大海保留－光影知识－大师书籍

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现在标记镜头的相对孔径都是用了一系列标准化的数值：



f/1
f/1.4
f/2
f/2.8
f/4
f/5.6
f/8
f/11
f/16
f/22
f/32
f/45
f/64

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可以看到：每一个数值都与相邻数值有一个根号2倍的关系，表明后一个数值的通光量为前面一个的一半，前一个数值的通光量是后面一个的两倍。因为根据圆面积的计算公式，镜头通过的光量与f系数的平方成反比。



比如：f/5.6的通光量是f/4的一半；是f/8的两倍。



对于一个最大光圈为f/2的镜头：

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由于采用了这样的标准化方式，对于不同的镜头，在快门速度不变的情况下，只要f-系数的相同，曝光量就是相同的。

上面表格中从前一个数字变化到后面一个数字，称“f-系数变化一档”，从前面数字变化到后面数字(就是增大f-系数)，称为“缩小/收缩光圈”；反之，称为“增大/开大光圈”。

在镜头上，有光圈调节环，用来控制实际拍摄的光圈。

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由于AF SLR的普及，现在一些品牌的镜头已经取消了光圈调节环，光圈的调节由机身控制，比如Canon EF系列、Minolta AF系列、Nikon G系列、Olympus Zuiko AF/Digital系列和Pentax J系列等。



光圈的作用

1、控制进光量：

由于光圈控制镜头进光量的作用，在暗弱的光线下拍摄，需要使用大光圈镜头，一获得更多的光量；而在明亮的场合，则使用小光圈不至于曝光过度。总之，可以通过光圈的调节，达到准确曝光的目的。

2、控制景深：

光圈的作用除了控制进光量外，另外一个很重要的作用是控制拍摄画面的景深。关于景深以及相关的计算，参见 [景深概念与计算]，景深示例如下。

3、控制像质：

由于光学原理和制造成本的限制，摄影镜头在全开光圈时的像质并不是最佳的，通常在收缩光圈后，像质有明显的改善。

比如下图是表征镜头像质的MTF曲线，其中黑色线对应最大光圈的情形，蓝色线对应f/8的情形，曲线位置越高越平直，像质越好。

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每个摄影镜头都有一个或者多个最佳光圈，在这些最佳光圈下，画面的质量达到最好，分辨率高、反差均衡等。

不同的镜头，最佳光圈的位置也不尽相同。一般而言：最佳光圈出现在最大光圈收缩2档或者3档的位置。比如最大光圈为f/2.8的镜头，最佳光圈为f/5.6或者f/8。

圆形光圈

严格来说，由多片光阑叶片形成的是多边形而不是圆形。多边形光阑会使真正的通光量与标称的通光量有一定的差别。由于这样的差别很小，实际使用中可以忽略不计。

近年来，由于设计和制造工艺的改进，开始流行圆形光圈，就是在最大光圈收缩两档，依然保持圆形。这类光圈的优点是：

1、使实际光圈与标称光圈的差别减小；

2、改善了焦外成像（对于此概念，后面将专篇说明）效果。

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下面是一些景深的实际拍摄例子：

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3、快门、快门速度：





  快门

　　是镜头前阻挡光线进来的装置，一般而言快门的时间范围越大越好。秒数低适合拍运动中的物体，某款相机就强调快门最快能到1/16000秒，可轻松抓住急速移动的目标。不过当你要拍的是夜晚的车水马龙，快门时间就要拉长，常见照片中丝绢般的水流效果也要用慢速快门才能拍出来。



　　至于单眼相机常见的b快门功能，虽然可由你自由决定曝光时间的长短，拍摄弹性更高，不过目前大多数的消费性数码相机都还不能支持，最多提供如2秒、8秒、16秒等较慢速度的默认值。

　　快门时滞时间

　　相机在不使用对焦锁定功能同时保证在自动对焦工作状态下，从按下快门释放按钮到开始曝光的这段时间称为快门时滞时间。

　　快门先决曝光模式

　　由我们先自行决定快门速度后，相机测光系统依当时光线的情形，自动选择适当的光圈f值(可为无段式的f值)以配合。设有曝光模式转盘的数码相机，通常都会在转盘上刻上’s’字母来代表快门先决模式。快门先决模式适合于需要控制快门的摄影。利用高速快门可凝结动作，利用慢速快门可令行驶中的车辆变成光束。

　　快门延迟

　　相机按下快门，这时相机自动对焦、测光、计算曝光量、选择合适曝光组合…进行数据计算和存储处理所需要的时间称为快门延迟。








附：

1、数字相机的快门结构

数字相机(DC/DSLR等)的快门结构和传统相机有所不同，除了机械快门以外，还存在电子快门，实际上是二者的混合体。我写这篇文章大概介绍一下数字相机的快门结构，希望能抛砖引玉。

要讨论数字相机的快门结构，首先先要了解一下数字相机的结构分类，根据成像原理不同，数字相机大概有以下几类：

1、面阵型数字相机；

2、线阵型数字相机；

3、单次俘获型数字相机；

4、三次俘获型数字相机；

面阵型数字相机使用的感光材料有比较大的面积，通常为矩形，常见的尺寸有1/4"CCD，1/3"CCD，1/2"CCD，2/3"CCD等等，曝光时一次完成。大多数DC/DSLR都是采用这种结构。

线阵型数字相机使用的感光材料是条状的，感光单元拍成一列，工作时通过CCD的移动来一行一行的进行拍摄过程。这种结构可以通过步进电机作到很高的分辨率，但无法拍摄运动的物体，而且要求照明光源稳定。我们常见的扫描仪就是这种线阵结构，实际上还有这种结构的大画幅的数字后背(如用于4 x 5机背取景相机的)；

单次俘获型数字相机有两种结构，单CCD和3CCD型。单CCD是通过感光材料面阵上的CFA(Color Filter Array)来实现彩色的俘获过程，因为二纬成像器件本身只能俘获黑白影象，通过分布在每个像素上的R、G、B滤色片来进行感光，感光后通过软件合成出彩色影象。如常见的Bayer滤镜就是一种CFA。

3CCD采用彩色分光棱镜进行分色，分色后的不同波长的影象用3块感光材料分别记录，再通过软件进行合成。这种方式的优点是色彩还原较好，但如果3个通道的信号处理不好会造成套色不准。其结构如下图所示意：

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以上是数字相机的几种大概的结构，下面再介绍一下数字相机的快门结构。

数字相机可以用集成在成象器件上的全电子快门来控制曝光时间，同时很多的相机还同时具有机械快门，而很多电子快门速度可以达到us级别。电子快门主要有3种类型：

a、行间快门(Interline Shuttle)

b、帧转移快门(Frame Shuttle)

c、全帧转移快门(Full Frame Shuttle)，也有叫狭缝式电子快门的。

对于无论上述哪一种快门结构，都是和感光材料的结构密切相关的，即感光材料的结构决定了可以采用哪一种快门结构。所以下面的讨论中将结合的描述。

对于行间快门，感光材料实际上分为感光区(light-sensitive cell)和遮光存储区(shaded shift registers)，示意图如下：

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行间快门的遮光区存储单元和感光单元一一对应，都分布在感光平面上。曝光开始以前，像素上的信息不被记录，当系统发出复位信号以后，像素上的信息被清除，并记录暗电流信息，然后系统开始曝光。曝光时间到达后，感光区上的信息被迅速转移到对应的遮光存储单元内，然后感光区复位，准备下一次曝光。这些过程只需要一个时钟周期。再下一次曝光开始前，存储区的信息再转移到DSP电路中，经过处理后存储到数字相机的存储介质中。

曝光流程如下图所示意：

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对于帧转移快门，感光材料也存在着感光区和存储区，但位于两个不同的位置。这种感光材料的实际面积要2倍于行间快门结构的感光材料，所以CCD的感光平面上都是像素感光单元，感光灵敏度可以很高。但这种结构的缺点是一个时钟周期内，像素的信号只能传递出去一次，所有像素的信息传递需要n个(n为感光材料的垂直分辨率)周期才能完成传递过程，因此速度受到一定的影响。