镜头的最佳光圈是多少？从镜头的光学结构上来说，直到今天设计上仍然存在一些难以解决的问题，如球面像差、彗形像差、像散、像场弯曲、畸变及色差等等，使用小光圈可以减轻球形像差和彗形像差的幅度，增加景深，抑制像散，对清晰度也有一定的改进，但是在实际摄影中，为了最大程度的获得较浅的景深，我们往往需要使用到较大的光圈数值。 从画质和实际使用上来看，这是一对无法分割的矛盾双方，那么有没有一个光圈数值能获得相对最佳的画面质量呢？答案是肯定的。接下来我们按照影响成像质量的相关因素展开分析，相信通过以下的分析，您应该对镜头的最佳光圈有一个全面直观的了解。 目录如下：一、什么是“衍射效应”？ 二、什么是“光学衍射”？ 三、什么是“衍射极限光圈”？ 四、影像传感器像素大小对画质的影响 五、光圈大小对分辨率的影响 六、结论 一、什么是“衍射效应”？学过中学物理的都知道，波（比如水波，声波）在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播。当波通过一个小孔的时候，孔径越小，波束扩散越大。下图左边的孔径大，右边的孔径小，因此右边的波束扩散得更厉害。 二、什么是“光学衍射”？光也是一种波，而镜头的光圈本就是一个小孔，通过光圈叶片的开合控制孔径的大小。 所以，光线通过光圈孔径的时候，同样会发生衍射。光线本应聚集成一个小点，因为衍射效应扩散，结果变成一个明暗条纹间隔的光斑，这种光斑物理学家称之为“埃里斑”。 通过前面“衍射效应”的讲解已经得知，孔径越小衍射效应越明显。这同样适用于镜头光学的衍射效应。光圈越小，衍射效应越严重，埃里斑越大。 试想一下，传感器能够分辨画面中相邻但不重叠的两个小点，但由于光的衍射效应，这两个小点变成两个光斑；光圈越小，衍射效应越严重，光斑越大，后果便是光斑的边缘会出现重叠的现象，相机的影像传感器则不能准确地分辨两个光点，在识别过程中会把它们当成一个点，带来的后果就是解像能力大大下降。 三、什么是“衍射极限光圈”？既然光圈的孔径越小，光学效应越严重，导致影像传感器无法准确识别，出现画质损失，那么这个损失的临界点或极限值在哪里呢？我们这里引入一个概念：衍射极限光圈——Diffraction Limited Aperture (DLA) 。就是说只要光圈数值超过这个极限值，画质就开始明显受损。 那么我们怎么来确定这个极限？什么样的光圈才会影响画质？这和影像传感器像素的大小（单个感光单元的大小）和光圈值的大小有关。 四、影像传感器像素大小对画质的影响（一）高像素相机不同光圈的画质表现
经过对比，5DsR是目前主流全画幅相机里像素最小的，在“ cambridgeincolour”网站上有一个计算器，可以计算出不同像素大小下，不同光圈数值的埃里斑大小。这里我们选用佳能 EOS 7D/60D 机型，因为它们的 CMOS 传感器像素大小是４.3微米，最接近5DsR的像素直径。 （1）光圈 f/4.0，埃里斑直径是 5.3 微米 这个直径包括了光斑外围比较弱的部分。如果我们只看中间最亮部分，它的直径小于一个像素，f/4光圈对解像力不会有可见影响。 （2）光圈 f/8.0，埃里斑直径是 10.7 微米 这个直径仍然包括了光斑外围较弱的部分。如果只看中间最亮部分，可见光斑直径稍大于一个像素。f/８光圈对解像力开始有轻微影响，但这个影响很小，肉眼不易分辨。f/８就是5DsR的衍射极限光圈。 （3）光圈 f/11，埃里斑直径是 14.7 微米 当光圈是f/11的时候，埃里斑的直径中间最亮部分开始跨越1.5个像素，两个相邻点或线条现在可能会重叠到一起，不可分辨。解像力进一步受损，虽然这个影响一般大家依然可以忍受。当然，如果相机影像传感器的像素比较大（一般情况下，像素比较低的传感器密度相对低、单个像素点较大，比如前文所述的 5D Mark IV 单个像素为 5.36 微米），那么f/11大概也看不到什么衍射效应。f/11可以算是它的衍射极限光圈。 （4）光圈 f/22，埃里斑直径是 29.3 微米 当光圈是f/22的时候，埃里斑中间最亮部分开始跨越9个像素，这意味着本来5000万像素的相机，现在分辨率下降到5000/9 = 555万；虽然分辨率的计算没这么简单，但分辨率急剧下降，画质受损严重已经是肉眼可见，无可争辩的事实了。 以上只是从理论上解释了像素大小对光学衍射效应（画质）的影响，那么具体实拍是不是这样呢？由于头条几乎都是手机用户，实拍上传后压缩严重，手机上看不出实际效果，有兴趣的朋友可以自行采用以下方法验证： 采用三脚架、实时取景精确对焦、锁定对焦点、2秒延时或采用快门线，分别 f/8、f/11、f/16、f/22 四张照片，然后在电脑上放大 400% 加以比较，自然可以得出相关结论。 不仅135系统，包括中画幅系统，这样的情况也是完全一致的。因为在传感器尺寸固定的情况下，要想增加有效像素的数量，就只有想办法缩小单个像素点的大小，这是一定的。前面的讲解我们是用单反系统中最高像素的 5DsR 为例子，即便中画幅的飞思系统，其自身也给出了一亿像素的数码后背在不同光圈下的变现，结论是：f/8清晰，f/11开始画质下降， f/16画质损失很明显， f/22相当糟糕。 （二）低像素相机极小光圈的画质表现 前面我们是以135系统中像素最高的佳能 5DsR为例，说明不同的光圈数值下光学衍射对画质的影响。那么有的同学会讲了，如果是低像素的相机呢，接下来我们来看看老古董 EOS 5D（8.2微米像素直径），光圈数值 f/22 的情况下，结论会是怎样呢？ 从上图可以看出，EOS 5D 这个古董相机的像素直径是 5DsR 的近４倍。f/22对5D的影响，约等于 f/13-f/16 对 5DsR 的影响，所以 f/22 虽然不是最佳光圈，但还是在可用的范围。 所以，我们可以得出结论：相机传感器像素与衍射效应的关系是：像素越小，像素密度越高，受衍射效应的影响就越严重。 五、光圈大小对分辨率的影响同样的光圈值，在不同焦距下，其物理孔径大小是不一样的，衍射效应是不是一样的呢？答案是肯定的，根据相关测评，无论哪一枚镜头，光圈大小和埃里斑直径直接相关。我们仍然举例说明，下图是 DPReview 的佳能 EF 16-35 III + 5DsR 的评测：
从 16mm 端和 35mm 端的分辨率变化趋势来看（尤其是从 f/11 到 f/22 的变化），不管是16mm 还是 35mm 端，其趋势相当一致，镜头中央分辨率同样受到衍射极限的限制。显然，针对这枚镜头来说 f/5.6 时中心锐度最高，但边缘分辨率明显不足；缩小到 f/8，画面中心锐度稍有下降，但边缘分辨率明显提高；缩小到f/11, 画面中心锐度进一步下降。 考虑到广角风光摄影中一般情况下都需要拍摄前景，那么 f/5.6 景深不够，而且边缘分辨率也比较差，因此最好的光圈还是 f/8 左右，再加上后期衍射补偿，我们依然能最大限度利用这个镜头的最佳分辨率；如果实在需要更大的景深，光圈放到 f/11 后期衍射补偿（这里不做展开讨论）也不是可以，所以我们一般认为这枚广角镜头在风光摄影时的最佳光圈为 f/8 - f/11。 如果风光摄影中你用到这样的光圈还觉得景深不够，那怎么办？那就只能“景深合成”。关于景深合成的部分，在我的微头条中已经有过介绍，操作相对简单，这里也不再详细论述。 六、结论综上所述，数码相机的最佳光圈不仅仅与镜头的光学结构有关（孔径选择闭合的大小），也与影像传感器的大小（像素密度、单个像素单元的大小）有关。影像传感器越小的系统，最佳光圈的位置越接近最大光圈，反之；影像传感器越大的系统，最佳光圈的位置越接近 f/8 和 f/11。同时，无论哪个系统和哪枚镜头，最小光圈的分辨率都处于最低水平。 参考文献： [1] 于琪林.锐头的实用性能测试对比分析—关于镜头的最佳光圈和最佳分辨率(下)[J].摄影与摄像,2001(10):32-33. [2] 朱春平.数码相机镜头窥秘(1)[J].摄影与摄像,2005(6):11-14. [3] 数字时代 最佳光圈之谜[J].中国摄影,2008(第5期):106. [4] 陆海峰.如果光圈不能决定景深?—也谈像素压力下的“最佳光圈”[J].中国摄影,2008(第7期):130. [5] 杨亮亮,崔庆丰,刘涛,薛常喜.衍射光学元件衍射效率的测量[J].光学学报,2012(04):159-164. [6 ]黄金仙.光的衍射应用研究[J].通讯世界,2015,No.283(24):317-318. [7] 袁鑫淼.浅谈光的衍射[J].科技风,2017(20):191-191. F17映画社 —— 每日发布图集分享全球顶级摄影师的精美作品！ 用微头条的方式持续分享摄影相关的器材、技巧、后期知识！ 期待您的点赞，更期盼您关注！
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