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前段时间看到一篇关于等效光圈的帖子,感觉受益匪浅,也插了几句嘴。令我很惊奇的是,关于等效光圈的争议还挺大!
事后我在网上搜了搜,发现关于等效焦距、等效光圈的话题无论中外都是月经话题,谁也说服不了谁。认可的,早就把这些作为基本事实接受了。不认可的,怎么说都没用。好吧,我也不要说服谁,不过既然开始查了,就把查的结果转一下吧,也算是一个结果。
我是学理工的。科学嘛,最大的特点就是可以证伪。证伪的办法无非两种:理论推导和实验。
理论推导方面,上次看到的帖子就很完备了,没啥可补充的。http://bbs.fengniao.com/forum/5062267.html
实验方面,我找到了一个帖子,里面有演示。随手翻译的,难免有些粗糙。原帖标题是“What does Equivalent Aperture mean?”,网上搜索很容易查到。
等效光圈是什么意思
在看相机/镜头的评测或讨论时,有时候会看到等效焦距和等效光圈。比如,一个50mm f/1.4的镜头用在4/3相机上时等效于100mm f/2.8。
这个到底是什么意思呢?我已经在文章Photography Basics – Focal length中讨论过等效焦距了,在这里仅简单回顾下。这篇文章主要讨论等效光圈的概念,并讨论它与景深和收集的光量的关系。
相机图像传感器的尺寸一般与全幅胶片尺寸比较。通过“截幅系数”来表示传感器尺寸相比于全幅胶片的大小。
比如, 4/3相机的截幅系数是2x , 意味着图像传感器边长是全画幅的二分之一(面积比是四分之一)。
这导致镜头的等效焦距增加一倍。一个 100mm镜头安装在4/3相机上时,视场等效于全画幅相机上200mm镜头。
等效光圈与景深
现在开始讨论等效光圈。当要求用同样的镜头获得同样的视场时, 截幅相机相比于全幅相机必须离拍摄对象更远 (因为截幅相机的视场窄)。离拍摄对象越远,则清晰像场对应的景物面积就越大。
所以2x截幅系数相机的等效光圈比全画幅小2档(注:这里并没有说清楚原理,不过同样的镜头,物距越远,景深自然就越大)。 100mm f/5.6的镜头用在2x截幅系数相机上相当于200mm f/11 镜头 (仅就视场和景深而言)。
图2是APS-C画幅与全画幅的景深比较,右边是APS-C ,左边是全画幅。两张照片都是用100mm f/2.8镜头拍的。APS-C画幅的等效光圈大约小1档,相当于f/4。如果你看焦点前的数字1和焦点后的数字3,你会发现在APS-C照片中它们更清晰一点,原因在于较小的等效光圈。
图2中, APS-C照片的拍摄距离更远。如果保持物距相同,但APS-C相机采用更短焦距的镜头, (APS-C 上65mm 近似等于全画幅上100mm), 由于镜头视角更宽,结果仍然是一样的(注:这一点也很好理解,物距相同时,广角镜头的景深自然更大)。
必须指出,景深的差异是非常小的。我曾经尝试用外景照片来展示不同,但差异太小了,我只能用上图中标尺的放大照片才能使差异可观察到。然而,当传感器尺寸差异更大时,景深的差异就显而易见了,如图3所示。
图3上半部分是全画幅相机, 下半部分是1/2.5" 相机.
等效光圈与收集光线的能力
那么, 等效光圈是如何影响镜头收集光线的能力的呢?这是个很难回答的问题。等效光圈确实影响图像传感器收集的光量,但这个指标并不能说明一个镜头/图像传感器组合在低光照时的成像质量。
图4示出了镜头像场与不同尺寸传感器的关系,传感器尺寸越大,收集的光量越多。
然后呢?尽管较大的传感器能收集更多的光线,必须指出的是,这仅仅影响照片的本底噪声。对于给定的实际光圈,无论传感器尺寸大小,曝光参数是相同的。
由于大尺寸传感器能收集更多的光线,它就有更高的信噪比,所以噪声更低 (参见 Photography Basics - ISO). 所以,传感器尺寸越大,则ISO能设置得更高。
理论上, 等效光圈对应于镜头收集光线的能力。4/3相机上 50mm f/2.8 的镜头、 ISO设为 100等效于全画幅上100mm f/5.6的镜头、ISO设为400。视场是一样的,景深也是一样的,理论上相片的噪声水平也是一样的。
但在实际中,上述理论并不成立,因为相片的噪声水平并不仅仅由传感器获得的光通量决定。传感器技术是同等重要的,甚至有时更重要。
小尺寸相机的噪声水平可能与大尺寸相机完全相同,也可能更差。传感器尺寸是决定相片噪声的一个因素,但绝不是唯一的因素。
例如, 参见 this comparison between the Olympus OM-D E-M5, Canon 5D MkII, and Panasonic GF1 camera. 在 ISO3200, Olympus和 Canon 的噪声水平大致相同, 尽管佳能相机有更大的传感器。松下相机噪声水平就要差很多,尽管它的传感器尺寸与Olympus相同。工艺技术对噪声水平的影响比传感器尺寸更大。
因此, 比较镜头的等效焦距是有意义的。从景深的角度看,讨论镜头的等效光圈也是有意义的。通过等效光圈比较收集光线的能力仅有理论意义,没有实际价值。图1 相机画幅示意图
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