【攝友知識】什么是等效光圈和景深

說起“等效原理”這個概念，到現在為止依然有著非常多的爭議，而且很多人也并不理解它的實質。所以我們覺得，是時候給這個概念一個清晰的定義和解釋了——也就是，它意味著什么，以及不能說明什么。

等效原理在一般情況下是被用來簡單比較不同畫幅（傳感器尺寸）的相機鏡頭系統的。實際上等效換算在鏡頭標注上被經常提及，比如一個小畫幅的鏡頭上經常會標注“28-120mm鏡頭”，但是實際上關鍵問題在于，這是一個“等效值”。這個等效的關鍵就在于用簡單的方法去對比不同畫幅相機上不同焦距鏡頭的視角，避免了視角本身的非線性換算帶來的麻煩。

一支在小畫幅上等效100mm的鏡頭，可以提供和全畫幅的100mm鏡頭完全相同的視角和透視關系（因為使用這兩者的時候你會在同一位置進行拍攝），與相機的實際畫幅無關，所以我們說這兩個系統是“等效的”。

* 注：畫幅、焦距和視角換算關系為：對角線視角=2arctan（d/2f），d為傳感器的對角線尺寸，f為焦距。

這就是“（焦距）轉換倍率”這個概念能夠站住腳的邏輯基礎，4/3畫幅的對角線尺寸非常接近全幅的一半，根據上面的公式，焦距也是全幅一半的時候，可以剛剛好獲取一樣的視角，所以我們說，4/3畫幅上的50mm鏡頭，等效于全畫幅上的100mm。

但是實際上，可以被等效的不止是焦距。在我們之前的固定鏡頭相機測評當中，我們還會標注一個參數叫“等效光圈”，會寫出它在這款相機中與等效焦距的函數關系。在接下來的討論當中，我們會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系。

之所以欽定等效光圈原理，是因為下面這個場景實在是太常見了——我要選擇兩款相機，但是它們的實際傳感器尺寸和鏡頭規格都不一樣。這在膠片時代基本上很少發生，因為當時標準135尺寸的膠片占據了絕對主流，更小和更大的畫幅只是小眾玩物。但是到了數碼時代，各種畫幅和各種規格的鏡頭群魔亂舞，這個問題便變得愈發明顯——我們需要一個快速準確的方法，來進行不同規格系統之間實際性能的比較。

實際上，（就虛化這件事來說），光圈和傳感器尺寸的關系相比焦距和傳感器尺寸的關系來說還要簡單——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，只要它們的光圈實際孔徑相同，那么它們的景深也會一致。

好的，那么我們就來比較一下下面兩個光圈孔徑都是25mm的鏡頭，在這個前提下，它們還有著相同的視角（等效焦距）。然后我們在相同的距離拍攝相同構圖的照片，這樣的話，你所能拍攝到的兩張照片，實際上是完全一樣的：

沒錯，我們在4/3畫幅系統上使用50mm f/2的鏡頭，最終拍攝到的畫面（視角和景深）與全畫幅機身上的100mm f/4鏡頭完全相同——即使在鏡頭本身的規格上它們完全不一樣。所以我們完全可以說“4/3畫幅上的50mm f/2鏡頭等效于全幅上的100mm f/4鏡頭”。這個等效，在這里指的是完全一樣的視角和景深。

圖中深色區域是APS-C的像場，淺色區域是全畫幅的像場。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——這就是在這一節當中我們要討論的內容。

等效光圈原理所能告訴你的不只是在不同畫幅的系統上你能夠獲取多少景深，它還能告訴你實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具有更少的噪聲，這就是為什么我們經常說“底大一級壓死人”的原因。

是的。小畫幅鏡頭上標注的f/1.2確實是按定義（焦距/光圈孔徑）來標的。但是，小畫幅上的f/1.2，并不“等效于”全畫幅f/1.2（的成像效果）。

f/制光圈是個只取決于鏡頭本身的數值，并不會跟著傳感器尺寸的變化而變化。這一點跟等效焦距是一樣的——50mm鏡頭裝到小畫幅機身上，其實際焦距依然是50mm，變的只是視角，而且視角的變化是因為“裁切”，也就是小畫幅傳感器并沒有使用全畫幅像場的全部原始數據。所以這時候我們說這個鏡頭在這個小畫幅機身上“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度，這個與傳感器尺寸是木有關系的。但是，傳感器面積有多大，會影響到整個傳感器接受的總光量，這里的等效光圈關系，就取決于，你在同樣的鏡頭后面，放了多少個平方毫米的底子，用來接受鏡頭折射后的光線。

但是為什么不同的總進光量可以獲得相同的曝光呢？實際上，是因為ISO（的定義）。

所以我們就來把ISO這個概念批判一番。ISO表示的東西是，在某個給定的入射光強度和快門速度下，你可以用相同ISO的感光介質獲取相同亮度的最終照片。所以ISO標準基于的是f/制光圈，而不是光圈的實際孔徑，或者說等效光圈。這就意味著，4/3系統上的50mm f/2和全畫幅的100mm f/2，都設為ISO100，采用相同的快門時間拍攝出的JPEG照片亮度相同。——即使實際上4/3畫幅的這塊傳感器，只接受到了全幅傳感器1/4的總能量。

ISO這個概念很有效，這使得你用不同畫幅的相機都能獲得準確一致的曝光（前提是ISO不虛標）。但是實際上，這個一致的曝光背后傳感器接受到的實際能量是不一樣的，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畫幅的4倍，也就意味著它能獲取到4倍于4/3畫幅的總能量。所以在這種情況下，全幅傳感器可以輸出更干凈、信噪比更高的畫面。

要補償這個差異怎么辦？唯一的辦法就是給小畫幅相機配上一支實際光圈更大的鏡頭，使得小畫幅傳感器上的實際總接收能量達到全畫幅傳感器配小光圈鏡頭的水平。不過要指出的是，這個辦法只有在弱光環境下才可以使用，換到強光環境，由于ISO的下限達不到0，使用大光圈鏡頭，在超出快門速度上限之后，會導致小畫幅機身的高光溢出。

好了，如果說這兩臺不同畫幅的機器，在接收到相同的總能量的前提下達到相同的輸出亮度，A機器的ISO值要設為A，B機器的ISO值要設為B，那么可不可以說A機器的ISO A等效于B機器的ISO B呢？

行，也不行。如果我們引入等效ISO這個概念，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】。這可以給我們對比不同畫幅&鏡頭系統的弱光性能帶來極大的方便，兩倍的總能量就意味著兩倍的信噪比，簡單粗暴。

1、等效焦距=實際焦距×傳感器裁切倍率，實際等效的是“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幅機身鏡頭系統可以獲得相當于全畫幅系統多少規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，但是實際上，更大的傳感器可以在相同的f/值下收集更多的光線。

5、f/值和ISO都是無關于傳感器尺寸的參數。但是等效光圈是。

實際上概括起來就是：使用同樣的鏡頭（比如都是50mm f/2）的情況下，小畫幅系統既不能提供相當于全畫幅100mm f/2的景深（虛化），又沒法提供相當于全畫幅100mm f/2的畫質（信噪比），所以只能當作全畫幅的100mm f/4來使用。

* 注：實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，小畫幅系統也滿足等效光圈原理。比如全畫幅系統用f/11可見明顯星芒的話，類似結構的4/3畫幅鏡頭在f/5.6就可以看到同樣的效果。

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

實拍檢驗：

實際上結論還是挺明顯的，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。那么是否嚴格滿足等效光圈原理所對應的關系呢？讓我們繼續看下一組檢驗：這一組檢驗當中我們采用相同的等效光圈，而非實際光圈。

由于1英寸系統的實際等效光圈最小，我們就讓其它系統都來迎合它，統一設為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英寸底看起來圓點稍微實一些，但是問題的原因是1英寸的這支鏡頭焦外色散偏大，而不是因為報道出現了偏差。但是實際焦外成像細節對比仍然有一些不同，這跟鏡頭本身的結構也是有著相當的關系。

1、景深和虛化效果不是一回事，后者還會受實際鏡頭素質的影響。

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。

等效信噪比的實踐檢驗

接下來要驗證的是等效畫質（信噪比）。在這一環節首先我們把四臺相機設為同樣的f/值、快門速度和ISO（f/2、ISO200、1/1.3s），在一個弱光環境下去檢驗它們的畫質。

很明顯，從左到右畫質依次變差，信噪比降低。那么問題來了，它們之間的差距，是不是也嚴格符合等效光圈原理的比例關系呢？

跟景深當中的檢驗一樣，我們還是把四臺相機設為相同的等效光圈。調節ISO值使得四臺相機都能夠正確曝光。由于上面四臺相機的畫幅比例不同，我們不按照對角線長度，而按照面積的平方根之比來換算等效光圈。

這次的四臺相機畫質基本一致了。存在些許區別的原因是像素總數不完全一致/鏡頭T值有區別/傳感器量子效率不完全一致等。但是大方向檢驗等效光圈原理還是問題不大的。

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

前面已經說了，等效光圈給了我們一個簡單實用的工具，用于對比系統的弱光畫質和虛化能力。但實際使用的時候還要考慮到一些實際限制，比如最簡單的，在強光下我沒法用小畫幅的超大光圈來獲取淺景深，因為會過曝。但拋開這些細節問題，等效光圈依然是一個十分實用的工具，用于對比不同畫幅/價格的相機，你可以簡單的知道你能夠獲取多么好的畫質，和多么虛化的效果。不要被小畫幅的大光圈鏡頭迷惑了，實際上畫幅和鏡頭的均衡，才能取得最好的效果。

* 注：目前的自動、數碼相機系統里，這個均衡點恰好就是135全畫幅——比它小的系統底太小，比它大的系統光圈太小，等效下來都不夠暴力。

下面是一個簡單的表格，寫出了目前在產自動對焦數碼系統的最大等效光圈值：

弱光環境下，等效光圈決定了你可以獲取多么干凈的畫質。