【阅前提示】:本文大概4000字,讲述了光圈这个概念的前世今生,尽量把我所知道的一切关于光圈的事情告诉大家,不仅告诉你结论,还回答了为什么,以此作为「快门」,「ISO」三部曲的最后一篇,希望大家能够喜欢。

那个男孩子不想买一只50mm F1.2拍女朋友呢,可是到头来却只能买得起50mm F1.8。

不过有时候钱也不是问题,问题是没有女朋友。

扯远了。

为什么我们对大光圈镜头念念不忘呢,他究竟有什么魔力?

一个大家司空见惯,却又可能从未思考过的问题——

光圈大小为什么用F来表示?

我们都知道,光圈的英文Aperture,那直接用A表示就行了,A1,A2多么简单带劲,为什么找了一个F值?

作为一个无量纲量,F值

光圈大小不是一个具体的数量,是一个「比值」,没有单位,是一个无量纲量,称之为「焦比」。

F值,ƒ-number,表示为ƒ/#,简单来说,F值=焦距/光圈孔直径,有时候也标记为N,即

其中,f代表焦距,D是光圈孔直径

「ƒ/"#"」是视为单一符号,书写时数值替代符号中的#,比如焦距是光圈直径的8倍,那么ƒ值就是8,标准的写法应该ƒ/8,不过为了简单,我们直接写作F8,其实也没有什么问题。 

几乎在任何镜头上都能看到关于光圈的标识,不过一个新的问题来了,为什么现在很多镜头标识最大光圈,都是用1后边带个冒号来表示,比如ƒ/1.4,直接写作1.4不就完事了么?

这里其实只是一个标点符号的使用规范,在表述比例时(a ratio)的表示法为(1:),最常见的比如地图上的比例尺。由于光圈也是一个比值,所以也采用了这样的表述方式。

当然,也有厂家不这么表示,直接清清楚楚地写出了最大光圈值。

由于这个比值,是以孔的直径作为计算的,根据圆面积

所以通光量和光圈值是呈平方反比关系,光圈值每差一档,照度相差一倍,光圈值越小,表示进光量越大,反之亦然

所以,光圈值就是这么一串数字,相邻的光圈值相差根号2,1.4倍。

但是这样的数值在实际使用中有点太「粗糙了」,所以人们又搞出了半级光圈值和三分之一光圈值。

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顺便说一句,一直到1949年,现代的光圈值才定下来。

F值是有前辈的,均匀制

在F值被普遍采用以前,很多光圈使用U.S.(Uniform System),均匀制来标识,跟F值很类似,每改变一档U.S标定值,曝光系数加倍或者减半。第一个标定值是U.S.1,表示通光孔径为镜头焦距的1/4(相当于f/4),这是因为当时的镜头光圈都不大,F4已经算是很大的光圈了。跟F值的关系有如下的对应关系。

U.S.1=f/4;

U.S.2=f/5.6;

U.S.4=f/8;

U.S.8=f/11;

U.S.16=f/16;

……

其实不难发现,均匀制比F值的方式「直观」多了,不仅指出了大小,而且还直观表示出了变化的程度。至于为什么后来弃用了,其实你应该明白,历史的选择大多时候是不讲道理的。

精确的表示透光能力?还得看T值

现在的镜头设计其实是比较复杂的,通过镜片时,一部分光线会被吸收,即使两颗镜头拥有同样的光圈,同样的焦距,但是由于内部镜片的光学设计结构的不同,导致最后的「镜头透光量」不同。

所以要判断一颗镜头实际的透光性,就需要实拍测试,制定一个参数值作为参考。这个值即为T值,T指transmission,即「透射率」。

T-值多用于电影拍摄。而对于照片来说,重要度不如F值,毕竟两张照片间差一点点曝光也不会有大的影响。

T和F的差值,表示的就是光线在传输过程中损失的量,T值越接近F值,则证明这颗镜头的透光性越好。所以T值也可以作为衡量一颗镜头素质的参数。

DxO的镜头测评会做这项测试,感兴趣的同学可以看看。

形容快的方式

国人通常用「大小」这种大小的方式评价一颗镜头的光圈,但在摄影中,通常的说法是「快慢」。

其实背后的本质都是差不多的,毕竟大家都喜欢「又大又快」嘛。

在「上古时代」,由于工艺的限制,曝光时间最早都是按分钟小时计算的,后来感光材料发生了进步,当一颗光圈较大的镜头出现后,曝光时间可以来到几分之一秒之内,这无疑极大提升了照相机的实用性。

所以,人们就把大光圈的镜头称之为「快速镜头」或者「高速镜头」。

快的定义从来都不是一成不变的。

当时达盖尔摄影法,模特动辄就要几分钟一动不动。

大力哥说,「让我不要动,我说我不可能不动,不动我不成王八了吗?」

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1840年,Petzval人像镜头出世,最大光圈F3.6,当时人都惊呆了,光圈大就是好,不用当王八了,也可以不用架子了。

然而这东西的画质,简直就是一坨翔。

于是大家又不断地探究新的镜头结构,比如大名鼎鼎的天塞

1902年Zeiss公司开始出售Tessar镜头,其中包括用于速拍的最大光圈为6.3的Tessar系列,以及用于翻拍的最大光圈为10的Tessare系列。

F6.3,F10都是最大光圈了,都能称得上是快速镜头了。

到后来,人们一直刷新着快的定义,有一颗著名的蔡司Planar 50mm f/0.7,最早是1960年NASA为了拍摄月球背面,邀请卡尔蔡司设计的。一共生产了10支,6只NASA拿去给月球拍照了,卡尔蔡司自己留了一支,最后三支卖给了大导演库布里克,Stanley Kubrick,后者拍摄出了经典的《乱世儿女》,得益于f/0.7的大光圈,一些经典的画面仅使用了烛光进行照明。

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难道只是为了虚化

很多选择大光圈的镜头,初衷都是为了那一塌糊涂的虚化,无论是拍妹子,还是体现器材的专业性,相比于构图,色彩等,背景虚化是最容易感知的。

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645中画幅,80mm F/1.9拍摄,使用Portra 160胶片拍摄。

现在我们已经了解了,光圈越大,景深越浅,虚化效果越明显。

然而有趣的是,直到摄影术发明了三四十年后,摄影师们才慢慢意识到——

光圈和景深之间貌似存在某种联系。

可见,即使是一些显而易见的关系,想要轻易地发现,也不是很简单的。

光圈究竟是如何影响景深的呢?

你辨别不了最小的圆那就是点,弥散圆

透镜成像时,由于像差,光速并不能完美地汇聚在一点,这时候成像就好像一个扩散的圆形投影。

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但是只要这个圆足够地小,超过了人眼的辨别能力,那么这个点依旧看起来就是清晰的。这个在模糊和清晰之间的临界圆,就称之为弥散圆。

在焦点附近,光线还未聚集到一个点,点的影像也是一个模糊的圆,在一定的观察距离之内,如果这个圆的模糊人像不能辨认,那么这个不能辨认的弥散圆就称之为容许弥散圆(permissible circle of confusion)。

不同画幅面积的容许弥散圆是不同的,一般来说,弥散圆的直径与标准镜头的焦距有关,中画幅多以焦距的1/1500,135画幅的相机多以焦距的1/2000进行量定。

举个例子,35mm毫米,使用50mm镜头,按照上述计算,弥散圆直径为50/2000=0.025mm。

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注:不用厂家,不同器材之间定义可能稍微有点出入。

向来焦浅

在焦点前后,各有一个容许弥散圆,这两个弥散圆之间的距离就称之为焦深。换言之,也就是镜头的像平面两边清晰的范围。

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奈何景深

与之焦深相对的,在对焦清楚的景物前后范围内,也存在一段无法分辨清晰和迷糊的距离(看起来都是清晰的),这个范围就被称之为景深。

在固定焦距,和固定拍摄的情况下距离,光圈越小,景深越大。

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当然除了光圈之外,景深还和焦距,拍摄距离,画幅大小有关。

如果你想获得极致机身,除了一个大光圈镜头之外,还可以用长焦镜头,离静物近一些,再换一个画幅面积比较大的相机。

这样就是为了拍摄风景时,推荐使用小光圈拍摄,因为可以获得极大的景深,镜头的解析力也会增加,从而更好的表现画面的细节。

但是小光圈,却会带来一个问题。

小光圈的画质下降

光具有「波粒二象性」,而波有一种衍射的性质,具体表现为,在遇到狭缝,小孔径之类的障碍物,原本平行传播的光线就会相互影响,相互叠加或者相互抵消,从而形成一种明暗相间的光斑。

这个光斑也被称之为「爱丽斑」Airy Disc。

这种光斑出现照片上,带来的效果就是,解析力下降,画质变差。

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放大200%的图片局部,明显可以观察到,f5的画面要比f32「清晰」很多,(放大手动对焦,排除对焦影响)。

当把镜头光圈调小之后,光圈就变成一个「小孔径」。

那么多小的光圈值,会发生明显衍射?

这个值,被称之为「镜头的最小衍射光圈」,称之为DLA,指Diffraction Limited Aperture,或者称之为衍射临界光圈,都是一个意思。

那么这个最小临界衍射光圈到底是多少呢?其实也比较好计算,不想看过程的同学,可以直接跳到黑体字部分。

衍射极限公式为:

其中θ为角分辨率,λ为波长,D为光圈直径;

当θ很小时,sinθ约等于d/f,d为最小分辨率尺寸,f是焦距,代入

变换一下,

还记得我们在第一节说的f值吗?

代入

当为d为感光元件像素尺寸时,此时的ƒ/#就是衍射临界光圈。

即,最小临界衍射光圈=像素尺寸/(1.22x光波波长) 

说人话,就是,最小临界衍射光圈跟像素有关,像素越高,当感光元件总面积不变时,则每个像素的尺寸越小,这个最小临界光圈也就越小,像素密度越高的机器,越不适合用小光圈。

举个例子,现在全画幅相机最常见的像素为2400万像素,分辨率为6000*4000,画幅尺寸为36mm×24mm,稍微计算一下

最小临界衍射光圈=9.8。

当光圈小于9.8时,衍射就会对画质带来影响。

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如果你注意观察,各相机厂商的样张,尤其是高像素机型,即使是风景照,通常不会用特小光圈拍摄。

当然,为了更长的曝光时间或者更好的景深,小光圈还是有用的,光圈的选择需要你根据实际的拍摄进行取舍。

既不要过分迷恋小光圈,也不要因噎废食。

那有什么好的办法么?有,提升像素面积。

上中画幅,还不行的话,8×10在等着你,极限景深,沙姆定律可以帮你,小光圈,F64都是家常便饭。

等效光圈

有这么一种常见的场景,就是把全画幅的镜头装在APS-C的机身上。

那么他们的拍摄效果一样么?

对于焦距,想必大家已经很了解了,需要乘上一个转换系数,比如一颗佳能50mm的全画幅镜头插在APS-C的机身,乘上1.6的等效系数,拍摄的画面相当于全画幅的80mm。

其实除了焦距,这个等效系数依然作用于光圈。

p.s 常见画幅的等效系数:

  • 全画幅:1;
  • APS-C(除佳能外):1.5;
  • APS-C(佳能):1.6;
  • M43:2

还是刚才那个场景,镜头的光圈实际上相当于全画幅的 F2.8。

如果想在APS-C的机器上得到全画幅1.8的虚化效果,那么你这颗镜头的光圈至少要F1.2。

而这,也就是我们经常说的那句「底大一级压死人」,为什么这么多人心心念念想要买全画幅的原因。

也许固定不变才是未来?

我们已经说了很多光圈大小变化带来的影响,但事实上,这个星球上最多的相机,镜头所搭载的光圈都是不变的。

他就是你的手机。

如果你点开手机照片的详细信息,就可以看到他的exif信息,无论是艳阳高照下拍摄的照片,还是深夜暗光的夜景,f值是一个固定不变的值,永远是镜头的最大光圈。

当然这是由于手机受制于体积和成本,很难在镜头模组里边塞下光圈结构。但是很大一部分,对于这种小型的拍摄设

备来说,可调节光圈是没什么太大意义的。

浅景深虚化消化,人像模式,主体识别,要多虚有多虚;

慢门长曝光,堆栈解决一切;

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为了更大的景深,别闹了,手机那么高的像素密度,光圈还没小一档呢,就到极限衍射光圈了,还不如靠后期算法。

所以固定不变的光圈,有可能是未来你见到最多常态,再也不用考虑什么光圈大小。

也许光圈这个概念也会被人逐渐遗忘。

结语

光圈有可能是曝光三要素中最复杂的一个概念,与进光量,景深,画质都有关系。

同时,光圈也有可能是最快掌握摄影的途径,不论是菜鸟还是老手,只要把相机设置在光圈优先,就能完成99%的拍摄任务。

而光圈也是摄影里边引申使用最多的一个名词,有著名的《光圈》杂志(Aperture Magazine),还有苹果那已死的Aperture后期软件。

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在光圈的使用中,一定要想清楚为什么,为什么人像一定要使用最大光圈,为什么拍风景恨不得慢门至死。

一切固化的使用方式,最后的命运一定会是落于窠臼。

而快门的时间,是一个创造的过程,光圈的开合,记下了这一切。

以上。