数字相机的光圈与摄影分辨率的关系.doc

作者: 钱元凯      时间: 2008年05月05日 来自:《中国摄影》    设计师是根据几何光学设计镜头的。几何光学认为光线在同一个媒质(例如空气)中永远按直线前进。但是物理光学的理论与试验却表明,一束平行光线通过一个小 孔后会改变行进的方向,这种现象称为衍射。衍射使平行光线通过圆形小孔后光束逐渐扩散呈圆环状(如图1),中心斑最明亮,其余光环的亮度随着半径的增大而 迅速减弱。计算与试验还表明,孔径越小,光行进的行程越长,衍射现象越明显。经过镜头孔径的光线也会由于衍射使焦点处的光斑呈环状,其中心光斑[又称“艾 里(Airy)斑”]的半径可由以下公式算出:    R0≈×F×λ    R0:中心光斑的半径;    F:镜头的光圈数;    λ:光波的波长。    从公式中可见:艾里斑的半径与镜头焦距无关,仅由镜头的光圈数与光波的波长(光的颜色)确定。人们又根据大量的实验与理论分析得出:两个等亮度的光斑恰能 分辨的极限条件是两个点间的距离是艾里斑的半径(图2)。因此一个理想的(没有像差的)镜头所可能达到的理论极限分辨率(线对/mm)恰恰是RO的倒数:    N=1/R0=1/(×F×λ)(线对/mm)。在红、绿、蓝三种原色光中,绿光的波长居中,因此绿光的分辨率接近三种光线的平均值。以550nm作为典型的绿光波长,在(表1)中算出了不同光圈下理想镜头对绿光可能达到的理论分辨率。 (表1)理想镜头对绿光的极限分辨率(线对/mm)    相机所摄影像的分辨率是由理论极限分辨率(艾里半径)、镜头的光学像差与感光材料的分辨率共同确定的,三者中哪个最低,它就是影响综合分辨率的主要矛盾。    在传统120与135相机中,由于感光乳剂中的银盐颗粒十分细微,在一般摄影中对分辨率的影响并不显著。大中孔径下镜头的像差是影响 分辨率的主要因素。直到使用f/32或f/44光圈时,才会由于理想分辨率的下降导致成像恶化,因此多数镜头最小光圈仅设置到f/22。在数字相机中随着芯片像素量的增加,两个相邻像元的间距也越来越小,感光材料的分辨率开始影响摄影的综合分辨率了。像元的间距可以用计算图(图3) 查出,以松下FZ18数字相机为例:在横轴上找出1/,并通过此点引垂线,与表示芯片800万总像素量(可以近似用有效 像素量代替)的斜线相交,(微米)。由于1毫米=1000微米,因此每个芯片的理论分辨率 NO=1000/μ(像素/mm)=1000/2μ(线对/mm)。例1:松下FZ18,1/,800万像素,μ=,N0= 310线对/mm。例2:佳能G9,1/,1200万像素,μ=2微米,N0= 250线对/mm。例3:索尼α-350,×,1420万像素,μ=5微米,N0=98线对/mm。例4:尼康D3 36×,1280万像素,μ=8,2微米,N0=61线对/mm。例5:佳能1DSMarkⅢ,36×24mm芯片,2100万像素,μ=,N0=78线对/mm。    与附表对照不难发现FZ18用f/;G9用f/;α-350用f/16的光圈;D3用f/22的光圈,1DS Mark Ⅲ用f