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陈大哥两天前从云南采风归来，为了将前景的格桑花和苍山洱海都尽可能拍摄清楚，他把光圈熟练的设置在他所能设置的最小值，然后按下了快门，景深如愿以偿覆盖了花和远方，可当他在电脑上查看时发现，清晰度的骤降使他再也享受不了数毛的乐趣，他百思不得其解。
小李话不多，最近想买个相机在业余时间培养一门爱好，犹豫的他最后问了我一句：“像素都是几千万，有必要专门买个相机么？”他百思不得其解。
或许你是正在经历购买前迷惘的小李，或是接触摄影有段时间的陈大哥，这一期文轩分成四个部分深入聊聊相机的分辨率与光圈设置的误区，而这一切，要先从一个手电筒说起……
01
光，它一定走直路吗
假设我们面前有墙一堵，墙上有一小孔，墙的后方是一面幕布，此时我们打开手电筒照向此墙，可想而知光线只能透过墙上的小孔到达后方的幕布，假如小孔直径是1毫米，那么幕布上光点的直径应该也是1毫米，因为光沿直线传播。
可一切真如此吗？实验总是打破人们的既往常识，当一群学术大牛往墙上打手电筒时，他们发现在光点的周围泛起了一圈圈神秘条纹，从上面的图中可见，当一束光穿过小孔到达幕布后，它看上去不像是一个光点，而是一枚光斑，并且周围带有明暗双间的条纹，这是“小孔衍射”的特有图样，中心的光斑被称为“艾里斑”，当孔越小时，光斑越大。
这种现象在17世纪被发现，历经百年被陆续证实，这种现象有一个严肃的学名-“衍射”。光，它有时候确实走点儿弯路。
动图摘自维基百科，当小孔的直径越接近光的波长，衍射现象越明显，艾里斑也会随之变大。（由于光波的波长只有几百纳米，我们姑且不严谨的将其理解为当孔径越小，衍射越明显，艾里斑越大）
02
衍射与分辨率有何关系
包括人眼在内的任何光学系统，都会发生衍射现象，只是程度各不相同，实际上我们目之所及是一个由艾里斑所组成的世界。
孔越小则光斑越大，大到一定程度像便模糊，就是说，一个光学系统的分辨能力取决于通光孔径的大小，下面让我们举个栗子，下图左侧是全画幅相机的传感器，右侧是目前尺寸较大的手机传感器，我们以传感器对角线尺寸作为通光孔径，左侧为43mm，右侧为12mm，前者为后者的3.6倍，这也是摄影中经常会用到的“转换系数”，同样适用于分辨率的计算，同标称光圈、同像素下，理论上全画幅相机的分辨能力是目前拍照能力较强的手机的3.6倍，所以彼N千万像素与此N千万像素不可同日而语，就好比大家都有一个亿，在中国是财务自由，在越南还买不到一辆小汽车。
那么相机的分辨极限在哪？
以2400万像素的全画幅相机为例，感光元件的尺寸是36mm*24mm，长边有6000像素，高有4000个像素，用长边像素除长边尺寸可知1mm长度内含166个像素，意味着1mm内可最多识别166线，那像素越高分辨线数岂不也越高？
“像素越高=越能分辨”的印象多在此处产生。
但前文已解释，决定分辨能力的是通光的口径而非像素多少，假设用相机拍摄两个紧邻的光点，相机能否分辨出为两个点，取决于两枚光点最终在传感器上产生的艾里斑有多大、重叠有多少，对相机而言，艾里斑直径大于像元大小的两倍时，两个光点的成像便糊成一个点，视为无法分辨，而我们在使用小光圈拍摄时就如同光线穿过小孔，光圈越小，衍射越明显。
理论上拍摄时光圈越大，图像越清晰，但实际上镜头的大光圈段往往又是像差最严重的区间，所以能否发挥好相机的分辨力，光圈的设置尤为重要。
“当一个艾里斑的中心与另一个艾里斑的第一级暗环重合时，就是分辨的极限”。-瑞利判据
03
光圈设置的小建议
像素级
艾里斑分辨临界
极限光圈
1800万
13.8um
F10.0
2400万
12um
F9.0
3000万
10.7um
F8.0
3600万
9.7um
F7.1
4600万
8.7um
F6.3
5000万
8.3um
F6.3
6000万
7.6um
F5.6
8000万
6.6um
F5.0
上面以全画幅36mm*24mm的传感器为对象，根据艾里斑在不同光圈下的大小以及各像素级下的像元大小，列出了各像素级所对应的极限光圈，当光圈设置小于极限光圈时，分辨率开始下降。
其他画幅的朋友怎么办？
用下面这条简单的式子自行计算出手上相机的极限光圈，式中d为像素宽度，用传感器长边尺寸除长边像素，再换算成微米为单位代入即可。
一些资料、网文及书籍中会提及越过极限光圈后画质下降，如果镜头是一个完美无瑕的光学系统，这种说法成立，但因设计和制造上的不完美，在日常拍摄中像差对清晰度的影响尚列主位，一枚镜头像差的较好表现常常在F5.6以后，所以会出现这么一种情况，设置时明明越过了极限光圈，但清晰度不降反升，不是计算出了问题，而是缩小光圈带来的像差优化盖过了衍射产生的劣质影响，但当光圈缩小到一定大小时，衍射产生的劣质影响又会超过像差减小带来的优化。前有像差，后有衍射，致使每一套完整的相机系统都会存在一个最优的中间区，全画幅相机的这个区域一般是F6.3~F11，像素越高、传感器画幅越小，这个区间越狭窄。
以此实拍为例，从F11开始衍射现象开始对画质产生实质影响，F16的清晰度比F8已有明显损失，F22时更是惨不忍睹，但镜头表示：“前面拍不清楚算我的，后面的锅我坚决不背，要怪就怪传感器不够大”。
04
实测与避免
在被衍射恐惧支配的后段光圈，实测中仅F16与F22一档之差，分辨率折损一半，想象一下使用5000万像素的相机拍摄1200万像素的观感是怎样的一种心理体验。
实拍原图
将使用F16拍摄的图像缩小2倍后再放大2倍，观感接近使用F22拍摄的图像，这个概念相当于使用5000万像素的相机拍摄出1200万像素的观感。
有时为了无可取代的焦外虚化，我们不得不承受大光圈所带来的像差，但小光圈所带来的优势是完全有替代方法的，比如使用慢快门的手法拍摄时，可以用减光镜来代替小光圈，同样能够获得低速快门，又如景深不足时可以使用景深合成的技法来实现全景深的覆盖，受限于篇幅，这些技法后续再在公众号上另开篇幅。
然而衍射就真的那么一无是处吗？其实星芒不就是衍射的产物吗，光圈越小，星芒的芒线及形状越美妙，当然也带来了画质的严重损失，关于如何让好星芒与高画质和谐共处，也会在将来另开篇幅。
左为F16拍摄、右为F22拍摄，小光圈下拍摄的星芒会有更完美干净的表现，但也会伴随可怕的画质损失，细心的朋友可以观察到右图的芒线上甚至出现了一圈圈因衍射造成的干涉图样。
本期文轩仅从分辨率的角度聊聊光圈设置上的误区，而一张好照片，又何止需要清晰呢，最后，除了注意不要把几万的设备用成几千的效果，我们不妨思考一下，无论手机或是相机，依靠提高像素来提升分辨率的空间是否逐渐触顶了呢？下期见。
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