光圈与F数相关知识

一、F数

F数、光圈数、相对孔径的倒数。

F数代表的意义

1. F数小（光圈大）、F数大（光圈小）。
2. F数又称为镜头速度，F数小的镜头速度快。因为拍摄的曝光时间△t 正比于F数的平方。
3. F数还能表征镜头的分辨率，F数越小，能分辨两点间的距离越小，即分辨率越高。因为圆孔最小衍射角为：。所以，像面上能够分辨得开的两点间的最小距离可以计算得到：

F数与光能量

一般而言，照相机拍摄物体的距离比较远，像距近似等于镜头焦距，焦距越大像距越大。而像的面积是与像距的平方成正比的，即像的面积近似与焦距 的平方成正比。

像面接收到的光强正比于  ，即，正比于相对孔径的平方。

即，像面接收到的光强反比于F数的平方。

二、光圈

　　光圈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，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用f值。对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆形，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈。

　　光圈数（F）和光圈是一个反比关系。即F值越小，光圈越大。F值越大，光圈越小。

 

光圈在拍摄原理图中的位置：

旋转镜头上的调节环或者数码相机机身上的旋钮，可以调节光圈大小：

完整的光圈值系列如下：

光圈【 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。

这里值得一提的是光圈 F数越小，通光孔径越大（如右图所示），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。像面上的光强反比于F数的平方，在相同环境下拍摄同一个物体，后一档要比前一档的曝光时间增加一倍 。

例如光圈从F8调整到F5.6 ，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。F5.6的通光量是F8的两倍。同理，F2是F8光通量的16倍，从F8调整到F2，光圈开大了四级。

对于消费型数码相机而言，光圈 F值常常介于 F2.8 - F11。此外许多数码相机在调整光圈时，可以做 1/3 级的调整。

 光圈大小

光圈越大进光亮越多，光圈小相反，光圈大背景越虚化，光圈小背景越清。

大光圈的优势：

• 大光圈通光量大，可以提升快门速度，在光线不足时更有利于手持拍摄
• 在拍摄运动物体时，大光圈有利于配合高速快门，将运动的物体“凝固”
• 大光圈最迷人的一个特性是：用大光圈拍摄，焦平面上的被摄物清晰，而焦外模糊（也就是人们常说的虚化）

如果想让该清晰的地方清晰，不重要的地方模糊，就可以用大光圈，这有利于突出主体，常用于拍摄人像，比如室外人像艺术照。

 

F值越小，光圈越大，镜头的适用范围越广。

由于大光圈镜头的制造工艺要求更高（大光圈时对边缘像场减小畸变的要求更高），在畸变差异不大的前提下，往往最大光圈越大，其价值也就越高。

对专业镜头而言，F值从1.8到1.4，往往价格就会有数千元的上升。小光圈则比较容易实现，通过调整镜头中的光圈叶片而缩小相对孔径，便可以减少通光量，因此最小光圈一般都不用多虑。

因此，在选择数码相机时，如果多款相机在技术指标上旗鼓相当，可优先选择F值小的（大光圈）。

光圈与景深

光圈大（F数小），景深浅；光圈小（F数大），景深深。

患有近视眼不戴眼镜的话，总是习惯性地眯起眼睛看东西，这样往往看得清楚一些。这就是：缩小光圈（瞳孔），增加景深。

光圈叶片与衍射

理论上，镜头的孔径应该是圆形，光圈也应该是圆形的，但实际上，目前绝大多数镜头的孔径，在经过光圈机构之后，形状就不再是完美的圆形，原因是镜头需要使用光圈叶片的开合来创造不同尺寸的光圈（通光孔径）。

结果，经过光圈叶片的控光（遮挡），光圈的形状就变成一个多边形，例如六角形或八角形，而不是一个完美的圆形。

此时就产生了各种衍射（Diffraction，又称绕射）现象。衍射，是指波（光线光波都是“波”的一种）遇到障碍物时偏离原来直线传播路径的物理现象。

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。假设讲一个障碍物（光圈机构）放在光源和观察屏（影像传感器或胶片）之间，则会有光亮区域和阴暗区域出现于观察屏，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，进而出现圆孔衍射、单缝衍射和衍射光栅等不同现象。

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。

镜头光圈组件中的叶片数量、形状和开合角度，决定了光圈机构所形成的光孔的“圆”的程度，同时也由此决定了衍射现象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。

利用衍射现象对成像分辨率的限制，可以获得“星芒”效果和背景虚化的点光源光斑。

星芒效果的拍摄有两种实现方式：1.小光圈；2.星光滤镜。

这两种方式，本质上是一样的，都是利用光波的衍射现象实现。

针对星芒效果：

当光圈叶片数为偶数（双数）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。

其次，光圈叶片数越多，形状设计与其开合角度越匹配（目前多采用犬牙/水滴形状），其形成的光孔就越接近于圆形，而此时在景深范围之外的背景或前景点光源被虚化后的光斑的形状就越容易呈现漂亮的圆形（这里暂不考虑口径蚀的影响）。

最后，光圈叶片数越多，其结构强度和稳定性越低，设计、制造和维护成本就越高。从某个角度来说，如果一支已被实践和市场证明了是耐用性高和故障率低的多光圈叶片镜头，厂商在其上投入的成本和技术也可以被看作是高昂、可靠、成熟的，这支镜头也可以被看作是一支高质量的好镜头。

【参考文献】

光圈数值与光圈大小的关系_百度知道 https://zhidao.baidu.com/question/1799793526429830867.html

F 数_百度百科 https://baike.baidu.com/item/F%20%E6%95%B0/22129903

光圈叶片数量与衍射导致的品质和成像问题 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1593649135402583682&wfr=spider&for=pc