接觸過(guò)攝影的人，想必對(duì)「光圈」一詞并不陌生，但也只是停留在「聽過(guò)」的層面。而一些進(jìn)階攝影者又可能覺得它太熟悉、太基礎(chǔ)了，以至于對(duì)它不屑一顧。

如果你覺得「光圈」是一個(gè)沒有太多深入學(xué)習(xí)價(jià)值的參數(shù)，那么只能說(shuō)明你對(duì)攝影靠得還不夠近，你對(duì)攝影的愛還不夠深。

光圈究竟是什么？

光圈是如何計(jì)算的？

光圈與成像有什么關(guān)系？

為什么大光圈可以帶來(lái)虛化？

大光圈鏡頭為什么大部分都售價(jià)不菲？

這些有關(guān)光圈的問題都是本文嘗試探討并回答的問題。深入了解之后你會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)光圈也是一個(gè)「有故事的人」。

一、光圈

1.1 概念

攝影中所謂的「光圈」，是指鏡頭中用于控制光線強(qiáng)度的一種孔洞狀光學(xué)元件。

對(duì)應(yīng)到現(xiàn)代的鏡頭設(shè)計(jì)中，光圈大致處于鏡筒中部靠前的各組透鏡之間，具體位置因鏡頭而異。圖1-1為兩枚不同型號(hào)鏡頭的光圈物理位置示意圖：

1.2 構(gòu)成及演化

隨著光學(xué)物理與攝影技術(shù)的發(fā)展，光圈的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)也在不斷地演化與迭代。

在早期，光圈就是指一塊金屬板上的一個(gè)圓孔。那時(shí)候想要調(diào)節(jié)光圈大小是一種非常麻煩的事，需要先把鏡頭擰下來(lái)，然后再將另一塊不同圓孔尺寸的金屬片裝上去。

到了1850年代，英國(guó)天文學(xué)家兼攝影愛好者約翰-沃特豪斯（John Waterhouse，1806–1879）發(fā)明（準(zhǔn)確說(shuō)應(yīng)該是「改良」）了一種新的光圈調(diào)節(jié)機(jī)制，他在銅制鏡筒上開了一條縫隙，用于插入不同孔徑的金屬片，從而改變不同的光圈「檔位」，達(dá)到改變光線強(qiáng)度的目的。后人將其稱之為「沃特豪斯式光圈檔」（Waterhous stops）。如圖1-2所示：

后來(lái)，德國(guó)光學(xué)設(shè)備制造商卡爾-蔡司（Carl Zeiss）生產(chǎn)了一種旋轉(zhuǎn)式光圈（亦稱為「光圈撥盤」，aperture dial）[1]，它由一個(gè)鉆有5個(gè)不同孔徑的金屬圓盤構(gòu)成，圓盤中心固定于底座上，旋轉(zhuǎn)圓盤即可改變光圈大小。如圖1-3所示：

從另一個(gè)角度看，它是長(zhǎng)這樣的（如圖1-4）：

比起之前「插鞘式」的光圈，這種旋轉(zhuǎn)式的設(shè)計(jì)既不用拆卸鏡頭，也不用更換金屬片，明顯更加方便和高效，可謂是進(jìn)步了許多。

英文中的Aperture通常被譯為光圈，但它的本意其實(shí)是指光線傳播的孔徑或開口。從這個(gè)角度而言，「孔徑」不僅簡(jiǎn)單易懂，而且也更能反映出「光圈」在歷史上的初期形態(tài)。

大約到了19世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了設(shè)計(jì)更加復(fù)雜、技術(shù)更加先進(jìn)的虹膜隔膜葉片式（Iris diaphragm blades）光圈，它直接內(nèi)置于鏡筒，通過(guò)側(cè)邊的機(jī)械撥桿可連續(xù)調(diào)節(jié)孔徑大小，葉片少則2片，多則20片（今天的鏡頭設(shè)計(jì)多為5-10片），孔徑呈多邊形。如圖1-5所示：

其設(shè)計(jì)和工作原理有些復(fù)雜，大概是這樣的（如圖1-6）：

這種活動(dòng)葉片式的設(shè)計(jì)，靈感來(lái)源于人眼的視覺生理機(jī)制。人眼通過(guò)虹膜改變瞳孔的大小，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入眼球的光線強(qiáng)度。在光線充足的情況下，瞳孔的直徑在2-4mm之間，而在昏暗環(huán)境中，瞳孔的直徑將會(huì)擴(kuò)大至3-8mm之間，因人的年齡而異[2]。葉片類似于眼球中的虹膜（iris），孔徑類似于瞳孔，透鏡類似于水狀體和玻璃體，而相機(jī)傳感器或其它感光元件則類似于視網(wǎng)膜，如圖1-7所示。

二、光圈系數(shù)

在攝影光學(xué)領(lǐng)域，定義鏡頭焦距與光圈孔徑直徑之比為光圈系數(shù)（f-number）。這是是一個(gè)用于衡量鏡頭速度的無(wú)單位數(shù)值。想要更全面地了解這個(gè)參數(shù)，我們要先弄清楚什么是鏡頭的「焦距」。

2.1 焦距

當(dāng)一束平行光線進(jìn)入凸透鏡，經(jīng)折射后在前方匯聚于一點(diǎn)，此點(diǎn)即為焦點(diǎn)，焦點(diǎn)至凸透鏡中心點(diǎn)的距離即為焦距。因凸透鏡匯聚光線且焦點(diǎn)在透鏡前方，故又稱為正透鏡（Positive lens），如圖2-1所示：

反之，若平行光線進(jìn)入的是一枚凹透鏡，經(jīng)折射后則會(huì)發(fā)散出去，發(fā)散光的反向延長(zhǎng)線在透鏡后方相交于一點(diǎn)，此虛擬點(diǎn)即為焦點(diǎn)。因其發(fā)散特征且焦點(diǎn)在透鏡后方，故又將凹透鏡稱為負(fù)透鏡（Negative lens），如圖2-2所示：

鏡頭中的焦距與之相似，但又有區(qū)別。相似之處在于都是以焦點(diǎn)作為其中一個(gè)測(cè)量基點(diǎn)，區(qū)別在于，鏡頭焦距并非指焦點(diǎn)至前一塊或后一塊透鏡的距離，而是指從光線匯聚點(diǎn)至影像傳感器（成像平面）之間的距離。如圖2-3所示：

2.2 光圈系數(shù)

了解完了鏡頭的焦距，我們?cè)倩貋?lái)看光圈系數(shù)。

光圈系數(shù)通常用N表示，公式為：

N = f / D。其中，f 為鏡頭焦距，D 為光圈孔徑直徑。

由此可知，孔徑直徑D = f / N。這便是我們經(jīng)常在鏡頭上所看到的標(biāo)值，用一個(gè)小寫的「f」（事實(shí)上，剛開始規(guī)定用斜體的小寫f表示，后因印刷等原因在傳播上出現(xiàn)了差異和分化）和一個(gè)斜杠「/」表示。

此外，我們還能由此得出，在焦距不變的情況下，N與D呈反比關(guān)系，說(shuō)白了就是：光圈系數(shù)越大，相應(yīng)的孔徑面積越小，反之亦然。圖2-4為不同光圈系數(shù)與對(duì)應(yīng)的孔徑大?。?/p>

那這些光圈系數(shù)具體是如何得來(lái)的呢？

光學(xué)中約定，每減小一檔光圈值（Aperture Value，AV），亦即收縮一檔光圈，通過(guò)孔徑的光強(qiáng)度便相應(yīng)減少一半。因此，在鏡頭焦距不變的情況下，根據(jù)圓面積計(jì)算公式可知，相鄰兩檔光圈系數(shù)之間存在一個(gè)根號(hào)2的比值關(guān)系。其推導(dǎo)過(guò)程如圖2-5所示（不感興趣者可直接跳過(guò)）：

因此，各檔位的光圈系數(shù)構(gòu)成了一個(gè)等比數(shù)列：

這也就是為什么我們?cè)谙鄼C(jī)上調(diào)節(jié)光圈檔位時(shí)光圈系數(shù)并未隨之呈整數(shù)級(jí)連續(xù)變化的原因。

那么，不同檔位的光圈到底如何影響成像效果呢？這便引出了「景深」的概念。

三、光圈與景深

談到光圈，幾乎無(wú)法不提景深，因?yàn)楣馊Φ脑鰷p可以直接影響圖像景深的變化。

景深的英文為Depth of field，簡(jiǎn)稱DOF，它表示的是物體前后人眼可接受的清晰范圍。從理論上來(lái)說(shuō)，只有處于同一焦平面的物體才是清晰的，其余都模糊。而實(shí)際上，由于人眼的分辨率有限，我們會(huì)覺得焦點(diǎn)前后附近的一些區(qū)域，其清晰度依然是可以接受的，并認(rèn)為其依然處于銳聚焦（sharp focus）內(nèi)[3]。這種可接受的銳聚焦內(nèi)的最近與最遠(yuǎn)物體間的距離便定義為景深。

如圖3-1，三支鉛筆都在人眼的清晰可視范圍內(nèi)，則前后兩支鉛筆之間的距離即為景深距離。

景深的計(jì)算比較復(fù)雜，我們只需理解它的定義即可。它的計(jì)算公式如圖3-2所示：

其中，u為鏡頭至物體間的距離，N為我們前文介紹過(guò)的光圈系數(shù)，C為彌散圓大小，f為焦距。

由公式可知，景深與光圈系數(shù)成正比關(guān)系，亦即：在其余參數(shù)不變的情況下，光圈系數(shù)越大，景深也越大，反之亦然。如圖3-3所示，焦點(diǎn)在人物上，景深大小隨光圈系數(shù)的變化而變化：

知道了兩者的關(guān)系之后，我們便可以在實(shí)際拍攝中加以運(yùn)用：

若希望畫面中有更多的景物處于清晰的視野中，我們便可以調(diào)大光圈系數(shù)（即收縮光圈孔徑），常見場(chǎng)景有風(fēng)光攝影、建筑攝影等；反之，若只想主體清晰，其它區(qū)域模糊，則可以減小光圈系數(shù)（即增大光圈孔徑），如人像攝影、局部特寫等。

大光圈的鏡頭不僅可以獲得柔和細(xì)膩的虛化效果，有利于突出主體，而且還能駕馭一些低照度的場(chǎng)景，因此頗受許多攝影愛好者的青睞。

那問題來(lái)了：是不是鏡頭的光圈越大越好呢？

答案當(dāng)然不是。

光圈孔徑大縱然有以上優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺陷。光圈越大，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入鏡頭的光線也越多，但未必光線越多越好，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的光線往往來(lái)自不同光源和方向，十分復(fù)雜，這便意味著鏡頭出現(xiàn)色散的概率也在隨之增大，而色散則是畫質(zhì)的最大殺手。有關(guān)色散對(duì)畫質(zhì)影響可參見影像君的上一篇文章《一份有關(guān)定焦鏡頭的硬核科普，迅速提升你對(duì)攝影器材的認(rèn)知水平》[4]。因此，鏡頭的光圈開得太大（如全開f/1.2等），容易對(duì)焦不準(zhǔn)，出現(xiàn)「跑焦」的現(xiàn)象，這也是為什么許多大光圈鏡頭往往需要收縮一至兩檔的光圈才能獲得最佳銳度的影像。

此外，一些專業(yè)的大光圈鏡頭因需要克服更多復(fù)雜光線帶來(lái)的不確定性，因此需要使用一些低色散材料以緩解色散和像差的影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)生成本和工藝難度大大增加，所有這些，最終都需要消費(fèi)者為此埋單。鑒于此，沒必要過(guò)度沉迷于大光圈的成像效果，畢竟，攝影的世界如此廣闊，她的精彩又豈止于「虛化」呢？

結(jié)語(yǔ)

我們常常會(huì)下意識(shí)地對(duì)一些不了解的、復(fù)雜的事物進(jìn)行概括和簡(jiǎn)化，以緩解不確定性帶來(lái)的認(rèn)知焦慮，而結(jié)果往往便是以偏概全、一葉障目。有關(guān)「光圈」的知識(shí)點(diǎn)亦是如此，看似只是一個(gè)小小的圓孔、幾片葉片而已，實(shí)則涵蓋了許多光學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，凝聚了無(wú)數(shù)研究者的專注與智慧。