光圈与成像

光圈

光圈（Aperture）是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面光量的装置，它通常在镜头内部。

对于已经制造完成的镜头，不能够随意改变其直径，所以通过在镜头内部加入多边形或圆形，并且面积可改变的孔状光栅来控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈。

表达光圈大小用F/数值来表示：F=镜头焦距/镜头有效口径直径

光圈的档位设计是相邻的两档的数值相差1.4倍（2的平方根1.414的近似值）相邻的两档之间，透光孔直径相差根号2倍，透光孔的面积相差一倍， 底片上形成的影像的亮度相差一倍，维持相同曝光量所需要的时间相差一倍。

完整的光圈值系列如下：
1/1.0 ，1/1.4 ，1/2.0 ，1/2.8 ，1/4.0 ，1/5.6 ，1/8.0 ，1/11 ，1/16 ，1/22 ，1/32 ，1/44 ，1/64

光圈F值越小，通光孔径越大（如图所示），在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光量刚好是下一级的两倍

长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。

光圈的作用在于决定镜头的进光量，F后面的数值越小，光圈越大，而进光量也就越多；反之，则越小。简单的说，在快门速度（曝光速度）不变的情况下，光圈F数值越小光圈就越大，进光量越多，画面比较亮；光圈F数值越大光圈就越小，画面比较暗。

举例来说：猫咪白天的瞳孔总是缩成一条线，到了晚上，就自动地打开成为一个圆孔。所以，同样道理，在拍照时，光线强烈，就要缩小光圈，光线暗淡，就要开大光圈。也就是说F值越小的相机（其他参数不变），越有利于夜景拍摄。

光圈叶片与衍射

光圈叶片（Aperture blades）是光圈内调节孔径的一组重叠的片状部件。叶片组合后在中央形成一个近似的圆形孔，调节叶片就可以调整圆孔的大小。

理论上，镜头的孔径应该是圆的，光圈也应该是圆的。但实际上，目前绝大多数镜头的孔径，在经过光圈机构之后，就不再是完美的圆形，原因是镜头需要使用光圈叶片开合来调整光圈的尺寸（通光孔径大小），结果就是经过光圈叶片的控光（遮挡），光圈形状就变成一个多边形，例如六边形或者八边形，此时就会产生 衍射（Diffraction，又称绕射）现象。

在经典物理学中，波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后，会发生不同程度的弯散传播，假设一个障碍物（例如光圈）放在光源和观察屏（相机的影像传感器/胶片）之间，则会有光亮区域和阴暗区域出现在观察屏上，此时的明暗区域边界就会出现“不锐利”但明暗相间的复杂图样。此时的衍射，则会根据障碍物的形状，进而出现圆孔衍、单缝衍射、光栅衍射等不同现象。

以镜头的光圈来说，就会因为光线经过两片相邻的光圈叶片重叠位置所形成的一个尖锐起角或边缘，而产生由多种衍射现象叠加而成的成像效果。

镜头光圈机构中光圈叶片的数量、形状、开合角度，决定光圈机构所形成的孔径的近“圆”程度，继而影响衍射对成像分辨率的限制程度，以及“星芒”拍摄效果中的点光源星芒数量、长度和强度：

“星芒”效果

光圈叶片与成像分辨率

镜头的光圈机构在设计中使用尽可能接近“圆”的组件。因此光圈叶片的数量、形状、开合角度，在设计的时候也是朝着这个目标接近。也正因如此，在光圈机构的遮挡下，圆孔衍射所带来的成像影响是最主要的效果。而圆孔衍射中的艾里斑（Airy disk）就是对光学成像仪器（相机）成像质量的主要影响之一。

什么是艾里斑呢？

• 艾里斑是点光源通过理想透镜成像时，由于衍射而在焦点处形成的光斑。中央是明亮的圆斑，周围有一组较弱的明暗相间的同心环状条纹，把其中以第一暗环为界限的中央亮斑称作艾里斑。
• 简单来说，当平面光波入射穿过圆孔时，会形成圆对称衍射图样（类似于水波纹的同心圆环），其能量最集中的地方在中心位置，因此中心部分最亮，而中心向边缘的亮度（能量）会随着衍射光束偏离原来的传播方向而出现衰减。
• 而圆孔孔径越小，其衍射光束偏离越严重，中心向外的能量衰减越明显，艾里斑的衍射图样就会表现为一系列明暗相间的同心圆环。此时的径向距离越大，各个明亮圆环的亮度就越低，对成像质量的影响就会越明显。
  

讲到这里，不得不提极限光圈衍射（DLA ，Diffraction Limited Aperture)。

要了解极限光圈衍射，必须先知道极限衍射。
衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像。因为一般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像就是所谓的艾里斑。这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低。这个限制是物理光学的限制，是光的衍射造成的。

在相机成像系统中，镜头光圈值的大小与衍射极限（Diffraction Limit）有直接关系，因此，就有了极限光圈衍射这种综合表述。

再来结合艾里斑，就能够明白限制镜头光学图像清晰度的主要因素就是衍射，而镜头光圈的缩小，则会大大增强衍射所带来的像差表现。

如此时再将此成像光斑放到像素数量更高的影像传感器上，则会因分辨率差异而出现的像差问题被更详细地记录和显示的问题（相当于问题被放大）。也就是常说的镜头分辨率与机身分辨率不匹配，以及极限光圈衍射问题。

换而言之，所谓的极限光圈衍射，是与光圈孔径大小、叶片数量及叶片开合角度等相关的一系列成像分辨率和像差问题的综合性表述，是包含了圆孔衍射、衍射极限等在内的综合表述方式。

极限光圈衍射所带来的问题，在算法为王的时代，已经找到了解决方案。通过已知的这些问题，各大厂商已经开始在成像系统中加入了更为智能的分析处理程序，可直接通过程序在成像过程中或自动或手动地消除/改善其成像质量。这在2017年下半年发布的新款相机中已经普遍应用（事实上过去也有，只是没有如此明确地单做成一个功能），也就是相机菜单的“镜头校正”功能。

衍射与成像效果

通过前面可以了解到，衍射似乎时成像的“劲敌”，然鹅没有永远的敌人，衍射也能够给成像带来很多有趣的效果。
这其中，最简单直观的就是我们常说的“星芒”和背景虚化了（景深效果）。

星芒效果的实现方法有两种：小光圈、星光滤镜。
这两种效果本质上都是利用衍射实现的，原理前面已经说过了，这里直接说一下光圈叶片数量、形状、开合角度对效果的影响。

对于星芒效果，当光圈叶片数量为偶数时，拍摄点光源时呈现出来的星芒射线数量与光圈叶片数直接对应，8叶片就会产生8道星芒射线，16片则会产生16道星芒；当镜头光圈叶片数为单数时，则会呈现出双倍于光圈叶片数的星芒射线，如9叶片则会拍摄出18道星芒射线。

而且，光圈叶片数越多，形状与其开合角度越匹配，其形成的的光孔就越接近于“圆”。此时在景深范围之外的背景或前景点光源虚化后的光斑形状就越容易呈现漂亮的圆形（暂不考虑径蚀影响）。

光圈叶片数量越多，光斑越接近圆形

光圈对于景深的影响，可以用下图简单演示：

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Reference:
1.Wikipedia
2.What is... Aperture?
3.不可不知的镜头冷知识
4.Baidubaike

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