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镜头最佳光圈之谜  

2012-03-22 23:32:03|  分类: 摄影 |  标签: |举报 |字号 订阅

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转自《中国摄影》杂志 2008年 第五期)

数字时代——最佳光圈在何处

光圈,除了控制通光量和景深外,还有一个重要的功能就是影响着图像的素质。
我们因为工作的原因,有机会接触许多摄影师,了解他们的拍摄习惯和方式。出于好奇,也会询问他们使用什么数字相机,常用哪挡光圈等等。绝大多数人被问到这一点时,都会肯定地说:在可能的情况下当然是f/8或f/11,因为这两挡光圈成像最好!
果真如此吗?我们将这些摄影师随身常用的数字相机收罗来,在实验室中进行了一番测试。结果发现:许多数字相机,尤其是小型数字相机的最佳光圈并非f/8或f/11。

最佳光圈在何处?

在胶片时代,摄影人通常认为从最大光圈处收缩两、三档是该镜头的“最佳光圈”(分辨率最高)。国内外权威机构发表的镜头评测数据也反反复复验证了这种说法。因此,F/8或F/11就成了高质量影像的保障。

最大光圈几乎就是最佳光圈

进入数字时代,过去的“金科玉律”发生了变化,人们发现一些小DC(数字相机)在P档曝光模式下,相机默认的光圈总是最大或较大。我们测试后也发现,多数小DC在最大光圈时竟然成像最为优异,缩小两、三档光圈后成像素质反而明显下降

小DC大光圈时成像优于小光圈,其他画幅的相机又是如何?

为了探寻到更多数字相机最佳光圈的分布规律,我们测试了各种画幅的40多款数字相机(镜头),结果是:小DC的最佳光圈多数为最大光圈;4/3系统的镜头最佳光圈多位于最大光圈缩小一档的位置;APS-C画幅的数字单反相机,镜头分辨率高峰多出现在从最大光圈缩小两、三档位置;全画幅数字单反相机加上专业镜头,各档光圈成像都很优异,最佳光圈多处在从最大光圈缩小两、三档位置
我们似乎找寻到这样一种规律:数字相机最佳光圈的位置与影像传感器的大小有关,面积越小的系统,最佳光圈的位置越接近最大光圈;反之,面积越大,最佳光圈的位置越接近F/8和F/11。此外,测试结果也得到这样一个事实,无论哪个系统和哪款镜头,最小光圈分辨率都处于最低水平



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要说最佳光圈,首先的说画质。画质最重要的指标就是分辨率、色彩。

 

最早的理解是,光圈越小,画质越好。(错。这个跟景深的关系搞混了。)

 

后来听说最佳光圈是该镜头最大光圈缩小2挡。即大部分镜头是f5.6~f8。

 

那为什么不是最大光圈?因为最大光圈成像时,整个镜片的中心和边缘处都对成像做出贡献。特别是镜片边缘,由于存在球差和慧差(相关概念可以百度),所以导致画质下降。那么,按照这种理论,光圈越小,参与成像的镜片越是集中在镜片中央,那应该画质更好。猜想,这个时候可能是小光圈导致衍射的效果开始明显,导致分辨率开始下降。

 

所以,光圈越大,球差、彗差和色差造成的影响越大;光圈越小,衍射的影响越大。那么在光圈调节范围内,必定有一个折衷的位置。在这个位置,球差、彗差、色差和衍射的综合影响最小,光学分辨率也最高,这个位置就是被称作的“最佳光圈”。

关于更深入的内容可参照钱元凯先生的《数字相机的光圈与摄影分辨率的关系》,可在

http://bbs.chinaunix.net/viewthread.php?tid=1166176

这里4楼有所阐述。


 在数字相机中随着芯片像素量的增加,两个相邻像元的间距也越来越小,感光材料的分辨率开始影响摄影的综合分辨率了。像元的间距可以用计算图(图3)查出,以松下FZ18数字相机为例:在横轴上找出1/2.5英寸的感光芯片的面积或规格,并通过此点引垂线,与表示芯片800万总像素量(可以近似用有效像素量代替)的斜线相交,从交点引水平线至左边的纵轴即可求出像元的间距μ为1.6(微米)。由于1毫米=1000微米,因此每个芯片的理论分辨率NO=1000/μ(像素/mm)=1000/2μ(线对/mm)。 
例1:松下FZ18,1/2.5英寸芯片,800万像素,μ=1.6微米,N0= 310线对/mm。
例2:佳能G9,1/1.7英寸芯片,1200万像素,μ=2微米,N0= 250线对/mm。
例3:索尼α-350,23.5×15.6mm芯片,1420万像素,μ=5微米,N0=98线对/mm。
例4:尼康D3 36×23.9mm芯片,1280万像素,μ=8,2微米,N0=61线对/mm。
例5:佳能1DSMarkⅢ,36×24mm芯片,2100万像素,μ=6.4微米,N0=78线对/mm。
    与附表对照不难发现FZ18用f/4.5的光圈;G9用f/5.6的光圈;α-350用f/16的光圈;D3用f/22的光圈,1DS Mark Ⅲ用f/19的光圈时,由于艾里斑的半径已经与像元的间距几乎相同,导致一个光斑可能在两个像元上成像,处于极限状态(图2)。一旦光圈再缩小,艾里斑将大于像元间隔,分辨率将恶化。这个结论早已为数字相机分辨率的测试所证明了。
(表2)各种典型数字相机的临界光圈值

从以上分析可以得到几个结论:

1.在数字相机中不可盲目使用小光圈,一旦光圈小于临界值,分辨率将明显恶化。
2.虽然生产工艺可以造出极高像素的芯片,但是受光线衍射与镜头光学像差的限制,数字相机的芯片像素不可能无限提高。
3.随着像素的增加导致像元间隔的减少,大孔径时的镜头像差与小孔径下的衍射将成为影响像质的主要矛盾,导致镜头实际分辨率不能随像素量的增加同步增长:使得购买高像素的投入得不到相应的回报。反之高像素使像元面积锐减反而会延长处理时间、增加噪点、减少动态范围,导致像质恶化。因此像素达到一定程度之后,如果影像不准备高倍放大(例如不超过24英寸),现在超过1000万像素的数字单反对于业余爱好者与多数职业摄影师已经够用了。今后我们应更关心相机高感光度的降噪、芯片的动态范围,液晶屏的显示质量(屏幕的色彩还原精度与动态范围)、调焦精度、速度与可靠性等更深层次的技术指标了。

表2注:
1.表中分辨率的单位是线对/mm。
2.表中的“理论分辨率”是指由像元间隔决定的芯片可能达到的极限分辨率NO。
3.表中的“临界光圈”是指艾里半径与理论分辨率相同的最小光圈值。
4.红光的波长更长,艾里半径更大,因此拍摄以红色为主调的题材时应比本表再开大半挡光圈。
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