунгофера на узкой длинной щели в непрозрачном экране

Ширина щели BC=b, длина волны, падающего света λ. Свет падает на щель нормально к её поверхности так что колебания во всех точках щели совершаются в одной фазе. О – оптический центр линзы. Дифракционная картина наблюдается на экране, который установлен в фокальной плоскости линзы. φ – угол дифракции, или угол отклонения от прямолинейного распространения падающих волн, который может принимать значения от 0 до .

F₀ – центр дифракционной картины, где интерферируют лучи, угол дифракции которых равен нулю. В F наблюдается центральный дифракционный максимум.

Параллельные лучи BM и CN, идущие от краёв щели под углом дифракции φ, собираются линзой в побочном фокусе F_φ.

Линза обладает тем свойством, что оптические пути лучей BM и DNF_φ, где D – основание перпендикуляра, опущенного из точки В на направление луча CN, одинаковы.

Результат интерференции в точке F_φ экрана зависит от разности хода волн и длины волн падающего света. Щель можно разбить по ширине на зоны, которые получили название зон Френеля. Зоны имеют вид параллельных ребру В полосок, разность хода от краев которых равна λ/2.

Число зон Френеля, укладывающихся в отверстие, равно:

.

Все зоны излучают свет в рассматриваемом направлении с одинаковой амплитудой, причём колебания, вызываемые в точке F_φ двумя соседними зонами противоположны по фазе.

Поэтому, если число зон Френеля в отверстии чётное

,

где k=1,2…,

то под углом дифракции, удовлетворяющем условию, наблюдается дифракционный минимум. k – порядок дифракционного минимума.

Если число зон Френеля нечётное

, где k=1,2…,

то под углом дифракции φ удовлетворяющему условию

наблюдается дифракционный максимум, соответствующий действию одной зоны Френеля (k — порядок дифракционного минимума).

Самый яркий центральный максимум наблюдается в главном фокусе линзы F₀ (φ=0).

С ростом k ширина зон Френеля уменьшается и интенсивность максимумов быстро падает.

Амплитуда и интенсивность света в точке F_φ равны:

и ,

где А₀ – амплитуда, I₀ – интенсивность центрального максимума (φ=0).

2.2. Дифракция света на одномерной дифракционной решётке

Одномерная дифракционная решётка представляет собой систему из большого число N одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей в экране, раздельных также одинаковыми по ширине непрозрачными промежутками.

На рисунке 8 показаны только две соседние щели решётки. Величина d=a+b, называется периодом решётки (a=KC – ширина непрозрачного промежутка, b=BK – ширина щели,

— ширина решётки). Если плоская монохроматическая волна с длиной λ падает на решётку нормально, то колебания во всех точках щели происходят в одинаковой фазе. Колебания, возбуждаемые в произвольной точке Fφ фокальной плоскости линзы каждой из щелей, совпадают по амплитуде, но отличаются по фазе. Для каждой пары соседних щелей сдвиг по фазе Δφ0 μежду этими колебаниями одинаков. Сдвиг по фазе зависит от разности хода волн, идущих от точек В и С под углом дифракции φ и длины волны λ.

,

где — разность хода,

D – основание перпендикуляра, опущенного из точки В на направление луча С.

.

Условие наблюдения главных максимумов: или (k=1,2,3)

,

k – порядок интерференционного максимума.

Наибольший порядок спектра наблюдается под углом дифракции: ;

;

;

,

k может принимать только целые значения, поэтому результат, полученный от деления, нужно округлить до меньшего целого числа. Число максимумов наблюдаемых на экране . В центре экрана в точке F₀ наблюдается центральный максимум (φ=0, k=0).

Условие наблюдения главных минимумов:

или ;

,

k – порядок главного минимума.

2.3. Разрешающая способность дифракционной решётки

Пусть на дифракционную решётку падает немонохроматический свет с длиной волны λ₁ и λ₂.

; (близкие длины волн).

Период дифракционной решётке d, число щелей N. В спектре k-ого порядка на экране (рисунок 9) под углом φ1 наблюдается максимум для длины волны λ1, а под углом дифракции φ2 – максимум для волны с λ2. (Fφ1 θ Fφ2 – ρоответственно), максимумы для двух длин волн на экране пространственно разделены, если выполняется условие:

(формула Рэлея).

Это условие получило название разрешающей способности дифракционной решётки. λ можно принять равным λ₁ или λ₂.

2.4. Дифракция рентгеновских лучей

Кристаллическую решётку твёрдых тел можно рассматривать как пространственную дифракционную решётку, период которой значительно меньше длины волны видимого света (). Для видимого света кристаллы являются оптически однородной средой.

В тоже время для рентгеновских лучей кристаллы представляют естественные кристаллические решётки ().

Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах рассматривается как результат интерференции рентгеновского излучения, зеркально отражающегося от систем параллельных плоскостей, которые проходят через узлы кристаллической решётке. Расстояние d между двумя сетчатыми плоскостями называется межплоскостным расстоянием, а угол Θ между падающим лучом и плоскостью – угол скольжения. На рисунке 10 изображены две плоскости, которые проходят через углы кристаллической решётки (сетчатые или атомные плоскости).

На поверхности кристалла под углом скольжения Θ падает плоская волна с длиной λ. Рентгеновские лучи не преломляются в кристалле, т.к. показатель преломления для них равен единице (примерно). Разность хода интерферирующих волн (лучи 1 и 2), отражённых от двух параллельных плоскостей равна . Отражение наблюдается в направлениях, соответствующих дифракционным максимумам, которые удовлетворяют условию Вульфа-Брэгга:

, m=1,2,3…

m – порядок дифракционного максимума

,

Θ – σгол скольжения для наблюдения максимума удовлетворяет этому условию.

Угол скольжения, соответствующий первому дифракционному максимуму (m=1)

.

дифракция — Викисловарь

Морфологические и синтаксические свойства[править]

падеж	ед. ч.	мн. ч.
Им.	дифра́кция	дифра́кции
Р.	дифра́кции	дифра́кций
Д.	дифра́кции	дифра́кциям
В.	дифра́кцию	дифра́кции
Тв.	дифра́кцией дифра́кциею	дифра́кциями
Пр.	дифра́кции	дифра́кциях

ди-фра́к-ци·я

Существительное, неодушевлённое, женский род, 1-е склонение (тип склонения 7a по классификации А. А. Зализняка).

Корень: -дифракциj-; окончание: -я ^{[Тихонов, 1996]}.

Произношение[править]

• МФА: [dʲɪˈfrakt͡sɨɪ̯ə]

Семантические свойства[править]

Численное приближение дифракции плоской волны от щели шириной, равной длине волны Численное приближение дифракции плоской волны от щели шириной больше длины волны

Значение[править]

1. физ. явление, наблюдаемое при прохождении волн или потоков элементарных частиц мимо края препятствия и связанное с отклонением волн, потоков от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием ◆ Уникальным экспериментальным методом, позволяющим получать данные о пространственном расположении атомов в кристалле, служит дифракция рентгеновских лучей, или рентгеноструктурный анализ. В. Л. Карпов, «ДНК, хроматин, гистоновый код», 2003 г. // «Вестник РАН» (цитата из Национального корпуса русского языка, см. Список литературы)

Синонимы[править]

Антонимы[править]

1. —

Гиперонимы[править]

1. явление, отклонение

Гипонимы[править]

Родственные слова[править]

Этимология[править]

Происходит от нов. лат. diffractio «преломление», из diffringere «разбивать, переламывать», далее из dis- (приставка, означающая разделение, разъединение) + frangere «ломать, разбивать, раздроблять», из праиндоевр. *bhreg- «ломать».

Фразеологизмы и устойчивые сочетания[править]

Перевод[править]

Библиография[править]

Морфологические и синтаксические свойства[править]

дифракция

Существительное, женский род.

Корень: —.

Произношение[править]

Семантические свойства[править]

Значение[править]

1. дифракция (аналогично русскому слову) ◆ Отсутствует пример употребления (см. рекомендации).

Синонимы[править]

Антонимы[править]

Гиперонимы[править]

Гипонимы[править]

Родственные слова[править]

Ближайшее родство

Этимология[править]

Происходит от нов. лат. diffractio «преломление», из diffringere «разбивать, переламывать», далее из dis- (приставка, означающая разделение, разъединение) + frangere «ломать, разбивать, раздроблять», из праиндоевр. *bhreg- «ломать».

Фразеологизмы и устойчивые сочетания[править]

Дифракция света. Виды дифракции

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Дифракция света – это совокупность явлений наблюдаемых при распространении света в средах с резкими неоднород-ми.

При взаимодействии света с такими средами происходит нарушение законов геометрической оптики.

В частном случае под дифракцией понимают огибание волной препятствия (при этом наруш. Закон. Лан. оптики) сопровождается прониканием света в область геометрического тела.

При дифр. После взаим. Света св-вам происходит перераспределение светового потока с обрыванием МАХ и MIN интен. Света (так же как интерф)

Различают 2-а вида дифракции.

Дифракция Фраунгофера

Дифракция в парал. Лучах (дифракция Плоских волн). В этом случае на премет-е падает параллельный пучок лучей, а дифракциякартина наблюдается в фокал. Плоскасти собирающей линзы установленной за перемитром или с помощью зрительной трубы.

Дифракция Френеля

Дифракция в сходящихся лучах в этом случае на препятствие падает сферическая и плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране , находится за препятствием на конечном расстоянии.

 

Принцип Гюйгенса

Принцип Гюйгенса позволяет производить построение волнового фронта любой точки пространства.

Каждая точка волнового фронта служит центром вторичного светового огибающего эффекта (t+∆t) в момент времени. Этот принцип позволяет провести построение в момент времени t+∆t по известному фронту волны.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Согласно принципу световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции(сложения) когерентных вторичных волн, изучаемых вторичными(фиктивными) источниками – бесконечно малыми элементами любой любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S.

 

Суть метода зон Френеля

В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля произвольная поверхность точки волны в точку наблюдения ρ идущую от источника S разбивают на участки(кольца) так, чтобы расстояние от краев зон до краев точки n было: bn=b+m , m =1,2,3.

Эти зоны являются вторичными волнами.

Оптическая разность хода от любых 2-х соседних зон равна и эти соседние зоны будут возбуждать соседние зоны по фазе отличающиеся в точке ρ.

Результатирующая амплитуда создающаяся результатирующей волной в точке ρ всеми зонами равна амплитуде: Ар = , А1= 2Ар, rm =

 

Зонные пластинки

Если на пути волны поставить пластинку, все четные или не четные зоны Френеля, то интенсивность света в точки наблюдения будет резко возрастать. Это связано с тем, что колебания от четных или не четных приходит в точку ρ в фазе 2П и следовательно резко усилив друг друга действует как собирающая линза и называется фазовая-зонная пластинка.

 

Вид дифракционной картины при дифракции Френеля на круглом отверстии

Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника S, встречает на своем пути экран с круглым отверстием. Дифракционную картину наблюдаем на экране Э в точке В, лежащей на линии, соединяющей S с центром отверстия. Экран параллелен плоскости отверстия и находится от него на расстоянии b. Разобьем открытую часть волновой поверхности Ф на зоны Френеля. Вид дифракционной картины зависит от числа зон Френеля, открываемых отверстием. Амплитуда результирующего колебания, возбуждаемого в точке В всеми зонами.

где знак плюс соответствует нечетным m и минус — четным т.

 

Схема для наблюдения дифракции Фраунгофера на щели. Вид дифракционной картины.

Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса , согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране. Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

 

Рекомендуемые страницы:

Что означает дифракция?

Мусин Алмат Жумабекович:

1. Бесконечное обилие мнений и предположений говорит о незнании. 2. Узнай, хочешь ли жить. 3. Воображение погружается в бездонную бездну безумия. 4. Гений ничего не делает и даже не думает, он просто ждет своей лучшей мысли или идеи, чтобы воплотить ее в жизнь. Влюбленный постоянно ищет других людей и составляет коллаж из чужих мыслей и идей. 5. Шедевр — это когда вы ищете идеальную радиоволну на внутреннем радио.Среди шума вашего внутреннего космоса вы можете найти что-то совершенно новое, гениальное. 6. Современное искусство Эстетика как основа искусства ушла на второй план. На переднем плане абстрактная бессознательная философия художников. Творческие люди создают свои творения не для людей, а для себя. Вот почему существует разрыв между восприятием художника и зрителя. Люди, посещающие современные выставки, не могут понять, что хотел сказать автор, многие пишут свои унизительные записки с пояснениями о том, что это за работа.Например: неспециалист смотрит на работу, читает записку с аннотацией и говорит: «Ааа, это цветок?» (Встала в странной позе, чтобы увидеть цветок, и вторая повторяется за ней. Только в этой позе они видят цветок). Отвечая ей: Да, я бы никогда в жизни не догадался. И обиженный автор произведения говорит им: да, вы ничего не понимаете в искусстве, я гений. И горько плачет. Даже многие профессиональные историки искусства не до конца понимают многих художников, они лишь строят некоторые личные предположения.И не все художники иногда понимают, что они создали. Обыватель спрашивает художника: а что здесь изображено. Автор отвечает: «Не знаю, да, да». 7. Насилие в творчестве безвредно сокращает население Земли. 8. Творчество — это вмешательство света чувств. Свет дифракция эмоций прошло через призму души. Кто-то тем самым создает эффект трансформации или искажения воображения, чем уродливее мышление людей, тем страшнее их воображение.Что напоминает металлический конструктор влюбленных, детскую аппликацию из имитации. Гениальный в понимании. 9. Творчество — это хардкорная оригинальность. 10. Гений делает то, что никто не думает делать. Он ищет что-то совершенно новое, чего никто не будет искать. Он не ищет почву для вдохновения, он создает ее своими смелыми шагами, подошвы кроссовок которых нежно светятся белыми неоновыми огнями. По-своему он прокладывает путь для следующего поколения. Став в конце светом, освещающим этот путь.Терпеливо ждут своих последователей на другой стороне. Автор: Мусин Алмат Жумабекович

Типы дифракции с примерами

В этом посте вы подробно узнаете о дифракции света.
Итак, если вы хотите получить пользу от этого сообщения, то вам понравится этот пост.
Содержание:

• Определение дифракции
• Типы дифракции
• Примеры дифракции
• Намного больше

Давайте сразу погрузимся в:

Что такое дифракция света?

Изгиб световых волн вокруг углов препятствия и распространение световых волн в геометрическую тень называется дифракцией.Дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля — это два типа дифракции света. Изгибание света по углам окна — это пример дифракции.

Эффект дифракции зависит от размера препятствия. Дифракция света происходит, если размер препятствия сопоставим с длиной волны света. Световые волны очень маленькие по длине волны, то есть от 4 × 10 ^-7 м до 7 × 10 ^-7 м. Только если размер отверстия или препятствия близок к этому пределу, мы можем наблюдать явление дифракции.

Типы дифракции в физике

Дифракцию света можно разделить на два типа:

• Дифракция Фраунгофера
• Дифракция Френеля

Дифракция Фраунгофера

В дифракции Фраунгофера:

• Источник и экран находятся далеко от друг друга.
• Падающие на дифрагирующую преграду волновые фронты плоские.
• Дифракционное препятствие приводит к возникновению волновых фронтов, которые также являются плоскими.
• Плоские дифрагирующие волновые фронты сводятся с помощью выпуклой линзы для создания дифракционной картины.

Дифракция Френеля

По дифракции Френеля:

• Источник и экран находятся недалеко друг от друга.
• Падающие волновые фронты имеют сферическую форму.
• Волновые фронты, покидающие препятствия, также имеют сферическую форму.
• Выпуклая линза не нужна для сведения сферических волновых фронтов.

См. Также: Преломление света

Дифракция света

В эксперименте Юнга с двумя щелями для интерференции света центральная область системы полос яркая.Если свет распространяется по прямому пути, центральная область должна казаться темной, то есть тень экрана между двумя прорезями. Другой простой эксперимент можно провести, продемонстрировав тот же эффект.

Представьте, что маленький и гладкий шар диаметром около 3 мм освещается точечным источником света. Тень от объекта воспринимается на экране, как показано на рисунке. Тень сферического объекта не совсем темная, но имеет яркое пятно в центре. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка на краю сферы ведет себя как источник вторичных всплесков, которые освещают центральную область тени.

Эти два эксперимента ясно показывают, что, когда свет проходит мимо препятствия, он не проходит точно по прямому пути, а огибает препятствие. Это явление становится заметным, когда длина волны света сравнивается с размером препятствия или апертуры щели. По сути, дифракция света происходит из-за интерференции лучей, исходящих из разных частей одного и того же волнового фронта.

См. Также: Интерференция света

Дифракция из-за узкой щели

На рисунке показана экспериментальная установка для изучения дифракции света из-за узкой щели.Щель AB шириной d освещается параллельным пучком монохроматического света с длиной волны λ. Экран S помещается параллельно щели для наблюдения эффектов дифракции света. Небольшая часть падающего волнового фронта проходит через узкую щель. Каждая точка этого участка волнового фронта посылает на экран вторичные вейвлеты. Затем эти вейвлеты интерферируют, создавая дифракционную картину. Становится проще работать с лучами вместо волновых фронтов, как показано на рисунке.

На этом рисунке нарисовано только девять лучей, тогда как на самом деле их очень много. Рассмотрим лучи 1 и 5, которые находятся в фазе на фронте AB. Когда они достигнут волнового фронта AC, луч 5 будет иметь разность хода ab, равную, скажем, λ / 2. Таким образом, когда эти два луча достигают точки p на экране; они будут деструктивно вмешиваться. Точно так же каждая пара 2 и 6,3 и 7,4 и 8 отличается своим путем на λ / 2 и будет делать то же самое. Но разность хода ab = d / 2 sinθ.

Уравнение для первого минимума:

d / 2 sinθ = λ / 2

или d sinθ = λ

В общем, условия для разных порядков минимумов по обе стороны от центра задаются следующим образом:

d sinθ = mλ

где m = ± (1,2,3,….)

Область между любыми двумя последовательными минимумами выше и ниже O будет яркой. Таким образом, узкая щель создает серию ярких и темных областей с первой яркой областью в центре рисунка.

Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах

Длину электромагнитной волны можно определить, если имеется решетка с правильным шагом, то есть порядка длины волны λ. Рентгеновские лучи — это электромагнитные волны очень короткой длины волны (порядка 0.1 нм). В процессе резки невозможно было бы построить решетку с таким малым шагом. Однако известно, что расстояние между атомами в твердом теле составляет около 0,1 нм. В 1913 году Макс фон Лауэ предположил, что регулярный массив атомов в твердом кристалле может действовать как трехмерная дифракционная картина, сложная из-за трехмерной дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Последующий эксперимент подтвердил это предсказание. Дифракционные картины сложны из-за трехмерной природы кристалла.Тем не менее дифракция рентгеновских лучей оказалась бесценным методом изучения кристаллических структур и понимания структуры вещества.

Коллимированный пучок рентгеновских лучей падает на кристалл. Дифрагированные лучи очень интенсивны в определенных направлениях, что соответствует конструктивной интерференции волн, отраженных от слоев атомов в кристалле. Дифрагированные лучи могут быть обнаружены фотографической пленкой, и они образуют массив пятен, известных как узор Лауэ. Кристаллическую структуру можно определить, анализируя положение и интенсивность различных пятен в узоре.

Уравнение Брэгга

Предположим, что рентгеновский луч падает под углом θ на одну из плоскостей. Луч может отражаться как от верхней плоскости, так и от нижней плоскости перемещаться дальше, чем луч, отраженный от верхней плоскости. Ясно, что после отражения от атомов плоскости луч 2 проходит большее расстояние, чем луч 1. Таким образом, расстояние BC + CD — это эффективная разность хода между двумя отраженными лучами 1 и 2.

Смотрите также:

Сопутствующие поиски дифракции света:

Похожие запросы по физике :

Внешние источники

• https: // en.wikipedia.org/wiki/Diffraction
• https://www.quora.com/What-is-diffraction-of-light

Дифракция — Физика — Metropolia Confluence

Masinde Masinde
Asuquo Uduak Peter
Kudaisi Mobolaji

МОЗГИ ЗА ОТКРЫТИЕМ И ИЗУЧЕНИЕМ ДИФФРАКЦИИ

Итальянский ученый Франческо Мария Гримальди создал слово «дифракция».Он был первым, кто записал точные наблюдения этого явления (дифракции) в 1665 году. Вот список ученых, внесших вклад в изучение дифракции

* сэр Исаак Ньютон.

• Джеймс Грегори.
• Томас Янг.
• Огюстен-Жан Френель.
• Христиан Гюйгенс.
  DEFINITON

Дифракция возникает, когда свет (луч / луч света) или другая система волн, такая как (волны воды, звук, электромагнитные волны (электромагнитное излучение), и небольшие движущиеся частицы, такие как атомы, нейтроны, и электроны, которые проявляют волнообразные свойства) проходят острые края или проходят через узкие щели (апертуру), лучи отклоняются (распространяются) и создают полосы светлых и темных полос.

Дифракция света

ВЛИЯНИЕ ДИФРАКЦИИ

Дифракционные эффекты подразделяются на типы Fresnel или Fraunhofer .

Дифракция Френеля касается в основном того, что происходит со светом в непосредственной близости от дифрагирующего объекта или апертуры, поэтому представляет интерес только тогда, когда источник освещения находится поблизости.

Дифракция Фраунгофера — это эффект светорассеяния апертуры, когда апертура (или объект) освещается плоскими волнами, т.е.е., волны, которые фактически исходят из бесконечно удаленного источника.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕРМИНЫ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

• Диафрагма: Апертура — это оптическая терминология, это неспециалисты называют ее разными именами, такими как отверстие, отверстие или зазор.Это часто относится к отверстию, через которое свет может проходить в оптических системах, таких как камеры и лазеры.
• Волны: волна — это возмущение или колебание, которое распространяется в пространстве-времени и сопровождается передачей энергии.
• Бахрома: край и внешняя граница чего-либо.
• Помехи *: {} Интерференция * — это явление, при котором две волны накладываются друг на друга, образуя результирующую волну большей или меньшей амплитуды.
• Радиация: Радиация — это энергия, которая исходит от источника и проходит через какой-либо материал или пространство.
• Частота: количество повторений повторяющегося события в единицу времени.
• Амплитуда: амплитуда волны — это мера того, насколько велики ее колебания.

ВИДЫ ДИФРАКЦИИ

• Дифракция света – — это изгибание света, когда он проходит через край объекта.
• дифракция воды — это дифракция волн на воде, проходящих через щель.
• Дифракция звука — Это — процесс, при котором звуковые волны могут рассеиваться вокруг объектов, поэтому вы все равно можете слышать чей-то зов, даже когда спрятались за деревом.
• Дифракция электронов — Дифракция электронов относится к волновой природе электронов. Быстрые электроны дифрагируют на поликристаллическом слое графита
• Дифракция рентгеновских лучей — Дифракция рентгеновских лучей (XRD) является инструментом для определения характеристик расположение атомов в кристаллах и расстояния между гранями кристаллов.Его можно использовать для идентификации атомов и кристаллической формы.
• Дифракция на порошке — Порошковая дифракция — это научный метод, использующий дифракцию рентгеновских лучей, нейтронов или электронов на порошковых или микрокристаллических образцах для определения структурных характеристик материалов.
• Дифракция на одной щели — Дифракция на одной щели проиллюстрирована с помощью моделирования во временной области с конечными разностями (FDTD), в котором щели различной ширины освещаются плоскими электромагнитными волнами на одной частоте.
• Дифракция на выбранной области — Выбранная дифракция (электронная) дифракция (сокращенно SAD или SAED) представляет собой кристаллографический экспериментальный метод, который может быть выполнен в просвечивающем электронном микроскопе (ТЕМ)

ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ДИФФРАКЦИИ

ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА

Голландский физик Христиан Гюйгенс ранее в 1678 г. предположил, что «каждая точка, в которой световые возмущения действуют как источник волны сферической природы «, суммирование этих вторичных волн определяет форму волны в любой момент времени».

Хотя его теория адекватно объясняла, как распространяются линейные и сферические волны, она не объясняла, как, согласно его собственному предположению, эти вторичные волны движутся только в прямом направлении.

Дифракция и отражение в помещениях — Звуковая наука для школ и колледжей

Давайте вернемся в помещение и подумаем о различных типах зданий, которые должны иметь особый акустический дизайн.В концертных залах, студиях звукозаписи для музыки, телевидения и радио и даже в учебных классах нам необходимо контролировать количество звука, отражающегося от стен, пола и потолка. Эти отражения нарушают исходный звук и вызывают нежелательное эхо и реверберацию . В концертных залах и классах эти отголоски означают, что исходный звук может стать плохо слышным — может быть плохая разборчивость .

Услышьте разницу между комнатой с сильными отражениями и комнатой без отражений (безэховая камера)

Попробуйте этот эксперимент — войдите в маленькую пустую комнату, например в ванную, и пошумите — подойдет хлопок. прямой звук , доходящий до ваших ушей прямо от ваших рук, быстро сопровождается отражениями от стен, потолка и пола. Эти отражения могут привести к тому, что звук будет иметь цвет , цвет , или, другими словами, тембр звука изменится. (Тембр — французское слово, обозначающее качество звука).

На схеме ниже показан вид сверху небольшой прямоугольной комнаты, на котором красным цветом выделено отражение первого порядка (с одной отражающей поверхностью) от верхней стены.В небольших помещениях отражения первого порядка имеют тенденцию быть громкими и появляются очень скоро после прямого звука. Вы можете представить себе, как волны подпрыгивают, как шары на бильярдном столе. Отражения второго порядка подобны выстрелам от двух подушек, третьего порядка — от трех и т. Д. Чем выше отражение, тем дальше прошла волна и тем позже они прибывают. Все эти более поздние отражения сливаются и вызывают реверберацию.

Существует две основных формы акустической обработки отражений: поглощение, и диффузия .

Абсорберы

Одним из решений проблемы отражений является применение поглощения к стене, которое превращает акустическую энергию в тепло — это своего рода демпфирование . Это поглощение может быть специальным продуктом, таким как изделия из минеральной ваты, пены с открытыми порами или переработанного волокнистого материала, такого как бумажные отходы, но поглощение также может быть обеспечено более обычными предметами, такими как шторы, диваны или ковры. Для акустического дизайнера это может оказаться непростым делом — слишком много поглощения, и комната будет казаться мертвой.Качество звука будет похоже на прослушивание на открытом воздухе, где слышен только прямой звук от источника (при условии мягкого грунта и отсутствия близлежащих зданий).

Безэховая камера в Университете Солфорда, где каждая стена звукопоглощает

Диффузоры

Акустические диффузоры

используются для пространственного рассеивания отражений — для распределения отраженной звуковой энергии в широком диапазоне углов — как показано на схеме выше с черным контуром. Некоторое распространение можно получить, аккуратно расставив книжные шкафы и другую мебель в комнате.Но специальные (= дорогие!) Рассеивающие поверхности могут добиться большего рассеивания более контролируемым образом. При использовании диффузоров звука отражения первого порядка рассеиваются, чтобы их услышал позже слушатель, а за счет удаления и задержки ранних отражений диффузия и поглощение могут сделать небольшую музыкальную студию похожей на большую комнату. Следовательно, дизайн заключается в том, чтобы найти точки отражения для отражений первого порядка и применить к ним соответствующую обработку. Крайний пример показан на фотографии комнаты для прослушивания ниже.

Комната для прослушивания, Лаборатория акустики и звукоинженерии, Салфордский университет

Без поглотителей

Одно место, где инженеры по акустике не хотят поглощения, — это специальная лаборатория, которая называется комплектом трансмиссии. Это используется для проверки того, насколько хорошо стены препятствуют проникновению звука из одной комнаты в другую.

Комплект передачи, акустическая инженерия, Солфордский университет

Далее: Propagation

определение дифракции и синонимов дифракции (английский)

Сгенерированная компьютером картина интенсивности, сформированная на экране путем дифракции на квадратной апертуре

Генерация интерференционной картины по двухщелевой дифракции

Расчетная модель интерференционной картины от двухщелевой дифракции

Согласно некоторым исследованиям, цвета, видимые в паутине, частично возникают из-за дифракции. ^[1]

Дифракция относится к различным явлениям, которые происходят, когда волна встречает препятствие. В классической физике явление дифракции описывается как видимый изгиб волн вокруг небольших препятствий и распространение волн за небольшие отверстия. Подобные эффекты возникают, когда световые волны проходят через среду с переменным показателем преломления или звуковые волны проходят через среду с переменным акустическим импедансом. Дифракция происходит со всеми волнами, включая звуковые волны, волны воды и электромагнитные волны, такие как видимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны.Поскольку физические объекты обладают волнообразными свойствами (на атомном уровне), дифракция также происходит с веществом и может быть изучена в соответствии с принципами квантовой механики. Итальянский ученый Франческо Мария Гримальди ввел слово «дифракция» и был первым, кто зафиксировал точные наблюдения этого явления в 1665 году. ^{[2] [3]}

Ричард Фейнман ^[4] сказал, что

«Никто никогда не мог удовлетворительно определить разницу между интерференцией и дифракцией.Это просто вопрос использования, и между ними нет особой, важной физической разницы ».

Он предположил, что, когда есть только несколько источников, скажем два, мы называем это интерференцией, как в щелях Юнга, но с большим количеством источников, процесс назывался дифракцией.

Хотя дифракция возникает всякий раз, когда распространяющиеся волны сталкиваются с такими изменениями, ее эффекты, как правило, наиболее заметны для волн, длина которых примерно равна размерам дифрагирующих объектов.Если препятствующий объект обеспечивает несколько близко расположенных отверстий, может получиться сложный узор различной интенсивности. Это происходит из-за суперпозиции или интерференции различных частей волны, которая шла к наблюдателю разными путями (см. Дифракционную решетку).

Формализм дифракции может также описать способ, которым волны конечной протяженности распространяются в свободном пространстве. Например, расширяющийся профиль лазерного луча, форма луча антенны радара и поле зрения ультразвукового преобразователя — все это можно проанализировать с помощью уравнений дифракции.

Примеры

Эффекты дифракции часто наблюдаются в повседневной жизни. Наиболее яркими примерами дифракции являются дифракции света; например, близко расположенные дорожки на компакт-диске или DVD действуют как дифракционная решетка, образуя знакомый радужный узор, наблюдаемый при взгляде на диск. Этот принцип может быть расширен для создания решетки со структурой, которая будет создавать любую желаемую дифракционную картину; голограмма на кредитной карте является примером. Дифракция в атмосфере на мелких частицах может привести к тому, что вокруг яркого источника света, такого как солнце или луна, будет видно яркое кольцо.Тень твердого объекта, использующая свет от компактного источника, показывает небольшие полосы по краям. Спекл-узор, который наблюдается, когда лазерный луч падает на оптически шероховатую поверхность, также является явлением дифракции. Все эти эффекты являются следствием того, что свет распространяется как волна.

Дифракция может возникать на волнах любого типа. Океанские волны рассеиваются вокруг причалов и других препятствий. Звуковые волны могут рассеиваться вокруг объектов, поэтому можно услышать чей-то зов, даже если спрятаться за деревом. ^[5] Дифракция также может быть проблемой в некоторых технических приложениях; он устанавливает фундаментальный предел разрешающей способности камеры, телескопа или микроскопа.

История

Эскиз двухщелевой дифракции Томаса Янга, который он представил Королевскому обществу в 1803 г.

Эффекты дифракции света были впервые тщательно обнаружены и охарактеризованы Франческо Марией Гримальди, который также ввел термин дифракция , от латинского diffringere , «разбиваться на части», относящийся к распаду света в разные стороны.Результаты наблюдений Гримальди были опубликованы посмертно в 1665 году. ^{[6] [7] [8]} Исаак Ньютон изучил эти эффекты и приписал их перегибам световых лучей. Джеймс Грегори (1638–1675) наблюдал дифракционные картины, вызванные птичьим пером, которое фактически было первой обнаруженной дифракционной решеткой. ^[9] Томас Янг провел знаменитый эксперимент в 1803 году, продемонстрировав интерференцию от двух близко расположенных щелей. ^[10] Объясняя свои результаты интерференцией волн, исходящих из двух разных щелей, он пришел к выводу, что свет должен распространяться как волны. Огюстен-Жан Френель провел более точные исследования и расчеты дифракции, обнародованные в 1815 г. ^[11] и 1818, ^[12] , и тем самым оказал большую поддержку волновой теории света, выдвинутой Христианом Гюйгенсом ^{[ 13]} и усилен Янгом против теории частиц Ньютона.

Механизм

Фотография дифракции на одной щели в круглом волноводном резервуаре

Дифракция возникает из-за способа распространения волн; это описывается принципом Гюйгенса – Френеля и принципом суперпозиции волн.Распространение волны можно визуализировать, рассматривая каждую точку волнового фронта как точечный источник вторичной сферической волны. Волновое смещение в любой последующей точке является суммой этих вторичных волн. Когда волны складываются, их сумма определяется относительными фазами, а также амплитудами отдельных волн, так что суммарная амплитуда волн может иметь любое значение от нуля до суммы отдельных амплитуд. Следовательно, дифракционные картины обычно имеют серию максимумов и минимумов.

Существуют различные аналитические модели, которые позволяют рассчитывать дифрагированное поле, включая уравнение дифракции Кирхгофа-Френеля, которое выводится из волнового уравнения, приближение дифракции Фраунгофера уравнения Кирхгофа, которое применяется к дальней зоне, и приближение дифракции Френеля, которое применяется в ближнее поле. Большинство конфигураций не могут быть решены аналитически, но могут дать численные решения с помощью методов конечных элементов и граничных элементов.

Можно получить качественное понимание многих дифракционных явлений, рассмотрев, как меняются относительные фазы отдельных вторичных источников волн, и, в частности, условия, при которых разность фаз равна половине цикла, и в этом случае волны будут гасить друг друга. из.

Простейшие описания дифракции — это такие, при которых ситуация может быть сведена к двумерной задаче. Для волн на воде это уже так; водяные волны распространяются только по поверхности воды.Что касается света, мы часто можем пренебречь одним направлением, если дифрагирующий объект простирается в этом направлении на расстояние, намного превышающее длину волны. В случае света, проходящего через маленькие круглые отверстия, мы должны учитывать полную трехмерную природу проблемы.

Дифракция света

Ниже рассмотрены некоторые примеры дифракции света.

Однощелевая дифракция

Основная статья: формализм дифракции

Численная аппроксимация дифракционной картины от щели шириной, равной длине волны падающей плоской волны в 3D визуализации спектра

Численная аппроксимация дифракционной картины от щели, ширина которой в пять раз превышает длину волны падающей плоской волны в 3D визуализации спектра

Дифракция красного лазерного луча на отверстии

Численная аппроксимация дифракционной картины от щели шириной четыре длины волны падающей плоской волной.Видны главный центральный луч, нули и развороты фазы.

График и изображение дифракции на одной щели

Длинная щель бесконечно малой ширины, которая освещается светом, рассеивает свет на серию круговых волн, а волновой фронт, выходящий из щели, представляет собой цилиндрическую волну одинаковой интенсивности.

Щель, ширина которой превышает длину волны, создает интерференционные эффекты в пространстве после щели. Это можно объяснить, если предположить, что прорезь ведет себя так, как если бы в ней было большое количество точечных источников, равномерно распределенных по ширине прорези.Анализ этой системы упростится, если мы рассмотрим свет одной длины волны. Если падающий свет монохроматический, все эти источники имеют одинаковую фазу. Свет, падающий в заданную точку пространства ниже щели, складывается из вкладов каждого из этих точечных источников, и если относительные фазы этих вкладов изменяются на 2π или более, мы можем ожидать найти минимумы и максимумы в дифрагированном свете. . Такие разности фаз вызваны различиями в длинах пути, по которым лучи, вносящие вклад, достигают точки от щели.

Мы можем найти угол, под которым получается первый минимум в дифрагированном свете, по следующим соображениям. Свет от источника, расположенного у верхнего края щели, разрушительно интерферирует с источником, расположенным в середине щели, когда разность хода между ними равна λ /2. Точно так же источник чуть ниже верха щели будет деструктивно мешать источнику, расположенному чуть ниже середины щели под тем же углом. Мы можем продолжить это рассуждение по всей высоте щели, чтобы заключить, что условие деструктивной интерференции для всей щели такое же, как условие деструктивной интерференции между двумя узкими щелями, расположенными на расстоянии, равном половине ширины щели.Разность хода задается таким образом, чтобы минимальная интенсивность приходилась на угол θ _мин , определяемый

где

• d — ширина щели,
• — это угол падения, при котором наблюдается минимальная интенсивность, а
—
• — длина волны света

Аналогичный аргумент можно использовать, чтобы показать, что если мы представим щель разделенной на четыре, шесть, восемь частей и т. Д.минимумы получаются при углах θ _n , заданных

где

• n — целое число, отличное от нуля.

Нет такого простого аргумента, который позволял бы найти максимумы дифракционной картины. Профиль интенсивности можно рассчитать, используя уравнение дифракции Фраунгофера как

где

• — интенсивность под заданным углом,
• — исходная интенсивность, а
—
• функция sinc определяется как sinc ( x ) = sin (π x ) / (π x ), если x ≠ 0, и sinc (0) = 1

Этот анализ применим только к дальнему полю, то есть на расстоянии, намного превышающем ширину щели.

2-щелевой (вверху) и 5-ти щелевой дифракционный красный лазерный луч

Дифракция красного лазера на дифракционной решетке

Дифракционная картина лазера с длиной волны 633 нм через сетку из 150 щелей

Дифракционная решетка

Основная статья: Дифракционная решетка

Дифракционная решетка — это оптический элемент с регулярным рисунком. Форма света, дифрагированного решеткой, зависит от структуры элементов и количества присутствующих элементов, но все решетки имеют максимумы интенсивности при углах θ _м , которые задаются уравнением решетки

где

• θ _i — угол, под которым падает свет,
• d — разделение элементов решетки, а
• м — целое число, которое может быть положительным или отрицательным.

Свет, дифрагированный решеткой, определяется путем суммирования света, дифрагированного от каждого из элементов, и по сути представляет собой свертку дифракционных и интерференционных картин.

На рисунке показан свет, дифрагированный 2-элементными и 5-элементными решетками, у которых расстояние между решетками одинаковое; видно, что максимумы находятся в одном и том же положении, но детальная структура интенсивностей различна.

Компьютерное изображение диска Эйри

Сгенерированная компьютером картина дифракции света от круглой апертуры диаметром 0.5 микрометров при длине волны 0,6 микрометра (красный свет) на расстоянии 0,1 см — 1 см с шагом 0,1 см. Можно увидеть, как изображение перемещается из области Френеля в область Фраунгофера, где виден узор Эйри.

Круглая апертура

Дифракцию в дальней зоне плоской волны, падающей на круглое отверстие, часто называют диском Эйри. Изменение интенсивности с углом определяется как

.

,

, где a — радиус круглой апертуры, k равно 2π / λ, а J ₁ — функция Бесселя.Чем меньше апертура, тем больше размер пятна на заданном расстоянии и больше расходимость дифрагированных лучей.

Общая апертура

Волна, выходящая из точечного источника, имеет амплитуду в точке r, которая определяется решением волнового уравнения частотной области для точечного источника (уравнение Гельмгольца),

где — трехмерная дельта-функция. Дельта-функция имеет только радиальную зависимость, поэтому оператор Лапласа (также известный как скалярный лапласиан) в сферической системе координат упрощается до (см. Del в цилиндрических и сферических координатах)

Путем прямой подстановки можно легко показать, что решение этого уравнения является скалярной функцией Грина, которая в сферической системе координат (и с использованием соглашения о времени в физике) составляет:

Это решение предполагает, что источник дельта-функции находится в начале координат.Если источник расположен в произвольной точке источника, обозначенной вектором, а точка поля расположена в этой точке, то мы можем представить скалярную функцию Грина (для произвольного местоположения источника) как:

Следовательно, если электрическое поле E _inc ( x , y ) падает на апертуру, поле, создаваемое этим распределением апертуры, определяется интегралом поверхности:

О расчете полей Фраунгофера

, где точка источника в апертуре задается вектором

В дальней зоне, где можно использовать приближение параллельных лучей, функция Грина,

упрощается до

, как показано на рисунке справа (щелкните, чтобы увеличить).

Выражение для поля дальней зоны (область Фраунгофера) становится

Сейчас, с

и

выражение для поля области Фраунгофера из плоской апертуры теперь принимает вид

Аренда,

и

область Фраунгофера плоской апертуры принимает форму преобразования Фурье

В дальней зоне / области Фраунгофера это становится пространственным преобразованием Фурье распределения апертуры.Принцип Гюйгенса в применении к апертуре просто говорит, что картина дифракции в дальней зоне является пространственным преобразованием Фурье формы апертуры, и это прямой побочный продукт использования приближения параллельных лучей, которое идентично построению плоскости волновое разложение полей апертурной плоскости (см. Фурье-оптика).

Распространение лазерного луча

Способ изменения профиля лазерного луча по мере его распространения определяется дифракцией. Выходное зеркало лазера представляет собой апертуру, и последующая форма луча определяется этой апертурой.Следовательно, чем меньше выходной луч, тем быстрее он расходится.

Как это ни парадоксально, можно уменьшить расходимость лазерного луча, сначала расширив его с помощью одной выпуклой линзы, а затем коллимировав его с помощью второй выпуклой линзы, фокус которой совпадает с точкой фокусировки первой линзы. Полученный луч имеет большую апертуру и, следовательно, меньшую расходимость.

Получение изображений с ограничением дифракции

Основная статья: Система с ограничением дифракции

Способность системы визуализации разрешать детали в конечном итоге ограничивается дифракцией.Это связано с тем, что плоская волна, падающая на круглую линзу или зеркало, дифрагирует, как описано выше. Свет не фокусируется в точку, а образует диск Эйри с центральным пятном в фокальной плоскости с радиусом до первого нуля

.

, где λ — длина волны света, а N — число f (фокусное расстояние, деленное на диаметр) оптики формирования изображения. В пространстве объектов соответствующее угловое разрешение составляет

, где D — диаметр входного зрачка объектива формирования изображения (например,г., главного зеркала телескопа).

Два точечных источника образуют узор Эйри каждый — см. Фотографию двойной звезды. По мере того, как точечные источники приближаются друг к другу, узоры начинают перекрываться, и в конечном итоге они объединяются, образуя единый узор, и в этом случае два точечных источника не могут быть разрешены на изображении. Критерий Рэлея определяет, что два точечных источника можно считать разрешимыми, если разделение двух изображений составляет по крайней мере радиус диска Эйри, т.е.е. если первый минимум одного совпадает с максимумом другого.

Таким образом, чем больше апертура линзы и чем меньше длина волны, тем выше разрешение системы формирования изображения. Вот почему у телескопов очень большие линзы или зеркала, и почему оптические микроскопы ограничены в деталях, которые они могут видеть.

Спекл-узоры

Основная статья: пятнистый узор

Спекл-узор, который можно увидеть при использовании лазерной указки, является еще одним явлением дифракции.Это результат наложения множества волн с разными фазами, которые возникают, когда лазерный луч освещает шероховатую поверхность. Они складываются вместе, чтобы получить результирующую волну, амплитуда и, следовательно, интенсивность которой изменяются случайным образом.

Узоры

В верхней половине этого изображения показана дифракционная картина луча гелий-неонового лазера на эллиптической апертуре. Нижняя половина — это его двумерное преобразование Фурье, приблизительно восстанавливающее форму апертуры.

Можно сделать несколько качественных наблюдений за дифракцией в целом:

• Угловой интервал между элементами дифракционной картины обратно пропорционален размерам объекта, вызывающего дифракцию.Другими словами: чем меньше дифрагирующий объект, тем «шире» получается дифракционная картина, и наоборот. (Точнее, это относится к синусам углов.)
• Углы дифракции неизменны относительно масштабирования; то есть они зависят только от отношения длины волны к размеру дифрагирующего объекта.
• Когда дифрагирующий объект имеет периодическую структуру, например, в дифракционной решетке, детали обычно становятся более резкими. На третьем рисунке, например, показано сравнение рисунка с двумя прорезями и рисунка, образованного пятью прорезями, причем оба набора прорезей имеют одинаковое расстояние между центром одной прорези и следующей.

Дифракция частиц

Квантовая теория говорит нам, что каждая частица проявляет волновые свойства. В частности, массивные частицы могут интерферировать и, следовательно, дифрагировать. Дифракция электронов и нейтронов была одним из веских аргументов в пользу квантовой механики. Длина волны, связанная с частицей, равна длине волны де Бройля

.

, где h — постоянная Планка, а p — импульс частицы (масса × скорость для медленно движущихся частиц).

Для большинства макроскопических объектов эта длина волны настолько мала, что присвоение им длины волны не имеет смысла. Атом натрия, движущийся со скоростью около 30 000 м / с, будет иметь длину волны Де Бройля около 50 пикометров.

Поскольку длина волны даже для самых маленьких макроскопических объектов чрезвычайно мала, дифракция материальных волн видна только для небольших частиц, таких как электроны, нейтроны, атомы и маленькие молекулы. Короткая длина волны этих материальных волн делает их идеально подходящими для изучения атомно-кристаллической структуры твердых тел и больших молекул, таких как белки.

Было также показано, что относительно большие молекулы, такие как бакиболлы, дифрагируют. ^[14]

Дифракция Брэгга

Следуя закону Брэгга, каждая точка (или отражение ) в этой дифракционной картине образуется в результате конструктивной интерференции рентгеновских лучей, проходящих через кристалл. Данные могут быть использованы для определения атомной структуры кристалла.

Дифракция на трехмерной периодической структуре, такой как атомы в кристалле, называется дифракцией Брэгга.Это похоже на то, что происходит, когда волны рассеиваются на дифракционной решетке. Брэгговская дифракция является следствием интерференции волн, отражающихся от разных плоскостей кристалла. Условие конструктивного вмешательства задается законом Брэгга :

.

где

λ — длина волны,

d — расстояние между плоскостями кристалла,

θ — угол дифрагированной волны.

и м — целое число, известное как порядок дифрагированного луча.

Брэгговская дифракция может выполняться с использованием либо света с очень короткой длиной волны, например рентгеновских лучей, либо волн материи, таких как нейтроны (и электроны), длина волны которых порядка (или намного меньше) межатомного расстояния. ^[15] Полученный узор дает информацию о разделении кристаллографических плоскостей d , что позволяет определить кристаллическую структуру. Дифракционный контраст, в частности в электронных микроскопах и устройствах для рентгеновской топографии, также является мощным инструментом для исследования отдельных дефектов и локальных полей деформации в кристаллах.

Когерентность

Основная статья: Когерентность (физика)

Описание дифракции основывается на интерференции волн, исходящих от одного и того же источника, идущих разными путями к одной и той же точке на экране. В этом описании разница в фазе между волнами, которые прошли разные пути, зависит только от эффективной длины пути. При этом не учитывается тот факт, что волны, приходящие на экран одновременно, излучались источником в разное время.Начальная фаза, с которой источник излучает волны, может изменяться со временем непредсказуемым образом. Это означает, что волны, излучаемые источником в моменты, когда они находятся слишком далеко друг от друга, больше не могут образовывать постоянную интерференционную картину, поскольку соотношение между их фазами больше не зависит от времени.

Длина, на которой коррелируется фаза луча света, называется длиной когерентности. Для возникновения помех разница в длине пути должна быть меньше длины когерентности.Иногда это называют спектральной когерентностью, поскольку это связано с наличием в волне различных частотных компонентов. В случае света, испускаемого атомным переходом, длина когерентности связана со временем жизни возбужденного состояния, из которого атом совершил свой переход.

Если волны излучаются из протяженного источника, это может привести к некогерентности в поперечном направлении. Если смотреть на поперечное сечение луча света, длина, на которой коррелируется фаза, называется длиной поперечной когерентности.В случае эксперимента Юнга с двойной щелью это означало бы, что если длина поперечной когерентности меньше, чем расстояние между двумя щелями, результирующая картина на экране будет выглядеть как две дифракционные картины с одной щелью.

В случае таких частиц, как электроны, нейтроны и атомы, длина когерентности связана с пространственной протяженностью волновой функции, описывающей частицу. Дитрих Завиша. Франческо Мария Гримальди, Physico mathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque Annexis libri duo (Болонья («Бономия»), Италия: Витторио Бонати, 1665), стр. 2:

Оригинал : Nobis alius quartus modus illuxit, quem nunc proponimus, vocamusque; diffractionem, quia advertimus lumen aliquando diffringi, hoc est partes eius multiplici analysise separatas per idem tamen medium in diversa ulterius procdere, eo modo, quem mox declarabimus.

Перевод : Он осветил для нас другой, четвертый путь, который мы теперь делаем известным и называем «дифракция» [т. Франческо Мария Гримальди, Physico-mathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque adnexis … [Физическая математика света, цвета, радуги и других вещей прилагается …] (Болонья («Бономия») ), Италия: Витторио Бонати, 1665), стр. 1–11: «Propositio I. Lumen aggatur seu diffunditur non solum directe, refracte, ac reflexe, sed etiam alio quodam Quodam Quarto modo, diffracte». (Утверждение 1. Свет распространяется или распространяется не только по прямой линии за счет преломления и отражения, но также несколько иным четвертым путем: за счет дифракции. Christiaan Huygens, Traité de la lumiere … (Лейден, Нидерланды: Pieter van der Aa, 1690), Глава 1. Из стр. 15: «J’ay donc monstré de quelle façon l’on peut Convoir que la lumiere s’etend sequencement par des ondes spheriques, …» (Таким образом, я показал, каким образом можно представить себе, что свет распространяется последовательно сферическими волнами , …) (Примечание: Гюйгенс опубликовал свою книгу Traité в 1690 году; однако в предисловии к своей книге Гюйгенс заявляет, что в 1678 году он впервые передал свою книгу Французской Королевской академии наук. Джон М. Коули (1975) Физика дифракции (Северная Голландия, Амстердам) ISBN 0-444-10791-6

Внешние ссылки

.

No related posts.