卷 III · 空间CH 12深度 12/24

收到 f/22,反而糊了

全书到这里为止,所有参数都是「有得必有失」的交换。这一章是唯一的例外:光圈收过某个点之后,你什么也换不到,只是单纯变差。

艾里斑衍射极限像素间距最佳光圈

光挤过小孔的时候会散开

前面十一章我们一直把光当成直线。在孔很大的时候这个近似很好用,孔小到一定程度就不行了——光是波,穿过小孔会衍射。

结果是:即使镜头完美无缺、对焦精准,一个点光源在像面上也不会是一个点,而是一个中间亮、周围有几圈暗淡光环的图案。中间那个亮盘叫艾里斑(Airy disk)。

艾里斑直径 d = 2.44 × λ × N

λ  = 波长,绿光取 550 nm = 0.00055 mm
N  = f 数

注意这个式子里只有 f 数——没有焦距,没有镜头价格,没有画幅。任何镜头在 f/16 上的艾里斑都是 21.5 µm。这是物理定律,一万块的镜头和一千块的一样。

它什么时候开始「吃」你的像素

艾里斑本身不可怕,可怕的是它大过一个像素——那时候相邻像素记录的是同一团光,分辨率就丢了。

按奈奎斯特,取「艾里斑直径 > 2 倍像素间距」作为门槛:

2.44 λ N > 2p     →     N > 2p / (2.44 λ)

代进几个真实机身:

全画幅 24 MP    像素间距 6.00 µm    衍射起点 f/9
全画幅 45 MP    像素间距 4.38 µm    衍射起点 f/6.3
全画幅 61 MP    像素间距 3.76 µm    衍射起点 f/5.6
APS-C  26 MP    像素间距 3.75 µm    衍射起点 f/5.6
手机   48 MP    像素间距 1.22 µm    衍射起点 f/1.8    ← 它的最大光圈就在这

最后一行值得停一下:手机主摄的最大光圈 f/1.8 已经踩在衍射极限上了。这意味着手机没有「收一档更锐」这回事——它的镜头一开始就工作在物理边界上。也解释了为什么手机厂商拼命堆算法锐化:光学上已经没有余量了。

◆ 唯一一个「收得越多越差」的参数

镜头的分辨率是两条曲线的合成:

  • 像差(球差、慧差、场曲……):光圈越大越严重,收光圈会改善
  • 衍射:光圈越小越严重,收光圈只会恶化

两条曲线交叉的地方,就是这支镜头的最佳光圈(sweet spot)——通常在最大光圈往下收 2 到 3 档。一支 f/1.4 的镜头,最锐利的地方大约在 f/4 到 f/5.6。

这就是那条老经验「收两档最锐」的来历。它是两条物理曲线的交点,不是玄学。

那风光摄影那些 f/16、f/22 怎么办

这是一个真实的两难,而且答案不是「所以不要收小光圈」:

你想要诱惑更好的做法
前景到远山都清楚收到 f/16 或 f/22f/8 + 超焦距对焦(第 10 章)。多数情况这就够了
前景特别近(半米内的花草)收到 f/22 硬撑焦点堆栈:拍几张不同焦点,后期合成
白天要慢门收到 f/22 换时间ND 滤镜(第 7 章)。用光圈换时间是最差的换法
要漂亮的星芒收到 f/16这个真的只能收。接受它,星芒值那点锐度

换句话说:衍射不是禁令,是一张标了价的账单。你要星芒,f/16 就值;你只是想要景深,那有更便宜的买法。

✎ 「衍射极限镜头」是一句夸奖

评测里说一支镜头「在 f/5.6 已经达到衍射极限」,意思是:它的像差已经小到可以忽略,剩下唯一限制它的是物理定律。这是对镜头设计最高的评价之一——不可能更好了。

同理,「这支镜头 f/8 以后就只受衍射限制」也是夸奖。而如果一支镜头到 f/11 才最锐,那说明它像差校正得不够好,需要收很多档才压得住。

⚠ 别被「衍射极限」吓到过头

越过门槛不等于照片就废了。衍射是渐变的:

  • f/9 到 f/11(24MP 全画幅):几乎看不出,只有像素级对比才有差别
  • f/16:明显变软,但缩图发网上完全没问题
  • f/22:肉眼可见的糊,等于白白浪费了一半像素

而且景深的收益是真实的。一张 f/16 但全部在景深内的照片,通常远好过一张 f/5.6 但前景糊掉的照片。先保证该清楚的东西在景深里,再去心疼那点锐度。

⌗ 到你手上

记住你自己机器的那个数字。按像素数查:

全画幅 24 MP  → 日常别超过 f/11,最佳 f/5.6 ~ f/8
全画幅 45+ MP → 日常别超过 f/8, 最佳 f/4 ~ f/5.6
APS-C  24 MP  → 日常别超过 f/8, 最佳 f/4 ~ f/5.6
M4/3   20 MP  → 日常别超过 f/5.6,最佳 f/2.8 ~ f/4
手机           → 没得选,它一直在极限上

注意 M4/3 那一行:小画幅的衍射极限来得更早,因为像素更密。这是「等效光圈」的另一个侧面——你不能靠收光圈把小底的景深补回来,因为收到那个 f 值时衍射已经把画质吃掉了(第 20 章)。

◎ 现在去拍一张

三脚架,对着一张报纸或一面砖墙,同一个对焦点,从最大光圈一路收到最小,每档一张。

回家在电脑上放大到 100%,找出最锐的那一张那就是你这支镜头的最佳光圈——每一支都略有不同,而且这是唯一能真正测出来的方法。

顺便看看最小光圈那张:它糊得让人吃惊,而且没换来任何东西(对焦平面上的东西,景深再深也不会更清楚)。

这一章的一句话

艾里斑直径只由 f 数决定,一万块的镜头也逃不掉。收光圈换景深是有价的,而超过某个点之后,你什么也换不到了。

卷 III 结束。快门决定时间的厚度,光圈决定空间的厚度,两笔账你都会算了。

下一章开始卷 IV「代价」。这一卷讲第三个旋钮,而它和前两个有本质区别:ISO 不生产光。它是全书误解最深的一个参数,也是「高感画质」这四个字真正的含义所在。