鏡頭的最佳光圈是多少？從鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，直到今天設(shè)計(jì)上仍然存在一些難以解決的問題，如球面像差、彗形像差、像散、像場(chǎng)彎曲、畸變及色差等等，使用小光圈可以減輕球形像差和彗形像差的幅度，增加景深，抑制像散，對(duì)清晰度也有一定的改進(jìn)，但是在實(shí)際攝影中，為了最大程度的獲得較淺的景深，我們往往需要使用到較大的光圈數(shù)值。 從畫質(zhì)和實(shí)際使用上來(lái)看，這是一對(duì)無(wú)法分割的矛盾雙方，那么有沒有一個(gè)光圈數(shù)值能獲得相對(duì)最佳的畫面質(zhì)量呢？答案是肯定的。接下來(lái)我們按照影響成像質(zhì)量的相關(guān)因素展開分析，相信通過(guò)以下的分析，您應(yīng)該對(duì)鏡頭的最佳光圈有一個(gè)全面直觀的了解。 目錄如下：一、什么是“衍射效應(yīng)”？ 二、什么是“光學(xué)衍射”？ 三、什么是“衍射極限光圈”？ 四、影像傳感器像素大小對(duì)畫質(zhì)的影響 五、光圈大小對(duì)分辨率的影響 六、結(jié)論 一、什么是“衍射效應(yīng)”？學(xué)過(guò)中學(xué)物理的都知道，波（比如水波，聲波）在穿過(guò)狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播。當(dāng)波通過(guò)一個(gè)小孔的時(shí)候，孔徑越小，波束擴(kuò)散越大。下圖左邊的孔徑大，右邊的孔徑小，因此右邊的波束擴(kuò)散得更厲害。 二、什么是“光學(xué)衍射”？光也是一種波，而鏡頭的光圈本就是一個(gè)小孔，通過(guò)光圈葉片的開合控制孔徑的大小。 所以，光線通過(guò)光圈孔徑的時(shí)候，同樣會(huì)發(fā)生衍射。光線本應(yīng)聚集成一個(gè)小點(diǎn)，因?yàn)檠苌湫?yīng)擴(kuò)散，結(jié)果變成一個(gè)明暗條紋間隔的光斑，這種光斑物理學(xué)家稱之為“埃里斑”。 通過(guò)前面“衍射效應(yīng)”的講解已經(jīng)得知，孔徑越小衍射效應(yīng)越明顯。這同樣適用于鏡頭光學(xué)的衍射效應(yīng)。光圈越小，衍射效應(yīng)越嚴(yán)重，埃里斑越大。 試想一下，傳感器能夠分辨畫面中相鄰但不重疊的兩個(gè)小點(diǎn)，但由于光的衍射效應(yīng)，這兩個(gè)小點(diǎn)變成兩個(gè)光斑；光圈越小，衍射效應(yīng)越嚴(yán)重，光斑越大，后果便是光斑的邊緣會(huì)出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象，相機(jī)的影像傳感器則不能準(zhǔn)確地分辨兩個(gè)光點(diǎn)，在識(shí)別過(guò)程中會(huì)把它們當(dāng)成一個(gè)點(diǎn)，帶來(lái)的后果就是解像能力大大下降。 三、什么是“衍射極限光圈”？既然光圈的孔徑越小，光學(xué)效應(yīng)越嚴(yán)重，導(dǎo)致影像傳感器無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，出現(xiàn)畫質(zhì)損失，那么這個(gè)損失的臨界點(diǎn)或極限值在哪里呢？我們這里引入一個(gè)概念：衍射極限光圈——Diffraction Limited Aperture (DLA) 。就是說(shuō)只要光圈數(shù)值超過(guò)這個(gè)極限值，畫質(zhì)就開始明顯受損。 那么我們?cè)趺磥?lái)確定這個(gè)極限？什么樣的光圈才會(huì)影響畫質(zhì)？這和影像傳感器像素的大?。▎蝹€(gè)感光單元的大?。┖凸馊χ档拇笮∮嘘P(guān)。 四、影像傳感器像素大小對(duì)畫質(zhì)的影響（一）高像素相機(jī)不同光圈的畫質(zhì)表現(xiàn)
經(jīng)過(guò)對(duì)比，5DsR是目前主流全畫幅相機(jī)里像素最小的，在“ cambridgeincolour”網(wǎng)站上有一個(gè)計(jì)算器，可以計(jì)算出不同像素大小下，不同光圈數(shù)值的埃里斑大小。這里我們選用佳能 EOS 7D/60D 機(jī)型，因?yàn)樗鼈兊?CMOS 傳感器像素大小是４.3微米，最接近5DsR的像素直徑。 （1）光圈 f/4.0，埃里斑直徑是 5.3 微米 這個(gè)直徑包括了光斑外圍比較弱的部分。如果我們只看中間最亮部分，它的直徑小于一個(gè)像素，f/4光圈對(duì)解像力不會(huì)有可見影響。 （2）光圈 f/8.0，埃里斑直徑是 10.7 微米 這個(gè)直徑仍然包括了光斑外圍較弱的部分。如果只看中間最亮部分，可見光斑直徑稍大于一個(gè)像素。f/８光圈對(duì)解像力開始有輕微影響，但這個(gè)影響很小，肉眼不易分辨。f/８就是5DsR的衍射極限光圈。 （3）光圈 f/11，埃里斑直徑是 14.7 微米 當(dāng)光圈是f/11的時(shí)候，埃里斑的直徑中間最亮部分開始跨越1.5個(gè)像素，兩個(gè)相鄰點(diǎn)或線條現(xiàn)在可能會(huì)重疊到一起，不可分辨。解像力進(jìn)一步受損，雖然這個(gè)影響一般大家依然可以忍受。當(dāng)然，如果相機(jī)影像傳感器的像素比較大（一般情況下，像素比較低的傳感器密度相對(duì)低、單個(gè)像素點(diǎn)較大，比如前文所述的 5D Mark IV 單個(gè)像素為 5.36 微米），那么f/11大概也看不到什么衍射效應(yīng)。f/11可以算是它的衍射極限光圈。 （4）光圈 f/22，埃里斑直徑是 29.3 微米 當(dāng)光圈是f/22的時(shí)候，埃里斑中間最亮部分開始跨越9個(gè)像素，這意味著本來(lái)5000萬(wàn)像素的相機(jī)，現(xiàn)在分辨率下降到5000/9 = 555萬(wàn)；雖然分辨率的計(jì)算沒這么簡(jiǎn)單，但分辨率急劇下降，畫質(zhì)受損嚴(yán)重已經(jīng)是肉眼可見，無(wú)可爭(zhēng)辯的事實(shí)了。 以上只是從理論上解釋了像素大小對(duì)光學(xué)衍射效應(yīng)（畫質(zhì)）的影響，那么具體實(shí)拍是不是這樣呢？由于頭條幾乎都是手機(jī)用戶，實(shí)拍上傳后壓縮嚴(yán)重，手機(jī)上看不出實(shí)際效果，有興趣的朋友可以自行采用以下方法驗(yàn)證： 采用三腳架、實(shí)時(shí)取景精確對(duì)焦、鎖定對(duì)焦點(diǎn)、2秒延時(shí)或采用快門線，分別 f/8、f/11、f/16、f/22 四張照片，然后在電腦上放大 400% 加以比較，自然可以得出相關(guān)結(jié)論。 不僅135系統(tǒng)，包括中畫幅系統(tǒng)，這樣的情況也是完全一致的。因?yàn)樵趥鞲衅鞒叽绻潭ǖ那闆r下，要想增加有效像素的數(shù)量，就只有想辦法縮小單個(gè)像素點(diǎn)的大小，這是一定的。前面的講解我們是用單反系統(tǒng)中最高像素的 5DsR 為例子，即便中畫幅的飛思系統(tǒng)，其自身也給出了一億像素的數(shù)碼后背在不同光圈下的變現(xiàn)，結(jié)論是：f/8清晰，f/11開始畫質(zhì)下降， f/16畫質(zhì)損失很明顯， f/22相當(dāng)糟糕。 （二）低像素相機(jī)極小光圈的畫質(zhì)表現(xiàn) 前面我們是以135系統(tǒng)中像素最高的佳能 5DsR為例，說(shuō)明不同的光圈數(shù)值下光學(xué)衍射對(duì)畫質(zhì)的影響。那么有的同學(xué)會(huì)講了，如果是低像素的相機(jī)呢，接下來(lái)我們來(lái)看看老古董 EOS 5D（8.2微米像素直徑），光圈數(shù)值 f/22 的情況下，結(jié)論會(huì)是怎樣呢？ 從上圖可以看出，EOS 5D 這個(gè)古董相機(jī)的像素直徑是 5DsR 的近４倍。f/22對(duì)5D的影響，約等于 f/13-f/16 對(duì) 5DsR 的影響，所以 f/22 雖然不是最佳光圈，但還是在可用的范圍。 所以，我們可以得出結(jié)論：相機(jī)傳感器像素與衍射效應(yīng)的關(guān)系是：像素越小，像素密度越高，受衍射效應(yīng)的影響就越嚴(yán)重。 五、光圈大小對(duì)分辨率的影響同樣的光圈值，在不同焦距下，其物理孔徑大小是不一樣的，衍射效應(yīng)是不是一樣的呢？答案是肯定的，根據(jù)相關(guān)測(cè)評(píng)，無(wú)論哪一枚鏡頭，光圈大小和埃里斑直徑直接相關(guān)。我們?nèi)匀慌e例說(shuō)明，下圖是 DPReview 的佳能 EF 16-35 III + 5DsR 的評(píng)測(cè)：
從 16mm 端和 35mm 端的分辨率變化趨勢(shì)來(lái)看（尤其是從 f/11 到 f/22 的變化），不管是16mm 還是 35mm 端，其趨勢(shì)相當(dāng)一致，鏡頭中央分辨率同樣受到衍射極限的限制。顯然，針對(duì)這枚鏡頭來(lái)說(shuō) f/5.6 時(shí)中心銳度最高，但邊緣分辨率明顯不足；縮小到 f/8，畫面中心銳度稍有下降，但邊緣分辨率明顯提高；縮小到f/11, 畫面中心銳度進(jìn)一步下降。 考慮到廣角風(fēng)光攝影中一般情況下都需要拍攝前景，那么 f/5.6 景深不夠，而且邊緣分辨率也比較差，因此最好的光圈還是 f/8 左右，再加上后期衍射補(bǔ)償，我們依然能最大限度利用這個(gè)鏡頭的最佳分辨率；如果實(shí)在需要更大的景深，光圈放到 f/11 后期衍射補(bǔ)償（這里不做展開討論）也不是可以，所以我們一般認(rèn)為這枚廣角鏡頭在風(fēng)光攝影時(shí)的最佳光圈為 f/8 - f/11。 如果風(fēng)光攝影中你用到這樣的光圈還覺得景深不夠，那怎么辦？那就只能“景深合成”。關(guān)于景深合成的部分，在我的微頭條中已經(jīng)有過(guò)介紹，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，這里也不再詳細(xì)論述。 六、結(jié)論綜上所述，數(shù)碼相機(jī)的最佳光圈不僅僅與鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)（孔徑選擇閉合的大?。?，也與影像傳感器的大小（像素密度、單個(gè)像素單元的大?。┯嘘P(guān)。影像傳感器越小的系統(tǒng)，最佳光圈的位置越接近最大光圈，反之；影像傳感器越大的系統(tǒng)，最佳光圈的位置越接近 f/8 和 f/11。同時(shí)，無(wú)論哪個(gè)系統(tǒng)和哪枚鏡頭，最小光圈的分辨率都處于最低水平。 參考文獻(xiàn)： [1] 于琪林.銳頭的實(shí)用性能測(cè)試對(duì)比分析—關(guān)于鏡頭的最佳光圈和最佳分辨率(下)[J].攝影與攝像,2001(10):32-33. [2] 朱春平.數(shù)碼相機(jī)鏡頭窺秘(1)[J].攝影與攝像,2005(6):11-14. [3] 數(shù)字時(shí)代 最佳光圈之謎[J].中國(guó)攝影,2008(第5期):106. [4] 陸海峰.如果光圈不能決定景深?—也談像素壓力下的“最佳光圈”[J].中國(guó)攝影,2008(第7期):130. [5] 楊亮亮,崔慶豐,劉濤,薛常喜.衍射光學(xué)元件衍射效率的測(cè)量[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2012(04):159-164. [6 ]黃金仙.光的衍射應(yīng)用研究[J].通訊世界,2015,No.283(24):317-318. [7] 袁鑫淼.淺談光的衍射[J].科技風(fēng),2017(20):191-191. F17映畫社 —— 每日發(fā)布圖集分享全球頂級(jí)攝影師的精美作品！ 用微頭條的方式持續(xù)分享攝影相關(guān)的器材、技巧、后期知識(shí)！ 期待您的點(diǎn)贊，更期盼您關(guān)注！
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