什么是光学镜头的光圈定义解释

2019-04-13 18:20:30 162

     发布到现在已经有仅一个月的时间了。真不是ET存心偷懒,只是中间的春节长假和CP+影像器材展都分散了很多注意力。写这种文章确实要查阅很多资料,所以不能像播报新闻一样信手拈来,更新速度也就不会太快。不过大家放心,ET会把『同初学者谈谈镜头选购』这个系列坚持写下去的。

蔡司, Zeiss, 50 0.7
蔡司公司在1966年专为NASA设计制造的Planar T* 50mm F0.7镜头

『什么是光圈』
  『光圈』是镜头内部一个可以控制通光孔径的结构,通常由多个叶片组成(为了与消费类数码相机、数码摄像机上的『猫眼』结构、ND镜控制方式区分,这种多叶片光圈又被称为『虹膜光圈』)。光圈可以改变通光镜头达到感光材料的光线强度,从而达到影响曝光时间等目的。此处,光圈是镜头的一项物理结构

光圈叶片
手动镜头的光圈叶片较多(上图所示镜头共有16片)
而目前的自动镜头光圈叶片通常为6-9片

  我们使用『相对孔径』来描述镜头的通光量,而相对孔径=镜头物理焦距÷通光孔径的直径。相对孔径通常为称为『光圈系数』(f-stop,注意是小写的f),或简称『光圈』。此处,光圈是曝光过程中的一项参数

光圈值, 镜头速度
图中红圈处所示即为拍摄时选择的光圈大小。

『光圈的表示』
  在照相机镜头上,通常都以『f/x』的方式标注镜头的最大通光量。对于变焦镜头,如果在改变焦距的过程中,最大通光量会发生改变,则以『f/a-b』的方式标注镜头在广角端(焦距最小时)和长焦端(焦距最大时)分别能达到的最大通光量。而在相机上,通常以『Fx』的方式表示曝光时的相对孔径大小,这里F与f是互为倒数的。事实上,现在一些厂商也开始用『Fx』的方式标注镜头的最大通光量。(x、a、b均为数字,且a小于b)

光圈, 通光孔径
各级光圈孔径示意图。

  标准光圈是按照√2(根号2)倍递增的,从小到大依次为:f1.0、f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22……而如果以『Fx』的方式进行表示,则需要注意F后面的数字越小,镜头的通光量越大。大于F1.0的镜头也是存在的,比如题图那只蔡司镜头。

『光圈的计算』
  前面提到了光圈的计算公式,以50mm F1.4镜头为例,物理焦距为50mm、最大光圈F1.4,所以通光孔径的直径应为35.7mm。需要说明的是,这个数值只表示光圈叶片结构的直径,而与镜头本身的直径或滤镜口径没有直接关系(当然,要保证镜头直径大于通光孔径直径)。对于一只50mm镜头,只要通光孔径达到了35.7mm,那么它的最大光圈就可以达到F1.4。无论镜头口径是49mm、58mm或是77mm,相同物理焦距、相同通光孔径直径的镜头,其以相对孔径方式表示的通光量是相同的

50mm, F1.4
(左起)适马、佳能、尼康、宾得的50mm F1.4镜头

  以F值表示的镜头通光量只是一个相对数值,在实际应用中,镜片的通光性、拍摄距离等因素都会改变实际通光量。所以我们还能在一些镜头(通常为电影镜头)上见到另一种光圈表示方式:T值。T值表示了经过镜头后的实际到达感光元件的光线强度,又称为『传输光圈』。以索尼/美能达系统所独有的『135mm F2.8(T4.5)STF』镜头为例,这只镜头由于镜组内包含有特殊的APD光学元件,所以虽然相对孔径达到了F2.8,但实际通光量仅为F4.5。

美能达, Minolta, 135mm, STF
除了APD元件外,美能达135STF还拥有两组光圈叶片。

『光圈的作用』
  光圈可以控制曝光量,比如在光线不足的情况下,我们可以通过扩大光圈,提高快门速度,从而达到避免拍摄时抖动而让画面模糊的目的。不过,这种做法也并非万能的,原因就在于光圈的另外一个作用:控制景深。

  景深,就是照片中相对拍摄者,在前后方向上清晰影像的距离范围。影响景深的因素有画幅、对焦距离、物理焦距和光圈大小,并且光圈越大、景深越小,光圈越小、景深越大。很多初学者就是因为追求背景虚化人像而购买单反相机的,但同样的道理,一些情况下却也很被保证拍摄主体的绝大部分是清晰的。假如我们使用佳能EOS 550D数码单反相机配EF-S 50mm F1.8镜头,以F2.8的光圈拍摄距离为1m的小婴儿,此时的景深只有不足3cm。(使用更大的光圈,或以更近的距离进行拍摄,景深范围还会进一步缩小)即使对焦非常准确、曝光时没有抖动,也很难保证婴儿从鼻尖到眼睛全部正处于清晰范围内。同样的道理,在拍摄静物、风光等题材时,通常也不会使用太大的光圈。关于景深计算,可可以点击此处跳转到在线景深计算器。

『光圈与画质』
  在传统观念中,通常在收缩2-3级光圈后,镜头才能达到最佳画质,这是由于制造成本和光学原理所造成的。不过,随着镜头设计和制造技术的发展,一些变焦镜头已经能在靠近最大光圈时达到最佳画质。这就提醒广大摄影初学者,不要为了追求大光圈而购买一些年代久远的老镜头。如果一款F2的老镜头需要收缩到F5.6到最佳画质,而一款最大光圈F3.5的新镜头也能在F5.6达到近似的画质,那么购买这样一款老镜头就并不很划算。事实上,无论是佳能、尼康,还是宾得、索尼,新一代的18-55mm F3.5-5.6套装镜头,其素质已经比很多有着三四十年代历史的所谓大光圈定焦镜头在相同光圈下的画质更好。

  收缩光圈可以提升画质,改善四角失光等现象,但需要注意的是,光圈也并非越小越好。随着通光孔径收缩,光在通过这个孔径时的衍射现象就愈发明显。当衍射波的波长足以覆盖一个像素时,画质就会出现明显恶化。与这个有关的是感光元件的像素密度,135全画幅感光元件的像素密度较低,因此通常能使用的最小光圈是F16;而对于目前逼近2000万像素的APS-C画幅机型,最好不要使用比F11更小的光圈进行拍摄。

『光圈与焦外』
  对于不少摄影初学者所追求的背景虚化人像照片,除了虚化程度外,虚化的美感也是应该关注的,这就是所谓焦外画质。而所谓『圆形光圈』就能让光圈叶片在收缩2-3级时依然保持接近正圆型,从而形成更圆润的点光源虚化效果。当然,同样是圆形光圈,圆润的程度与光圈叶片数量还是有所差别的。叶片数较多的通常更加圆润,也容易在小光圈拍摄时带来更好看的星芒效果。

光圈, 星芒
光圈叶片为奇数,所形成的星芒是光圈叶片数的2倍
光圈叶片为偶数,所形成的星芒与光圈叶片数相同

  关于焦外画质这一点,恕ET摄影经验有限无法详细展开,只是提醒大家注意,并非光圈越大焦外虚化的美感越好,有些大光圈镜头在全开时,焦外是比较难看的。

光圈, 焦外, bokeh
某款廉价大光圈定焦镜头的焦外表现

  虽然大光圈能在拍摄弱光环境时提升快门速度,又或者在拍摄人像、小品时实现背景虚化的效果,但初学者也应该根据自己的实际需要出发,不能盲目选择大光圈特别是廉价大光圈镜头。对于专业摄影师,大光圈特别是恒定光圈的变焦镜头,能在应对不同拍摄环境和拍摄题材时提高拍摄成功率,但这类镜头的价格往往比较高昂。特别是当光圈达到F2.8以后,每向前进一步所需要的花费就更多,确实需要大家理性进行选择。


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