光圈
光圈（Aperture）是一個(gè)用來控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面光量的裝置，它通常在鏡頭內(nèi)部。
對(duì)于已經(jīng)制造完成的鏡頭，不能夠隨意改變其直徑，所以通過在鏡頭內(nèi)部加入多邊形或圓形，并且面積可改變的孔狀光柵來控制鏡頭通光量，這個(gè)裝置就叫做光圈。
表達(dá)光圈大小用F/數(shù)值來表示：F=鏡頭焦距/鏡頭有效口徑直徑
光圈的檔位設(shè)計(jì)是相鄰的兩檔的數(shù)值相差1.4倍（2的平方根1.414的近似值）相鄰的兩檔之間，透光孔直徑相差根號(hào)2倍，透光孔的面積相差一倍， 底片上形成的影像的亮度相差一倍，維持相同曝光量所需要的時(shí)間相差一倍。
完整的光圈值系列如下：
1/1.0 ，1/1.4 ，1/2.0 ，1/2.8 ，1/4.0 ，1/5.6 ，1/8.0 ，1/11 ，1/16 ，1/22 ，1/32 ，1/44 ，1/64
長焦距鏡頭的口徑要比短焦距鏡頭的口徑大。
光圈的作用在于決定鏡頭的進(jìn)光量，F(xiàn)后面的數(shù)值越小，光圈越大，而進(jìn)光量也就越多；反之，則越小。簡單的說，在快門速度（曝光速度）不變的情況下，光圈F數(shù)值越小光圈就越大，進(jìn)光量越多，畫面比較亮；光圈F數(shù)值越大光圈就越小，畫面比較暗。
舉例來說：貓咪白天的瞳孔總是縮成一條線，到了晚上，就自動(dòng)地打開成為一個(gè)圓孔。所以，同樣道理，在拍照時(shí)，光線強(qiáng)烈，就要縮小光圈，光線暗淡，就要開大光圈。也就是說F值越小的相機(jī)（其他參數(shù)不變），越有利于夜景拍攝。
光圈葉片與衍射
光圈葉片（Aperture blades）是光圈內(nèi)調(diào)節(jié)孔徑的一組重疊的片狀部件。葉片組合后在中央形成一個(gè)近似的圓形孔，調(diào)節(jié)葉片就可以調(diào)整圓孔的大小。
理論上，鏡頭的孔徑應(yīng)該是圓的，光圈也應(yīng)該是圓的。但實(shí)際上，目前絕大多數(shù)鏡頭的孔徑，在經(jīng)過光圈機(jī)構(gòu)之后，就不再是完美的圓形，原因是鏡頭需要使用光圈葉片開合來調(diào)整光圈的尺寸（通光孔徑大小），結(jié)果就是經(jīng)過光圈葉片的控光（遮擋），光圈形狀就變成一個(gè)多邊形，例如六邊形或者八邊形，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生 衍射（Diffraction，又稱繞射）現(xiàn)象。
在經(jīng)典物理學(xué)中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后，會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播，假設(shè)一個(gè)障礙物（例如光圈）放在光源和觀察屏（相機(jī)的影像傳感器/膠片）之間，則會(huì)有光亮區(qū)域和陰暗區(qū)域出現(xiàn)在觀察屏上，此時(shí)的明暗區(qū)域邊界就會(huì)出現(xiàn)“不銳利”但明暗相間的復(fù)雜圖樣。此時(shí)的衍射，則會(huì)根據(jù)障礙物的形狀，進(jìn)而出現(xiàn)圓孔衍、單縫衍射、光柵衍射等不同現(xiàn)象。
以鏡頭的光圈來說，就會(huì)因?yàn)楣饩€經(jīng)過兩片相鄰的光圈葉片重疊位置所形成的一個(gè)尖銳起角或邊緣，而產(chǎn)生由多種衍射現(xiàn)象疊加而成的成像效果。
鏡頭光圈機(jī)構(gòu)中光圈葉片的數(shù)量、形狀、開合角度，決定光圈機(jī)構(gòu)所形成的孔徑的近“圓”程度，繼而影響衍射對(duì)成像分辨率的限制程度，以及“星芒”拍攝效果中的點(diǎn)光源星芒數(shù)量、長度和強(qiáng)度：
光圈葉片與成像分辨率
鏡頭的光圈機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)中使用盡可能接近“圓”的組件。因此光圈葉片的數(shù)量、形狀、開合角度，在設(shè)計(jì)的時(shí)候也是朝著這個(gè)目標(biāo)接近。也正因如此，在光圈機(jī)構(gòu)的遮擋下，圓孔衍射所帶來的成像影響是最主要的效果。而圓孔衍射中的艾里斑（Airy disk）就是對(duì)光學(xué)成像儀器（相機(jī)）成像質(zhì)量的主要影響之一。
什么是艾里斑呢？
- 艾里斑是點(diǎn)光源通過理想透鏡成像時(shí)，由于衍射而在焦點(diǎn)處形成的光斑。中央是明亮的圓斑，周圍有一組較弱的明暗相間的同心環(huán)狀條紋，把其中以第一暗環(huán)為界限的中央亮斑稱作艾里斑。
- 簡單來說，當(dāng)平面光波入射穿過圓孔時(shí)，會(huì)形成圓對(duì)稱衍射圖樣（類似于水波紋的同心圓環(huán)），其能量最集中的地方在中心位置，因此中心部分最亮，而中心向邊緣的亮度（能量）會(huì)隨著衍射光束偏離原來的傳播方向而出現(xiàn)衰減。
- 而圓孔孔徑越小，其衍射光束偏離越嚴(yán)重，中心向外的能量衰減越明顯，艾里斑的衍射圖樣就會(huì)表現(xiàn)為一系列明暗相間的同心圓環(huán)。此時(shí)的徑向距離越大，各個(gè)明亮圓環(huán)的亮度就越低，對(duì)成像質(zhì)量的影響就會(huì)越明顯。
講到這里，不得不提極限光圈衍射（DLA ，Diffraction Limited Aperture)。
要了解極限光圈衍射，必須先知道極限衍射。
衍射極限是指一個(gè)理想物點(diǎn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像點(diǎn)，而是得到一個(gè)夫朗和費(fèi)衍射像。因?yàn)橐话愎鈱W(xué)系統(tǒng)的口徑都是圓形，夫朗和費(fèi)衍射像就是所謂的艾里斑。這樣每個(gè)物點(diǎn)的像就是一個(gè)彌散斑，兩個(gè)彌散斑靠近后就不好區(qū)分，這樣就限制了系統(tǒng)的分辨率，這個(gè)斑越大，分辨率越低。這個(gè)限制是物理光學(xué)的限制，是光的衍射造成的。
在相機(jī)成像系統(tǒng)中，鏡頭光圈值的大小與衍射極限（Diffraction Limit）有直接關(guān)系，因此，就有了極限光圈衍射這種綜合表述。
再來結(jié)合艾里斑，就能夠明白限制鏡頭光學(xué)圖像清晰度的主要因素就是衍射，而鏡頭光圈的縮小，則會(huì)大大增強(qiáng)衍射所帶來的像差表現(xiàn)。
如此時(shí)再將此成像光斑放到像素?cái)?shù)量更高的影像傳感器上，則會(huì)因分辨率差異而出現(xiàn)的像差問題被更詳細(xì)地記錄和顯示的問題（相當(dāng)于問題被放大）。也就是常說的鏡頭分辨率與機(jī)身分辨率不匹配，以及極限光圈衍射問題。
換而言之，所謂的極限光圈衍射，是與光圈孔徑大小、葉片數(shù)量及葉片開合角度等相關(guān)的一系列成像分辨率和像差問題的綜合性表述，是包含了圓孔衍射、衍射極限等在內(nèi)的綜合表述方式。
極限光圈衍射所帶來的問題，在算法為王的時(shí)代，已經(jīng)找到了解決方案。通過已知的這些問題，各大廠商已經(jīng)開始在成像系統(tǒng)中加入了更為智能的分析處理程序，可直接通過程序在成像過程中或自動(dòng)或手動(dòng)地消除/改善其成像質(zhì)量。這在2017年下半年發(fā)布的新款相機(jī)中已經(jīng)普遍應(yīng)用（事實(shí)上過去也有，只是沒有如此明確地單做成一個(gè)功能），也就是相機(jī)菜單的“鏡頭校正”功能。
衍射與成像效果
通過前面可以了解到，衍射似乎時(shí)成像的“勁敵”，然鵝沒有永遠(yuǎn)的敵人，衍射也能夠給成像帶來很多有趣的效果。
這其中，最簡單直觀的就是我們常說的“星芒”和背景虛化了（景深效果）。
星芒效果的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：小光圈、星光濾鏡。
這兩種效果本質(zhì)上都是利用衍射實(shí)現(xiàn)的，原理前面已經(jīng)說過了，這里直接說一下光圈葉片數(shù)量、形狀、開合角度對(duì)效果的影響。
對(duì)于星芒效果，當(dāng)光圈葉片數(shù)量為偶數(shù)時(shí)，拍攝點(diǎn)光源時(shí)呈現(xiàn)出來的星芒射線數(shù)量與光圈葉片數(shù)直接對(duì)應(yīng)，8葉片就會(huì)產(chǎn)生8道星芒射線，16片則會(huì)產(chǎn)生16道星芒；當(dāng)鏡頭光圈葉片數(shù)為單數(shù)時(shí)，則會(huì)呈現(xiàn)出雙倍于光圈葉片數(shù)的星芒射線，如9葉片則會(huì)拍攝出18道星芒射線。
而且，光圈葉片數(shù)越多，形狀與其開合角度越匹配，其形成的的光孔就越接近于“圓”。此時(shí)在景深范圍之外的背景或前景點(diǎn)光源虛化后的光斑形狀就越容易呈現(xiàn)漂亮的圓形（暫不考慮徑蝕影響）。
光圈對(duì)于景深的影響，可以用下圖簡單演示：
Reference:
1.Wikipedia
2.What is... Aperture?
3.不可不知的鏡頭冷知識(shí)
4.Baidubaike
禁止私自轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載務(wù)必征得老夫同意。
