「教程」高像素时代的衍射效应和最佳光圈

本来我以为这个问题是一个小白都知道的常识。可是这几年我做了大量线下实体讲座，讲课过程中我发现，大部分听众（也许有80-90%）根本不知道这个概念。这包括一大批很有经验的摄影师。

有一次我讲完课，下面的一名听众告诉我他恍若大悟。

他说有一次他帮一名著名风光摄影师作展览，但发现他所有的照片放大后画质都不清晰，都经不起放大。 这位摄影师几乎所有的作品都用是f/22这样的小光圈拍摄。本来以为这样可以有大景深，照片应该处处清晰。结果却不是。

听了我讲后他才明白，原来f/22是我们应该极力避免的光圈值。

什么是衍射效应？学过中学物理的都知道，波（比如水波，声波）在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后會发生不同程度的弯散传播 （这是Wiki的解释）。

当波通过一个小孔的时候，孔径越小，波束扩散越大。下图左边的孔径大，右边的孔径小，因此右边的波束扩散的更厉害。

（图片来源：schoolphysics.co.uk）

光其实也是一种波。而镜头的光圈是一个小孔。光线通过光圈的时候，同样会发生衍射。光线本来应该会聚成一个小点，因为衍射效应扩散，结果成了一个明暗条纹间隔的光斑，这种斑物理学家称之为埃里斑。

上图是计算机模拟的埃里斑，图片来自wiki

这是一束红色激光通过小孔形成的埃里斑，图片来自wiki

理工男，你说这些枯燥无聊的物理理论干吗？对摄影有一毛钱的用途吗？

有。有成千上万元的用途。因为衍射效应会严重影响画质。它能把你价值几万人民币的顶级单反系统，或价值几十万元的中画幅后背系统的解像力，降低到价值数千元入门机的水平。

任何光圈都会导致衍射。光圈越小，衍射效应越严重，埃里斑越大。

我们想象一下，本来画面中相邻但不重叠的两个小点，我们的传感器能分辨。数毛党们最喜欢*事，就是去看能不能在照片上分辨出两根毛出来。

但由于衍射效应，这两个小点变成了两个大光斑。如果衍射效应严重，这两个光斑很大，会重叠严重，导致传感器完全没法分别它们，把它们当成一个点了。如果是两根毛，现在融合成一根毛了。

结果自然是解像力大大下降。对数毛党来说，这可是天大的事。

这里我们要引入一个概念　Diffraction Limited Aperture (DLA) - 衍射极限光圈。

对任何一个相机来说，我们缩小光圈都会损失画质。一开始损失有限，人眼可能看不出来。 但凡事有一个极限。超过这个极限，画质就开始明显受损。

那么我们怎么来确定这个极限？什么样的光圈才会影响画质？

这个问题和像素大小和光圈值有关。

• 5千万像素的佳能5DSR的像素间距是4.14微米。
• 3千万像素的佳能5D４的像素间距是5.36微米。
• 一亿像素的飞思数码后备的像素间距是４.6微米。
• 除了这几天刚上市的1.5亿像素的飞思数码后备外（其像素大小只有3.76x3.76微米），5DSR是目前主流高档相机里像素最小的。

像素越小，像素密度越高，受衍射效应的影响就越严重。

在下面的图中 (www.cambridgeincolour.com上有这个计算器），每一个细方格代表一个像素。在计算的时候，我们选择佳能 EOS 7D/60D 机型，因为这些机型的CMOS像素大小是４.3微米，很接近5DSR的像素大小。显然：

1. 当光圈是f/4的时候，埃里斑直径是5.3微米。不过这个直径包括了光斑外围比较弱的部分。如果我们只看中间最亮部分，我们可见它的直径小于一个像素。f/4光圈对解像力不会有可见影响。

2.当光圈是f/8的时候，埃里斑直径是10.7微米。不过这个直径还是包括了光斑外围比较弱的部分。如果我们只看中间最亮部分，我们可见它的直径稍微大于一个像素。f/８光圈对解像力开始有轻微影响－　这个影响很小，肉眼不容易看出。f/８就是５DSR这个相机的衍射极限光圈。

当光圈是f/11的时候，埃里斑中间最亮部分开始跨越1.5个像素，两个相邻点或线条现在可能会重叠到一起，不可分辨。解像力进一步受限，虽然这个影响一般大家依然可以忍受。

显然，如果相机的像素比较大（传感器像素低，比如5D Mark4），那么f/11大概也看不到什么衍射效应。那么f/11可以算是它的衍射极限光圈。

3.当光圈是f/22的时候，埃里斑中间最亮部分开始跨越9个像素! 这意味着什么？本来5000万像素的相机，现在分辨率下降到5000/9 = 555万！

当然实际计算分辨力没这么简单。CMOS传感器是马赛克安排，解码时候还要猜色，但f/22导致分辨率急剧下降是理论上铁板钉钉的事。

理论归理论，不少人不碰南墙不回头，面对理论，还是拒绝相信的。实际拍摄效果如何呢？我们来看看下面一个拍摄实例（这是我书中用过的例子）：

我们再看另外一个新例子，这是有一次我出门讲课前，突然想到要另外一个衍射效应例子，于是拿出相机脚架，用长焦拍摄我家后院远方的树林。

我放了4张原始RAW文件（f/8、f/11、f/16、f/22）在百度云盘上。如果读者拒绝相信我的话，并且有兴趣的话，可以自行下载研究：

链接：https://pan.baidu.com/s/1DivL1-C6miPsf6CCXJHt2w 密码：oqyp

拍摄器材：Canon 5DSR Canon EF 70-200mm f2.8L IS II。相信我，一定是最稳定的支撑系统，锁定对焦，实时取景，２秒延迟拍摄。

注意，为了手机和投影仪看图方便，下面的例子全部是放大约400%的屏幕截图，因此哪怕是f/8的成像看起来也有点不实。如果是100%图像截图，f/8会很清晰，但手机上看可能就太小了。

但这些图应该能足够说明问题。如果想看细节，读者可以去解码我提供的RAW文件。

f/8(未锐化）的400％截图

再看看f/22(未锐化）的400％截图。差别大吧？

怎么样，差别大吧？

不止是5DSR有这个限制。所有的高像素相机，不管是135系统还是中画幅系统，都面临同样的问题。

飞思博客网站上给出了一个飞思一亿像素后背在不同光圈下的表现。结论是f/8清晰，f/11开始画质下降。 f/16画质损失就很明显了。 f/22非常糟糕。

我们能不能定量估计一下，在高像素机上，f/22 这样的小光圈，到底有多糟糕？我们来做一个实验（你也可以自己做）。

在PS里，我们首先把刚才那张5DSR的f/8的图片缩小。边长缩小到原来的50%。我们知道，边长缩小50％，结果图片像素会只有原来的1/4。也就是说，原来是5000万像素，现在只剩下1500万像素。

我们再把这个1500万像素的图像插值回到原来大小。现在我们把这张模拟的1500万像素，f/8照片，和刚才那张5000万像素,f/22照片比比看：

模拟的1500万像素，f/8图片的400％截图

5000万像素，f/22的400％截图

怎么样？1500万像素，f/8图片细节和清晰度都明显更好。换句话说，

如果你和某些老法师一样，坚持用f/22，坚决不相信科学和理论，那么你用5000万像素高级机身拍摄的照片，其清晰度大概相当于用1000万像素左右的老掉牙机器拍摄的！！！

这也符合我们前面的快速估计。

7、关于衍射效应的很多奇谈怪

关于衍射效应，某些人，包括某些名人，有一些奇谈怪论。比如布赖恩·彼得森　（Bryan Peterson），这个著名老法师代表。这位是《理解曝光》等全球畅销书的作者。

他在书上和自己的讲座里一直说： “网上关于衍射效应的说法全部是胡扯。为啥胶片时代我用小光圈从不担心衍射？”这句话已经成为笑柄。能这样完全罔顾理论和事实，我也是醉了。

胶片时代的确有很多人用f/22-f/32，亚当斯这群人还用f/64呢，给自己的小团体取名f/64小组。可是原因是啥呢？

1. 那时候极少有人把照片放的特别大。一般最多放大7-10倍。135胶片放大风光片，一般也就到12寸，再大就没法看了。这也就是那时候拍风光几乎一定要中画幅起步的原因。 135胶片真没法看。
2. 数码时代不一样了。高像素135相机拍的文件，可以轻易放大到一米或更大。放大倍数高这么多，我们对原始画面清晰度要求自然也高的多。
3. 对了，虽然我现在的主力机器是中画幅，可如果有人说严肃拍风光的都是中画幅起步，我得说“醒醒，醒醒”。
4. 老镜头素质差，分辨率差，掩盖了衍射效应。
5. 最关键的原因，是胶片本身分辨率有限。

比如，135反转片的有效分辨率大约相当与8百万-1千万像素 。比EOS 5D（1千2百万）这样的老古董还低。我们看看如果是EOS 5D（8.2微米像素大小），f/22，结果会怎样？

显然，5D这个古董相机的像素大小是5DSR的近４倍。f/22对5D的影响，约等于f13-16对5DSR的影响。影响还是在那儿，但的确不那么明显。大部分反转片实际分辨率还不如5D，所以f/22虽然不是最佳光圈，但还是可以用的。特别是胶片时代我们很少把照片放那么大，因此一般是没问题的。　

至于说现代高像素相机上用f/22也没问题, 那就纯粹是胡说了。　

还有另外一个老法师说“衍射效应的确存在，但根本不用担心。简单锐化一下就可以了”。拜托，锐化只能提高反差，不能增加细节。模糊成一片的图片，你如何锐化？

把f/11的结果锐化成接近f/8是可能的，把f/22的结果锐化到f/8-f/11是不可能的。而且f/8的图也可以进一步锐化，让图看起来更锐利。

所以古代人可以用f/22, 并不等于现在可以用。其背后的原因我们需要想一想。

8、衍射校正

那么，后期到底能否消除衍射效应带来的问题？

通过适当的锐化，我们能增强反差，让画面看起来锐利。 但失去的细节是不可能通过常规锐化(USM) 找回来的。

但是，有一种特殊算法（反卷积/Deconvolution）能找回部分细节。 这需要建立复杂的数学模型，然后反推衍射发生前的原图，用于处理哈勃望远镜的图像。

记住，PS里的USM锐化不是反卷积算法！

很多软件/硬件目前开始加入了反卷积算法。下面是一些例子：

• 佳能的DPP里的镜头优化模块　
• 佳能5D4机身内部算法
• Capture One Pro 10以后版本　
• FocusMagic软件

佳能的DPP里的镜头优化模块已经包含了衍射补偿功能（反卷积算法)。你只要打开数码镜头优化功能就可以了。

Capture One Pro 10引进了“消除衍射”功能， 能消除接近一档光圈的衍射影响。 f/16的照片可以接近f/11的效果。

FocusMagic是另外一个反卷积算法锐化软件， 它可以减轻因为衍射/抖动/失焦而导致的模糊， 但是目前只对TIFF/JPG锐化，不是对RAW锐化。

我们来看看佳能DPP的数码镜头优化模块的反卷积算法到底有没有用：

f/8无优化（400%截图）

f/16无优化

f/16打开优化

显然，DPP的反卷积算法是很有效的。虽然不能消除２档小光圈的影响，但效果还是很明显。

我们再来看看佳能DPP的数码镜头优化模块的反卷积算法对f/22光圈到底有没有用：

f/8无优化（400%截图）

f/22无优化

f/22打开优化

还是有明显效果。

咱们如果不玩这么高深的反卷积锐化，就用PS里的普通USM锐化可以吗？不可以！

我们来比较：

f/22原图无锐化（400%截图）

f/22 DPP 镜头优化模块锐化

f/22 USM锐化（我试验了不少参数，实在没法做的更好）

显然，USM锐化只是能提高一点反差而已。 而且它会导致大量的噪点。

9、更深入的一些内容

艾利斑大小还和光线波长有关。但我们不是拍单色光波，所以只能考虑平均。

另外，同样光圈值，在不同焦距下，其物理孔径大小是不一样的，衍射效应是不是一样？答案是一样，光圈大小和艾利斑直径直接相关。　

我们看实际情况吧。 下图是DPReview的EF 16-35III 5DSR的评测。这么镜头可能是当前最好的一枚广变焦了, 至少是之一吧。 和F16-35II比，真是彻底脱胎换骨。

16mm端的f/5.6, f/11, f/22的分辨率:

35mm端的f/5.6, f/11, f/22的分辨率:

变焦镜头的两端的分辨率绝对值不能直接相比，但我们看趋势吧，特别是比较小光圈地时候，镜头中央分辨率主要是受衍射极限而限制。

显然，不管是16mm还是35mm端，相对变化是相当一致的 （注意从f/11 到 f/22的变化）

DPReview的这个测试，也对我们选择什么样的光圈 有一些启发：

• 显然，f/5.6的画面中心锐度最高，但边缘分辨率明显不行。
• 缩小到f/8, 画面中心锐度稍微有点下降，但边缘分辨率明显提高。
• 缩小到f/11, 画面中心锐度进一步下降。

考虑到用广角拍风光基本是需要包括前景的。用f/5.6大部分情况景深是不够的，而且边缘分辨率又那么差。因此我觉得最好的光圈还是f/8左右，再加上后期衍射补偿，我们依然能最大限度利用这个系统的分辨率。

有必要的话，放宽到f/11（换取更大景深），再加上后期衍射补偿，也是可以的。

当然不同镜头不一样。有些镜头（基本所有中长焦都是这样，很多定焦广角也是如此）全开或稍微收缩一点光圈，边缘画质就到顶，不会在提高了。

用长焦的时候我们一般不必考虑缩小光圈去提高边缘。但是景深还是需要考虑的，所以我还是会用f/8－f/11。

10、请说人话！

波长，衍射，艾利斑，反卷积，说了那多技术名词，很多文艺青年估计都懵了，到底我们应该用多大光圈？

下面是文科生也能看懂的结论：

这里假设我们只是拍风光，需要全景深。不拍摄背景虚化的人像。　

大光圈的特点：

• 衍射效应小，反差/分辨率高　（好事）
• 景深太浅　（坏事）
• 残留相差(暗角，紫边，边角锐度）大（坏事）

小光圈的特点：

• 景深大（好事）
• 残留相差小（好事）
• 衍射效应大，反差/分辨率低（坏事）

当我们拍摄风光的时候，我们要在景深和清晰度之间作一个权衡。

对大部分当代高像素数码相机如5DSR来说，用f/5.6拍摄清晰度一般最好。所以有极少数狂人如Mark Metternich哪怕是用14mm定焦超广角的时候， 也坚持只用f/5.6加多张景深合成。他认为这样画质最好。

但对多数人来说， f/5.6的景深通常不够，总做景深合成也麻烦，此外某些镜头边角残余相差也是一个问题，上面我们就举过一个例子，说明16-35 f/2.8III在f/5.6的时候边角分辨率不行。

• 如果可能，我建议大家能用f/8最好，其清晰度非常接近f/5.6, 但景深好一些，边角画质也高一些。
• f/11是最常用最方便的折中。
• 极少数情况可以放宽到f/13-f/16。迫不得已才用f/22，但这时候就只是记录，不要对画质有任何指望。

前面例子显示，f/22能把5千万像素的机身分辨率变成比1千万像素还差。如果你和某些老法师一样，面对理论和事实还是做鸵鸟，请你自己用f/22拍片，然后来告诉我这画质没问题。

注意，以后如果发布更高像素相机（比如已经发布的飞思的1.5亿像素后背，或者未来7-8千万像素的135系统），衍射效应带来的限制会更严格。那个时候我们主要用f/5.6-f/8。

如果用f/8-f/11拍摄景深不够怎么办？我们有两个办法。

• 景深合成！不要再傻呼呼用f/16-f/22! 那样景深再大，但从近到远画面处处疲软，有啥用呢？
• 用移轴镜头的俯仰动作。 这个是我们以后课程要讲的内容。

如果我们需要用比较慢的快门速度拍流水，海浪，和瀑布，请不要把光圈收小到f/16-f/22或更小（有的镜头还能到f/32呢）! 虽然流水本身没有太多细节，但周边的岩石，树枝等在小光圈下画质损失严重。

如果有可能，我一定会用中灰滤镜而不是小光来控制快门速度，中灰滤镜我建议采用卡色中灰滤镜，因为其偏色低，画质高清，总体品质相当不错。而且我也一直在用它与飞思一起创作。如果因为特殊原因（比如带了灯泡镜头却没有相应滤镜系统）没法用滤镜，我会用小光圈拍水，然后用f/8-f/11再拍摄一次岸边景物。 我在我的书中讲解过这种“速度合成”技术。

当然，如果你的摄影的全部目的就是在手机上发朋友圈或网上发小图，不印大照片，那么你用f/22-f/32好了。可是，你干嘛要用相机呢？手机更好用。　

今天的衍射效应这一课到此结束。

END

我是云漫（胡亦鸣），旅居美国的华裔风光摄影师。 我是一个当今时髦的跨行业斜杠人：美国大学计算机终身教授 / 电子工程博士 / 职业自由风光摄影师 / 卡色光学全球形象大使 / 瑞士阿尔帕相机荣誉摄影师 / 佳能合作摄影师 / 《旅行者杂志》非凡旅行者 / 畅销风光摄影教科书《极致之美》作者。