“临界光圈衍射”小题大做的惊恐

“临界光圈衍射”：小题大做的惊恐随着尼康D800、佳能5DMarkⅢ等新一代全画幅数码单反相机的发布，高像素、高画质、高感光度这些老话题又再度成为一众摄友的谈资，其中不乏一些“高手”对它们提出了一个听似深奥的观点：“如此高像素的情况下，临界光圈衍射将会影响到最终成像画质”。事实果真如此么？今天我从产生原理来为大家解读临界光圈衍射的真实影响。临界光圈衍射：小光圈的先天问题所谓临界光圈衍射，就是指当光圈小到一定程度时，对最终成像解析度造成影响（也就是俗称画面变软）的一种现象。它的产生原理如下：光线在通过镜头物理光圈时，会产生一定程度的散射，这种现象在任何光圈和任何光线下都会发生，但会随着光圈的变小和光线波长的变长而越发明显。因为通过物理光圈时发生了散射，原本平行传播的光线就会互相影响：有些光路之间会叠加、有些光路之间会相互抵消，到达感光元件后就会形成一个被称为“爱里斑”的条纹衍射图样。而这个爱里斑，就是决定是否会出现临界光圈衍射的关键。如果它的直径比单个像素宽度大约2.5倍时，就会对成像效果产生影响，造成临界光圈衍射现象。我们前面讲过，物理光圈越小，光线通过时散射就越明显，爱里斑也就更大。爱里斑的大小只跟物理光圈的大小有关！所以，临界光圈衍射的产生，就是小光圈摄影的先天问题。在通过较大物理光圈时（上），光线的散射率低于物理光圈较小时（下），在感光元件上形成的爱里班面积就更小。爱里斑的三维/二维示意图，基于完全圆形物理光圈设想而来。通过镜头的光线到达感光元件后就会形成这种亮度不均的斑单位像素宽度越大，可用光圈值越小虽然临界光圈衍射跟物理光圈大小的关系最大，但别忘了，必须是爱里斑的直径相对单个像素宽度大约2.5倍时，才会产生临界光圈衍射现象。所以，对于单个像素宽度不同的相机而言，产生临界光圈衍射现象的初始光圈值也不一样（佳能、尼康、索尼等品牌数码相机的感光元件均采用拜耳阵列排布，即每个像素均为方形结构。但佳能、索尼为正方形，尼康略有一点偏长方形，但偏差值很小，非仪器测试无法察觉，因此我们统一用正方形来表达单位像素）。举个例子来说，2110万像素的佳能5DMarkⅡ，在F/8时也不会产生临界光圈衍射现象，但1000万像素的佳能G12在F/4时就出现了。这是因为前者采用了全画幅感光元件，单个像素宽度为6.4µm，而采用1/1.8英寸感光元件的后者，单个像素宽度仅为2µm。所以，单位像素面积越大的机型，可用光圈值也就越小，并无通用参考值。佳能5DMarkⅢ采用全画幅感光元件，虽然像素总数达到2230万，但单位像素宽度为6.2µm，比像素总数为1800万的APS-C画幅机型（4.3µm）还是要大出一截，因此它的可用最小光圈更小小贴士：焦距变化，爱里斑也会随之而变么？这里涉及到一个大多摄友都会犯的错误，就是将光圈值与物理光圈大小混淆。对于长焦镜头而言，即便光圈值同为F/22，在200mm时的通光口径也会大于在50mm时（回想一下“光圈值=镜头焦距/通光直径”的定义吧）。所以在长焦端，实际光圈口径是变大了的，爱里斑在这一步就变小了；而随着焦距的变长，光线通过光圈后到达感光元件的距离也变长，爱里斑在这里又增大了。因此，在经历了这番此消彼长后，焦距的变化对爱里斑大小不会造成影响。不同颜色，临界光圈衍射也不同不同颜色的光线通过物理光圈时，产生的散射率是不同的，因此它们形成的爱里斑大小也是不同的，数码单反相机镜头可以拍摄波长在450nm~680nm之间的色彩。在三原色中蓝色的波长最短，同物理光圈大小下形成的爱里斑最小，而红色与之相反，绿色位于中间。但在一个标准4×4拜耳阵列里，绿色占据了8个像素，而红色/蓝色分别为4个，这是因为人眼对绿色最敏感，所以在当达到产生临界光圈衍射的最小光圈值时，绿色的细节和明度是首先发生变化的，红色其次，蓝色最末。小贴士：什么是拜耳阵列？大家可以将感光元件上的每个像素想象成一个个的小坑，当你按下快门释放钮，光粒子就像一个个的小球从天而降地掉进像素小坑里，曝光结束后，处理器就根据每个像素小坑里收集到的光粒子数量，形成一个灰度图形。怎样才能将灰度变为彩色呢？这时候就需要在每个像素小坑上加一个过滤片，只允许三原色中的某一种通过，而拜耳阵列就是在数码相机领域最常见的过滤片布置模型。它是一个4×4阵列，由8个绿色、4个蓝色和4个红色像素组成（索尼数码相机中，蓝、红、绿、翠绿色分别占据4个像素），在将灰度图形转换为彩色图片时会以2×2矩阵进行9次运算，最后生成一幅彩色图形。像素、画幅、光圈的博弈在大多数非影棚拍摄时，自然的色彩是我们无法改变的，那是不是使用尽量大的光圈、尽量大的画幅和尽量小的像素数量就一定能获得好的成像效果呢？答案也是否定的，虽然这样的确可以有效地降低临界光圈衍射的影响，但过大的光圈和过小的像素数量都会明显影响画面解析度，而且比起临界光圈衍射而言，这种影响的负面性无疑大了很多。摄影本身是一种艺术体现，是一种现实记录，比如想要在傍晚时分拍下水雾弥漫仙境般的海景，小光圈+长时曝光就是必须使用的方法，这时候难道你还会去介意什么临界光圈衍射么？对临界光圈衍射比较敏感的是微距静物摄影，较小光圈可以提升解析度，但太小又会造成临界光圈衍射现象影响解析度，在这里我提供一个各类影像器材临界光圈衍射数值参考表。我相信在拍摄或欣赏此类小光圈长曝题材时，没人会考虑临界衍射光圈的影响临界衍射光圈对画质的影响，远不如镜头质量、对焦精度、ISO值来得明显，但即便是大光圈摄影会带来画质松软等问题，但谁会不喜欢它带来的氛围感呢？你又见过哪家的大光圈镜头低价么？总结：基本可以无视的影响临界光圈衍射对成像的影响是非常小的，完全没有必要小题大做。相对而言镜头素质、ISO、光圈值、对焦精度等对画质的影响明显更大，而且临界光圈衍射只会出现在较小光圈时，对日常拍摄几乎无法形成影响，即便出现也不会一开始就让成像一塌糊涂。一些顶级镜头的最佳成像光圈甚至小于产生临界光圈衍射的光圈值，因此我认为对于绝大多数摄友而言，根本无需临界光圈衍射带来的影响，该使用怎样的参数就放心大胆的使用，比如在B门摄影中，F/15以上的光圈我就经常用到，照片的震撼力足以让观赏者忘记细节的不足。相机的确是一门需要理性精密数学运算的科学，但摄影却是表现拍摄者感性视角的最佳窗口，我认为作为摄影人，后者显然更值得我们追求。