聊聊镜头的光圈
夏昆冈 刘恩惠 于 2024.02.26 20:16:03 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:10.00/180

虽然很久没写相机相关的内容,但也经常有读者私下咨询相机购买事宜,对于初学者来说,光圈的概念容易让人迷糊,这篇就来聊聊聊聊镜头的光圈。

什么是光圈?

光圈是什么?如果我们将镜头视为“小孔成像”中“小孔”的载体,那么光圈就是小孔的具体开孔大小。光圈既是一个参数也是一个部件。光圈叶片通常安装在镜头内,是一组重叠设计的片状体,其中央形成一个面积大小可灵活调节的多边形孔洞,进入的光线只有先通过这个孔才有机会传递到镜头后方的感光材料上。用生活中的例子来作比喻,光圈叶片就好比是一个自来水阀门,但它不会完全封闭。

光圈叶片通过开孔口径来控制进光量,这种关系如何表达呢?按照惯例,光圈系数采用比例值记法,记作f/n,例如 f/2.8,非严谨的的表达也会直接去掉分号,记作f2.8也不会产生歧义。其运算公式如下:镜头的最大光圈系数=镜头有效口径/镜头焦距。有效口径可以理解为镜筒内径,其大小决定了通光量,而焦距长短则影响了镜筒的长度,最终通过镜头的实际光强由这两个因素共同作用而得。需要强调的是,这里所定义的有效口径与镜头上标注的滤镜口径是两个概念,不可混淆。

当镜头焦距与自身有效口径相同时,两者比值为1:1,此时光圈系数即为1:1,f值则记作f/1.0;但大多数情况下,镜头有效口径通常小于焦距值,如两者间比值为1:1.4,那么其最大光圈系数即为f/1.4。对于光圈系数而言,其f值越小,进光量越大;f值越大,进光量反而越小;在其他条件均相同的前提下,f/1.0的进光量大于f/1.4;对此初学者一定要牢记。基于圆面积计算公式“πr²”,我们来具体测算一下两者间的光量差:

  • f/1.0光圈的进光量=[f/(1/2)]×[f/(1/2)]×π
    f/1.4光圈的进光量=[f/(1.4/2)]×[f/(1.4/2)]×π
    整理后可得出两者之比为 (1×1):(1.4×1.4)=1:1.96≈1:2
    结论——在其他参数均等的前提下,f/1.0的进光量比f/1.4时多一倍

常见的光圈f值有f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22、f/32等,这些都叫做整级光圈。相邻的两个整级光圈的平方值相差约一倍左右,进光量也基本相差一倍;通常习惯下将f/2.8以上视为大光圈。大部分镜头控制光圈遵循固定档位,也有少部分手动镜头可以实现光圈大小的无级控制。

  • 对于一款镜头而言,光圈系数有最大、最小两个主要指标。厂商在镜头的型号上除了标明焦距、焦距范围之外,通常也会注明其最大光圈系数或系数范围。

    光圈越大,体积越大

  • 由于大光圈需要靠增加镜头有效口径来实现,这是物理规则,因此同焦距、同类别镜头内,最大光圈系数较大的型号往往外形体积也相应较大。用料、成本、设计难度都会更高,所以最大光圈的大小成了简单分辨镜头档次的重要参数。需要说明的是,定焦镜头没有变焦的机械结构,整体结构更加简单,获得大光圈的成本更低,所以不少品牌都有最大光圈在f/1.8左右的廉价大光圈定焦镜头;而变焦镜头通常达到最大f/2.8就可算高档产品了;以光圈大小论产品档次只在同类别同焦距镜头内才有比对意义。

    大光圈的意义

    上古时代的大光圈,就是为了提升进光量,缩短曝光时间的目的而生的,所以也叫高速镜头。

    制造商=OLYMPUS;型号=PEN-F;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F1.2;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=高;锐度=强;曝光补偿=-1.3EV;曝光时间=1/160秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2016.04.07 13:06:42
    制造商=OLYMPUS;型号=PEN-F;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F1.2;测光模式=模式;感光度=ISO125;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/8000秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2016.03.24 14:40:23
    制造商=OLYMPUS;型号=E-M5MARKII;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=SOOMAL;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F1.2;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=手动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-1.3EV;曝光时间=1/25秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2015.09.11 15:04:17
    制造商=OLYMPUS;型号=E-M5MARKII;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=SOOMAL;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F1.2;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=高;锐度=标准;曝光补偿=-1.3EV;曝光时间=1/50秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2015.09.11 15:59:49
    摄影师=绘红颜 制造商=OLYMPUS;型号=E-M5MARKII;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;焦距=43毫米;光圈=F1.2;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=高;锐度=强;曝光补偿=-1.7EV;曝光时间=1/1600秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2015.05.17 09:52:53
    制造商=OLYMPUS;型号=E-M5MARKII;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=SOOMAL;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F1.2;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=手动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/1250秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2015.09.02 16:32:08

    光圈还能影响景深深浅,即俗称的虚化,在相同的拍摄场景中,拍摄距离保持不变,光圈越大,焦内焦外虚化就越更明显,从而可以与被摄主体形成更为强烈的虚实对比,烘托主体。

    更短的曝光速度加上浅景深,让大光圈魅力加倍,也让大光圈也成了最容易注水的参数,在售不少大光圈镜头在最大大光圈下的成像质量堪忧,大光圈的意义变成了促销,只是为了图一个好听的参数,这些镜头通常需要缩光圈来提升成像质量,最大光圈是摆设,没有实用价值。

    为什么要缩光圈

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    制造商=OLYMPUS;型号=E-M1;镜头=LUMIX G 20/F1.7 II;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=20毫米;光圈=F16.0;测光模式=模式;感光度=ISO100;白平衡=自动;对比度=高;饱和度=高;锐度=强;曝光补偿=-0.7EV;曝光时间=4/1秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2014.03.31 19:06:26
    制造商=OLYMPUS;型号=E-PL5;镜头=OLYMPUS M.75mm F1.8;版权=SOOMAL;摄影师=Kungang;焦距=75毫米;光圈=F14.0;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=手动;对比度=标准;饱和度=高;锐度=标准;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=20/10秒;曝光程序=手动模式;场景类型=标准;日期=2013.08.30 19:10:40

    光圈小则进光量小,在保证正确曝光的前提下,缩小光圈需要更长的曝光时间来弥补,两者是完全反比关系,在拍摄车水马龙、光绘、毛玻璃水面等这类场景时,就需要将光圈缩小到合适的范围。如果在晴天场景,也想拍类似效果,该怎么办,答案是使用合适的ND[Neutral Density Filter]镜片,又称减光镜。我们曾经发布过《一起来长曝糖水系 》[作者:夏昆冈 ] 一文,可以参考。

  • 使用 Lumix Leica DG Macro-Elmarit 45mm F2.8 ASPH.定焦微距镜头拍摄。 制造商=OLYMPUS;型号=E-P3;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=45毫米;光圈=F3.5;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=高;锐度=强;曝光补偿=1.0EV;曝光时间=1/400秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2012.06.27 14:26:11
  • 在微距拍摄时,也经常需要缩小光圈,避免出现景深过浅,在微距拍摄昆虫时,为了让虫子更清晰的呈现体态,会使用到f/5.6甚至更小的光圈,曝光时间太长如何处理?通常是配合环形闪光灯解决。

    制造商=OLYMPUS;型号=PEN-F;镜头=LUMIX G 25/F1.7;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=25毫米;光圈=F2.8;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-0.7EV;曝光时间=1/4000秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2016.03.10 15:58:17
    制造商=OLYMPUS;型号=PEN-F;镜头=LUMIX G 25/F1.7;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=25毫米;光圈=F2.5;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-0.7EV;曝光时间=1/2500秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2016.03.10 15:10:13
    制造商=OLYMPUS;型号=PEN-F;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F2.5;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-0.3EV;曝光时间=1/1000秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2016.04.08 12:19:36
    制造商=OLYMPUS;型号=PEN-F;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F2.2;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-0.3EV;曝光时间=1/1600秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2016.04.08 12:16:17
    制造商=OLYMPUS;型号=E-M5MARKII;镜头=LEICA DG NOCTICRON 42.5/F1.2;版权=SOOMAL;摄影师=Kungang;焦距=43毫米;光圈=F3.2;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=手动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-1.0EV;曝光时间=1/500秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2015.09.02 15:37:48

    在人文题材的拍摄中,经常需要交代环境,这种情况下,不宜景深过浅,这种情况下也需要缩小光圈,使用全幅相机+大光圈镜头扫街时尤其要注意。

    在有些场景中,缩小光圈有利于提高画质,例如晴天风景场景中,使用中等光圈,能获得更好边缘成像质量,也能减少色散等现象。少数手机的主摄镜头中也使用了可变光圈,设计初衷就是改善画质。

    光圈的形状

    eberhard 🖐 grossgasteiger 发布于Unsplash
    图片来自于Pexels

    光圈的形状取决于叶片的形状和数量,叶片数量越多,结构也就越复杂,但形成的孔更趋近于正圆,而低端镜头的光圈孔形多为明显的多边形,做工差点的镜头,多边形甚至都不能做到等边。也有部分低端镜头,光圈孔形是花形。

    使用M.Zuiko Digital 45mm F1.8定焦镜头拍摄。 制造商=PANASONIC;型号=DMC-GM1;焦距=45毫米;等效焦距=90毫米;光圈=F2.0;测光模式=模式;感光度=ISO640;白平衡=手动;对比度=高;饱和度=高;锐度=强;曝光补偿=-0.7EV;曝光时间=10/1000秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2013.12.21 19:04:36
    使用Lumix Leica DG Summilux 25mm F1.4 ASPH.定焦镜头拍摄。 制造商=OLYMPUS;型号=E-P3;焦距=25毫米;日期=2011.08.13 21:36:59;光圈=F1.4;测光模式=模式;感光度=ISO200;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/15秒;曝光程序=光圈优先
    制造商=SONY;型号=NEX-F3;镜头=E 18-200mm F3.5-6.3 OSS;焦距=200毫米;等效焦距=300毫米;光圈=F7.1;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=高;饱和度=高;锐度=标准;曝光补偿=-1.3EV;曝光时间=1/320秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2012.06.30 18:26:46
    使用M.Zuiko Digital 45mm F1.8定焦镜头拍摄。 制造商=PANASONIC;型号=DMC-GM1;焦距=45毫米;等效焦距=90毫米;光圈=F2.0;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=手动;对比度=标准;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-0.3EV;曝光时间=10/1600秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2013.12.21 17:36:53
    制造商=SONY;型号=ILCE-7;镜头=手动;焦距=0毫米;等效焦距=0毫米;光圈=F0.0;测光模式=模式;感光度=ISO320;白平衡=手动;对比度=低;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=1.3EV;曝光时间=1/60秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2013.12.11 19:00:54
    制造商=SONY;型号=ILCE-7;镜头=手动;焦距=0毫米;等效焦距=0毫米;光圈=F0.0;测光模式=模式;感光度=ISO125;白平衡=手动;对比度=低;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=1.0EV;曝光时间=1/60秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2013.12.11 19:03:16

    光圈的形状也决定了焦外是否柔和,通常来说,越接近正圆,焦外也越柔和,越像“奶油般的化开”。位于画面中央的焦外的某个亮点,会呈现出光圈形状相近的形状。而靠近边缘的部分,会呈现口径蚀现象,它是斜射光线穿过光圈留下的投影,呈现出半圆或者鱼鳞纹的特点,在某些场景中,还会呈现旋转的态势,称之为旋焦。这些因素都会影响焦外的风格,而焦外的风格,很大程度的决定了镜头风格的评价,光圈的形状不是唯一因素,但是重要因素。

    风格化最明显的莫过于折返镜头的甜甜圈,因为镜头中间部分不透光,通光投影是个环形,所以焦外也会呈现明显的光环。大部分折返镜头不支持光圈调整。

  • 制造商=PANASONIC;型号=DMC-GM1;焦距=25毫米;等效焦距=50毫米;光圈=F1.7;测光模式=模式;感光度=ISO200;白平衡=自动;对比度=低;饱和度=标准;锐度=标准;曝光补偿=-0.7EV;曝光时间=10/1250秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2024.02.25 18:43:18
  • 我们也可以尝试人为干预光圈的形状,做个实验,我们使用黑卡纸掏出一个心形的孔洞,然后安装于镜头前方,其投影实际影响通光孔的形状,可以看到实际中焦外部分亮点呈现出心形造型。这个造型可以自定义,不局限于特定形状,有3D打印机的可以制作一批,使用起来也很方便,偶尔用用能增加乐趣。

  • 为了获得趋近完美的焦外效果,美能达曾经发布过一款STF135 F2.8[T4.5]镜头,所谓的STF,即Smooth Trans Focus,重点在Smooth,平滑。它的光圈设计非常特别,双光圈结构,前置光圈孔径大于后置光圈,人为的制造了暗角,它的目的是削弱锋利的投影边缘,使焦外的光点呈现中央明亮,边缘暗淡的柔和的递进关系。

  • 继承美能达衣钵的索尼,也发布了一款STF镜头,不过它不是利用双光圈结构来制造暗角,而是使用的APD变迹滤镜[Apodization Filter],这是一片中央相对透明,向边缘逐渐透明度降低的镜片,以达到和旧款STF相似的焦外风格,这样的焦外呈现软糯柔和的风格,看着就很舒服。

    说到STF镜头,有没有留意到 2.8[T4.5] 这样的标注方式?2.8指的是光圈系数为f/2.8,T4.5是什么意思?T 表示Transmission,你理解成通光量即可,意思是光圈f/2.8时,实际通光量相当于f/4.5。因为STF镜头的特殊性,造成了通光效率的大幅降低,所以有必要标注T值,为了更精准的测光,电影镜头多标注的就是T值。

    手机上的软件模拟

  • 制造商=VIVO;型号=VIVO X100 PRO;焦距=17毫米;等效焦距=100毫米;光圈=F5.6;测光模式=中央平均;感光度=ISO677;白平衡=自动;曝光补偿=2.7EV;曝光时间=20000000/1000000000秒;曝光程序=程序模式;场景类型=标准;日期=2024.02.25 18:57:03
  • 受限于诸多物理限制,手机很难实现单反、微单的虚化效果,但手机可以模拟相机系统的浅景深,以及焦外风格,随着手机开发者们经验的积累,手机也模拟得越来越逼真了。再过几年,在AI加持下,估计真能做到以假乱真了。

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    干货满满
    此帖使用V2254A提交
    发表于2024.04.10 13:31:01
    42
    110.072.062.***
    110.072.062.***
    发表于2024.04.10 13:25:21
    41
    119.008.242.***
    119.008.242.***
    发表于2024.04.09 20:38:55
    40
    124.127.204.***
    124.127.204.***
    发表于2024.03.18 14:37:44
    39
    036.100.037.***
    036.100.037.***
    发表于2024.03.16 20:29:34
    38
    03
    入了X100PRO,不放大看,已经快可以以假乱真了

    此帖使用Win10提交
    发表于2024.03.04 09:53:36
    37
    182.200.007.***
    182.200.007.***
    发表于2024.03.03 22:19:29
    36
    03

    此帖使用Android设备提交
    发表于2024.03.03 11:26:29
    35
    221.007.008.***
    221.007.008.***
    发表于2024.03.01 16:06:10
    33
    036.100.039.***
    036.100.039.***
    发表于2024.02.29 14:43:10
    32
    03
    温故而知新
    此帖使用V2227A提交
    发表于2024.02.28 22:41:47
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    03
    当年也是看着数毛的帖子一步步进了微单的坑,从NEX F3、NEX7、A7、A7C、A7M4一路换过来了
    此帖使用Win10提交
    发表于2024.02.28 19:25:59
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    03
    老镜头果然神奇,这还是mamiya RB系统里比较新的镜头
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    发表于2024.02.28 15:43:33
    29
    116.052.***.***
    116.052.***.***
    谢谢分享专业技术文章。
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    发表于2024.02.28 14:13:32
    28
    10

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    发表于2024.02.28 14:02:31
    27
    03
    内含htm,系统自动隐藏——详细阅读
    发表于2024.02.28 11:24:40
    26
    125.078.037.***
    125.078.037.***
    发表于2024.02.28 10:41:33
    25
    112.097.080.***
    112.097.080.***
    发表于2024.02.28 08:09:52
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