“臨界光圈衍射”：小題大做的驚恐

“臨界光圈衍射”：小題大做的驚恐隨著尼康D800、佳能5DMarkⅢ等新一代全畫幅數(shù)碼單反相機(jī)的發(fā)布，高像素、高畫質(zhì)、高感光度這些老話題又再度成為一眾攝友的談資，其中不乏一些“高手”對(duì)它們提出了一個(gè)聽似深?yuàn)W的觀點(diǎn)：“如此高像素的情況下，臨界光圈衍射將會(huì)影響到最終成像畫質(zhì)”。事實(shí)果真如此么？今天我從產(chǎn)生原理來(lái)為大家解讀臨界光圈衍射的真實(shí)影響。

臨界光圈衍射：小光圈的先天問(wèn)題

所謂臨界光圈衍射，就是指當(dāng)光圈小到一定程度時(shí)，對(duì)最終成像解析度造成影響（也就是俗稱畫面變軟）的一種現(xiàn)象。它的產(chǎn)生原理如下：光線在通過(guò)鏡頭物理光圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定程度的散射，這種現(xiàn)象在任何光圈和任何光線下都會(huì)發(fā)生，但會(huì)隨著光圈的變小和光線波長(zhǎng)的變長(zhǎng)而越發(fā)明顯。因?yàn)橥ㄟ^(guò)物理光圈時(shí)發(fā)生了散射，原本平行傳播的光線就會(huì)互相影響：有些光路之間會(huì)疊加、有些光路之間會(huì)相互抵消，到達(dá)感光元件后就會(huì)形成一個(gè)被稱為“愛里斑”的條紋衍射圖樣。而這個(gè)愛里斑，就是決定是否會(huì)出現(xiàn)臨界光圈衍射的關(guān)鍵。如果它的直徑比單個(gè)像素寬度大約2.5倍時(shí)，就會(huì)對(duì)成像效果產(chǎn)生影響，造成臨界光圈衍射現(xiàn)象。我們前面講過(guò)，物理光圈越小，光線通過(guò)時(shí)散射就越明顯，愛里斑也就更大。愛里斑的大小只跟物理光圈的大小有關(guān)！所以，臨界光圈衍射的產(chǎn)生，就是小光圈攝影的先天問(wèn)題。在通過(guò)較大物理光圈時(shí)（上），光線的散射率低于物理光圈較小時(shí)（下），在感光元件上形成的愛里班面積就更小。愛里斑的三維/二維示意圖，基于完全圓形物理光圈設(shè)想而來(lái)。通過(guò)鏡頭的光線到達(dá)感光元件后就會(huì)形成這種亮度不均的斑

單位像素寬度越大，可用光圈值越小

雖然臨界光圈衍射跟物理光圈大小的關(guān)系最大，但別忘了，必須是愛里斑的直徑相對(duì)單個(gè)像素寬度大約2.5倍時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生臨界光圈衍射現(xiàn)象。所以，對(duì)于單個(gè)像素寬度不同的相機(jī)而言，產(chǎn)生臨界光圈衍射現(xiàn)象的初始光圈值也不一樣（佳能、尼康、索尼等品牌數(shù)碼相機(jī)的感光元件均采用拜耳陣列排布，即每個(gè)像素均為方形結(jié)構(gòu)。但佳能、索尼為正方形，尼康略有一點(diǎn)偏長(zhǎng)方形，但偏差值很小，非儀器測(cè)試無(wú)法察覺(jué)，因此我們統(tǒng)一用正方形來(lái)表達(dá)單位像素）。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，2110萬(wàn)像素的佳能5DMarkⅡ，在F/8時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生臨界光圈衍射現(xiàn)象，但1000萬(wàn)像素的佳能G12在F/4時(shí)就出現(xiàn)了。這是因?yàn)榍罢卟捎昧巳嫹泄庠?，單個(gè)像素寬度為6.4μm，而采用1/1.8英寸感光元件的后者，單個(gè)像素寬度僅為2μm。所以，單位像素面積越大的機(jī)型，可用光圈值也就越小，并無(wú)通用參考值。佳能5DMarkⅢ采用全畫幅感光元件，雖然像素總數(shù)達(dá)到2230萬(wàn)，但單位像素寬度為6.2μm，比像素總數(shù)為1800萬(wàn)的APS-C畫幅機(jī)型（4.3μm）還是要大出一截，因此它的可用最小光圈更小

小貼士：焦距變化，愛里斑也會(huì)隨之而變么？

這里涉及到一個(gè)大多攝友都會(huì)犯的錯(cuò)誤，就是將光圈值與物理光圈大小混淆。對(duì)于長(zhǎng)焦鏡頭而言，即便光圈值同為F/22，在200mm時(shí)的通光口徑也會(huì)大于在50mm時(shí)（回想一下“光圈值=鏡頭焦距/通光直徑”的定義吧）。所以在長(zhǎng)焦端，實(shí)際光圈口徑是變大了的，愛里斑在這一步就變小了；而隨著焦距的變長(zhǎng)，光線通過(guò)光圈后到達(dá)感光元件的距離也變長(zhǎng)，愛里斑在這里又增大了。因此，在經(jīng)歷了這番此消彼長(zhǎng)后，焦距的變化對(duì)愛里斑大小不會(huì)造成影響。

不同顏色，臨界光圈衍射也不同

不同顏色的光線通過(guò)物理光圈時(shí)，產(chǎn)生的散射率是不同的，因此它們形成的愛里斑大小也是不同的，數(shù)碼單反相機(jī)鏡頭可以拍攝波長(zhǎng)在450nm~680nm之間的色彩。在三原色中藍(lán)色的波長(zhǎng)最短，同物理光圈大小下形成的愛里斑最小，而紅色與之相反，綠色位于中間。但在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)4×4拜耳陣列里，綠色占據(jù)了8個(gè)像素，而紅色/藍(lán)色分別為4個(gè)，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色最敏感，所以在當(dāng)達(dá)到產(chǎn)生臨界光圈衍射的最小光圈值時(shí)，綠色的細(xì)節(jié)和明度是首先發(fā)生變化的，紅色其次，藍(lán)色最末。

小貼士：什么是拜耳陣列？大家可以將感光元件上的每個(gè)像素想象成一個(gè)個(gè)的小坑，當(dāng)你按下快門釋放鈕，光粒子就像一個(gè)個(gè)的小球從天而降地掉進(jìn)像素小坑里，曝光結(jié)束后，處理器就根據(jù)每個(gè)像素小坑里收集到的光粒子數(shù)量，形成一個(gè)灰度圖形。怎樣才能將灰度變?yōu)椴噬?？這時(shí)候就需要在每個(gè)像素小坑上加一個(gè)過(guò)濾片，只允許三原色中的某一種通過(guò)，而拜耳陣列就是在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域最常見的過(guò)濾片布置模型。它是一個(gè)4×4陣列，由8個(gè)綠色、4個(gè)藍(lán)色和4個(gè)紅色像素組成（索尼數(shù)碼相機(jī)中，藍(lán)、紅、綠、翠綠色分別占據(jù)4個(gè)像素），在將灰度圖形轉(zhuǎn)換為彩色圖片時(shí)會(huì)以2×2矩陣進(jìn)行9次運(yùn)算，最后生成一幅彩色圖形。像素、畫幅、光圈的博弈

在大多數(shù)非影棚拍攝時(shí)，自然的色彩是我們無(wú)法改變的，那是不是使用盡量大的光圈、盡量大的畫幅和盡量小的像素?cái)?shù)量就一定能獲得好的成像效果呢？答案也是否定的，雖然這樣的確可以有效地降低臨界光圈衍射的影響，但過(guò)大的光圈和過(guò)小的像素?cái)?shù)量都會(huì)明顯影響畫面解析度，而且比起臨界光圈衍射而言，這種影響的負(fù)面性無(wú)疑大了很多。攝影本身是一種藝術(shù)體現(xiàn)，是一種現(xiàn)實(shí)記錄，比如想要在傍晚時(shí)分拍下水霧彌漫仙境般的海景，小光圈+長(zhǎng)時(shí)曝光就是必須使用的方法，這時(shí)候難道你還會(huì)去介意什么臨界光圈衍射么？對(duì)臨界光圈衍射比較敏感的是微距靜物攝影，較小光圈可以提升解析度，但太小又會(huì)造成臨界光圈衍射現(xiàn)象影響解析度，在這里我提供一個(gè)各類影像器材臨界光圈衍射數(shù)值參考表。

我相信在拍攝或欣賞此類小光圈長(zhǎng)曝題材時(shí)，沒(méi)人會(huì)考慮臨界衍射光圈的影響臨界衍射光圈對(duì)畫質(zhì)的影響，遠(yuǎn)不如鏡頭質(zhì)量、對(duì)焦精度、ISO值來(lái)得明顯，但即便是大光圈攝影會(huì)帶來(lái)畫質(zhì)松軟等問(wèn)題，但誰(shuí)會(huì)不喜歡它帶來(lái)的氛圍感呢？你又見過(guò)哪家的大光圈鏡頭低價(jià)么？總結(jié)：基本可以無(wú)視的影響

臨界光圈衍射對(duì)成像的影響是非常小的，完全沒(méi)有必要小題大做。相對(duì)而言鏡頭素質(zhì)、ISO、光圈值、對(duì)焦精度等對(duì)畫質(zhì)的影響明顯更大，而且臨界光圈衍射只會(huì)出現(xiàn)在較小光圈時(shí)，對(duì)日常拍攝幾乎無(wú)法形成影響，即便出現(xiàn)也不會(huì)一開始就讓成像一塌糊涂。一些頂級(jí)鏡頭的最佳成像光圈甚至小于產(chǎn)生臨界光圈衍射的光圈值，因此我認(rèn)為對(duì)于絕大多數(shù)攝友而言，根本無(wú)需臨界光