說(shuō)起“等效原理”這個(gè)概念，到現(xiàn)在為止依然有著非常多的爭(zhēng)議，而且很多人也并不理解它的實(shí)質(zhì)。所以我們覺(jué)得，是時(shí)候給這個(gè)概念一個(gè)清晰的定義和解釋了——也就是，它意味著什么，以及不能說(shuō)明什么。

等效原理在一般情況下是被用來(lái)簡(jiǎn)單比較不同畫(huà)幅（傳感器尺寸）的相機(jī)鏡頭系統(tǒng)的。實(shí)際上等效換算在鏡頭標(biāo)注上被經(jīng)常提及，比如一個(gè)小畫(huà)幅的鏡頭上經(jīng)常會(huì)標(biāo)注“28-120mm鏡頭”，但是實(shí)際上關(guān)鍵問(wèn)題在于，這是一個(gè)“等效值”。這個(gè)等效的關(guān)鍵就在于用簡(jiǎn)單的方法去對(duì)比不同畫(huà)幅相機(jī)上不同焦距鏡頭的視角，避免了視角本身的非線(xiàn)性換算帶來(lái)的麻煩。

一支在小畫(huà)幅上等效100mm的鏡頭，可以提供和全畫(huà)幅的100mm鏡頭完全相同的視角和透視關(guān)系（因?yàn)槭褂眠@兩者的時(shí)候你會(huì)在同一位置進(jìn)行拍攝），與相機(jī)的實(shí)際畫(huà)幅無(wú)關(guān)，所以我們說(shuō)這兩個(gè)系統(tǒng)是“等效的”。

* 注：畫(huà)幅、焦距和視角換算關(guān)系為：對(duì)角線(xiàn)視角=2arctan（d/2f），d為傳感器的對(duì)角線(xiàn)尺寸，f為焦距。

這就是“（焦距）轉(zhuǎn)換倍率”這個(gè)概念能夠站住腳的邏輯基礎(chǔ)，4/3畫(huà)幅的對(duì)角線(xiàn)尺寸非常接近全幅的一半，根據(jù)上面的公式，焦距也是全幅一半的時(shí)候，可以剛剛好獲取一樣的視角，所以我們說(shuō)，4/3畫(huà)幅上的50mm鏡頭，等效于全畫(huà)幅上的100mm。

但是實(shí)際上，可以被等效的不止是焦距。在我們之前的固定鏡頭相機(jī)測(cè)評(píng)當(dāng)中，我們還會(huì)標(biāo)注一個(gè)參數(shù)叫“等效光圈”，會(huì)寫(xiě)出它在這款相機(jī)中與等效焦距的函數(shù)關(guān)系。在接下來(lái)的討論當(dāng)中，我們會(huì)向大家展示光圈與傳感器尺寸之前到底存在一種什么樣的聯(lián)系。

之所以欽定等效光圈原理，是因?yàn)橄旅孢@個(gè)場(chǎng)景實(shí)在是太常見(jiàn)了——我要選擇兩款相機(jī)，但是它們的實(shí)際傳感器尺寸和鏡頭規(guī)格都不一樣。這在膠片時(shí)代基本上很少發(fā)生，因?yàn)楫?dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)135尺寸的膠片占據(jù)了絕對(duì)主流，更小和更大的畫(huà)幅只是小眾玩物。但是到了數(shù)碼時(shí)代，各種畫(huà)幅和各種規(guī)格的鏡頭群魔亂舞，這個(gè)問(wèn)題便變得愈發(fā)明顯——我們需要一個(gè)快速準(zhǔn)確的方法，來(lái)進(jìn)行不同規(guī)格系統(tǒng)之間實(shí)際性能的比較。

實(shí)際上，（就虛化這件事來(lái)說(shuō)），光圈和傳感器尺寸的關(guān)系相比焦距和傳感器尺寸的關(guān)系來(lái)說(shuō)還要簡(jiǎn)單——決定景深的是光圈的物理孔徑，而不是它的f/值（焦距/光圈孔徑）。兩支鏡頭，只要它們的光圈實(shí)際孔徑相同，那么它們的景深也會(huì)一致。

好的，那么我們就來(lái)比較一下下面兩個(gè)光圈孔徑都是25mm的鏡頭，在這個(gè)前提下，它們還有著相同的視角（等效焦距）。然后我們?cè)谙嗤木嚯x拍攝相同構(gòu)圖的照片，這樣的話(huà)，你所能拍攝到的兩張照片，實(shí)際上是完全一樣的：

沒(méi)錯(cuò)，我們?cè)?/3畫(huà)幅系統(tǒng)上使用50mm f/2的鏡頭，最終拍攝到的畫(huà)面（視角和景深）與全畫(huà)幅機(jī)身上的100mm f/4鏡頭完全相同——即使在鏡頭本身的規(guī)格上它們完全不一樣。所以我們完全可以說(shuō)“4/3畫(huà)幅上的50mm f/2鏡頭等效于全幅上的100mm f/4鏡頭”。這個(gè)等效，在這里指的是完全一樣的視角和景深。

圖中深色區(qū)域是APS-C的像場(chǎng)，淺色區(qū)域是全畫(huà)幅的像場(chǎng)。可以很明顯的看到在照度相同的前提下它們的總受光能量是不一樣的——這就是在這一節(jié)當(dāng)中我們要討論的內(nèi)容。

等效光圈原理所能告訴你的不只是在不同畫(huà)幅的系統(tǒng)上你能夠獲取多少景深，它還能告訴你實(shí)際上傳感器能接收到多少光——很明顯，傳感器能接收到的光更多的情況下，你所能拍到的照片就會(huì)具有更少的噪聲，這就是為什么我們經(jīng)常說(shuō)“底大一級(jí)壓死人”的原因。

是的。小畫(huà)幅鏡頭上標(biāo)注的f/1.2確實(shí)是按定義（焦距/光圈孔徑）來(lái)標(biāo)的。但是，小畫(huà)幅上的f/1.2，并不“等效于”全畫(huà)幅f/1.2（的成像效果）。

f/制光圈是個(gè)只取決于鏡頭本身的數(shù)值，并不會(huì)跟著傳感器尺寸的變化而變化。這一點(diǎn)跟等效焦距是一樣的——50mm鏡頭裝到小畫(huà)幅機(jī)身上，其實(shí)際焦距依然是50mm，變的只是視角，而且視角的變化是因?yàn)椤安们小?，也就是小?huà)幅傳感器并沒(méi)有使用全畫(huà)幅像場(chǎng)的全部原始數(shù)據(jù)。所以這時(shí)候我們說(shuō)這個(gè)鏡頭在這個(gè)小畫(huà)幅機(jī)身上“等效100mm（視角）”。

同樣的，f/制光圈告訴你的是傳感器單位面積上的照射強(qiáng)度，這個(gè)與傳感器尺寸是木有關(guān)系的。但是，傳感器面積有多大，會(huì)影響到整個(gè)傳感器接受的總光量，這里的等效光圈關(guān)系，就取決于，你在同樣的鏡頭后面，放了多少個(gè)平方毫米的底子，用來(lái)接受鏡頭折射后的光線(xiàn)。

但是為什么不同的總進(jìn)光量可以獲得相同的曝光呢？實(shí)際上，是因?yàn)镮SO（的定義）。

所以我們就來(lái)把ISO這個(gè)概念批判一番。ISO表示的東西是，在某個(gè)給定的入射光強(qiáng)度和快門(mén)速度下，你可以用相同ISO的感光介質(zhì)獲取相同亮度的最終照片。所以ISO標(biāo)準(zhǔn)基于的是f/制光圈，而不是光圈的實(shí)際孔徑，或者說(shuō)等效光圈。這就意味著，4/3系統(tǒng)上的50mm f/2和全畫(huà)幅的100mm f/2，都設(shè)為ISO100，采用相同的快門(mén)時(shí)間拍攝出的JPEG照片亮度相同?！词箤?shí)際上4/3畫(huà)幅的這塊傳感器，只接受到了全幅傳感器1/4的總能量。

ISO這個(gè)概念很有效，這使得你用不同畫(huà)幅的相機(jī)都能獲得準(zhǔn)確一致的曝光（前提是ISO不虛標(biāo)）。但是實(shí)際上，這個(gè)一致的曝光背后傳感器接受到的實(shí)際能量是不一樣的，同樣的f/值下（意味著同樣的單位面積照度），全幅傳感器面積是4/3畫(huà)幅的4倍，也就意味著它能獲取到4倍于4/3畫(huà)幅的總能量。所以在這種情況下，全幅傳感器可以輸出更干凈、信噪比更高的畫(huà)面。

要補(bǔ)償這個(gè)差異怎么辦？唯一的辦法就是給小畫(huà)幅相機(jī)配上一支實(shí)際光圈更大的鏡頭，使得小畫(huà)幅傳感器上的實(shí)際總接收能量達(dá)到全畫(huà)幅傳感器配小光圈鏡頭的水平。不過(guò)要指出的是，這個(gè)辦法只有在弱光環(huán)境下才可以使用，換到強(qiáng)光環(huán)境，由于ISO的下限達(dá)不到0，使用大光圈鏡頭，在超出快門(mén)速度上限之后，會(huì)導(dǎo)致小畫(huà)幅機(jī)身的高光溢出。

好了，如果說(shuō)這兩臺(tái)不同畫(huà)幅的機(jī)器，在接收到相同的總能量的前提下達(dá)到相同的輸出亮度，A機(jī)器的ISO值要設(shè)為A，B機(jī)器的ISO值要設(shè)為B，那么可不可以說(shuō)A機(jī)器的ISO A等效于B機(jī)器的ISO B呢？

行，也不行。如果我們引入等效ISO這個(gè)概念，就意味著，在相同的等效ISO下獲取同樣的曝光，傳感器接收到了一致的總能量【這也意味著具有相同的（散粒噪聲）信噪比】。這可以給我們對(duì)比不同畫(huà)幅&鏡頭系統(tǒng)的弱光性能帶來(lái)極大的方便，兩倍的總能量就意味著兩倍的信噪比，簡(jiǎn)單粗暴。

1、等效焦距=實(shí)際焦距×傳感器裁切倍率，實(shí)際等效的是“視角”。

2、等效光圈=f/值×傳感器裁切倍率。

3、等效光圈原理告訴你的是小畫(huà)幅機(jī)身鏡頭系統(tǒng)可以獲得相當(dāng)于全畫(huà)幅系統(tǒng)多少規(guī)格的虛化能力和弱光性能。

4、f/值能告訴你的是傳感器單位面積的照度，但是實(shí)際上，更大的傳感器可以在相同的f/值下收集更多的光線(xiàn)。

5、f/值和ISO都是無(wú)關(guān)于傳感器尺寸的參數(shù)。但是等效光圈是。

實(shí)際上概括起來(lái)就是：使用同樣的鏡頭（比如都是50mm f/2）的情況下，小畫(huà)幅系統(tǒng)既不能提供相當(dāng)于全畫(huà)幅100mm f/2的景深（虛化），又沒(méi)法提供相當(dāng)于全畫(huà)幅100mm f/2的畫(huà)質(zhì)（信噪比），所以只能當(dāng)作全畫(huà)幅的100mm f/4來(lái)使用。

* 注：實(shí)際上等效光圈還有第三原理——等效衍射，在星芒/衍射極限光圈等方面，小畫(huà)幅系統(tǒng)也滿(mǎn)足等效光圈原理。比如全畫(huà)幅系統(tǒng)用f/11可見(jiàn)明顯星芒的話(huà)，類(lèi)似結(jié)構(gòu)的4/3畫(huà)幅鏡頭在f/5.6就可以看到同樣的效果。

我們選用了幾個(gè)等效焦距都是85mm的系統(tǒng)，實(shí)際物理光圈都是f/1.2。它們擁有不一樣的等效光圈。

實(shí)拍檢驗(yàn)：

實(shí)際上結(jié)論還是挺明顯的，同樣的f/值下，大尺寸傳感器擁有比小尺寸傳感器更好的虛化能力。那么是否嚴(yán)格滿(mǎn)足等效光圈原理所對(duì)應(yīng)的關(guān)系呢？讓我們繼續(xù)看下一組檢驗(yàn)：這一組檢驗(yàn)當(dāng)中我們采用相同的等效光圈，而非實(shí)際光圈。

由于1英寸系統(tǒng)的實(shí)際等效光圈最小，我們就讓其它系統(tǒng)都來(lái)迎合它，統(tǒng)一設(shè)為f/3.2的等效光圈。

可以看到在同樣的等效光圈下背景的模糊程度基本相同，最右邊的1英寸底看起來(lái)圓點(diǎn)稍微實(shí)一些，但是問(wèn)題的原因是1英寸的這支鏡頭焦外色散偏大，而不是因?yàn)閳?bào)道出現(xiàn)了偏差。但是實(shí)際焦外成像細(xì)節(jié)對(duì)比仍然有一些不同，這跟鏡頭本身的結(jié)構(gòu)也是有著相當(dāng)?shù)年P(guān)系。

1、景深和虛化效果不是一回事，后者還會(huì)受實(shí)際鏡頭素質(zhì)的影響。

2、相同等效焦距和等效光圈下的景深相同。

3、彌散圓的樣子取決于光圈葉片的形狀。

等效信噪比的實(shí)踐檢驗(yàn)

接下來(lái)要驗(yàn)證的是等效畫(huà)質(zhì)（信噪比）。在這一環(huán)節(jié)首先我們把四臺(tái)相機(jī)設(shè)為同樣的f/值、快門(mén)速度和ISO（f/2、ISO200、1/1.3s），在一個(gè)弱光環(huán)境下去檢驗(yàn)它們的畫(huà)質(zhì)。

很明顯，從左到右畫(huà)質(zhì)依次變差，信噪比降低。那么問(wèn)題來(lái)了，它們之間的差距，是不是也嚴(yán)格符合等效光圈原理的比例關(guān)系呢？

跟景深當(dāng)中的檢驗(yàn)一樣，我們還是把四臺(tái)相機(jī)設(shè)為相同的等效光圈。調(diào)節(jié)ISO值使得四臺(tái)相機(jī)都能夠正確曝光。由于上面四臺(tái)相機(jī)的畫(huà)幅比例不同，我們不按照對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，而按照面積的平方根之比來(lái)?yè)Q算等效光圈。

這次的四臺(tái)相機(jī)畫(huà)質(zhì)基本一致了。存在些許區(qū)別的原因是像素總數(shù)不完全一致/鏡頭T值有區(qū)別/傳感器量子效率不完全一致等。但是大方向檢驗(yàn)等效光圈原理還是問(wèn)題不大的。

所以結(jié)論就是，我們完全可以通過(guò)等效光圈原理來(lái)近似判斷系統(tǒng)的弱光性能，不過(guò)，如果要想作出準(zhǔn)確一些的判斷，需要知道鏡頭的T制光圈（決定鏡頭的實(shí)際通光量）。

前面已經(jīng)說(shuō)了，等效光圈給了我們一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的工具，用于對(duì)比系統(tǒng)的弱光畫(huà)質(zhì)和虛化能力。但實(shí)際使用的時(shí)候還要考慮到一些實(shí)際限制，比如最簡(jiǎn)單的，在強(qiáng)光下我沒(méi)法用小畫(huà)幅的超大光圈來(lái)獲取淺景深，因?yàn)闀?huì)過(guò)曝。但拋開(kāi)這些細(xì)節(jié)問(wèn)題，等效光圈依然是一個(gè)十分實(shí)用的工具，用于對(duì)比不同畫(huà)幅/價(jià)格的相機(jī)，你可以簡(jiǎn)單的知道你能夠獲取多么好的畫(huà)質(zhì)，和多么虛化的效果。不要被小畫(huà)幅的大光圈鏡頭迷惑了，實(shí)際上畫(huà)幅和鏡頭的均衡，才能取得最好的效果。

* 注：目前的自動(dòng)、數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)里，這個(gè)均衡點(diǎn)恰好就是135全畫(huà)幅——比它小的系統(tǒng)底太小，比它大的系統(tǒng)光圈太小，等效下來(lái)都不夠暴力。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的表格，寫(xiě)出了目前在產(chǎn)自動(dòng)對(duì)焦數(shù)碼系統(tǒng)的最大等效光圈值：

弱光環(huán)境下，等效光圈決定了你可以獲取多么干凈的畫(huà)質(zhì)。