很多了解过一些信息的朋友都知道,在拍照的时候,我们如果把镜头光圈缩得太小,画质反而会下降,例如F16的光圈下,画面往往看起来明显“肉”很多,这就是衍射作用带来的结果,但是做到知其然也要知其所以然,我们今天就花点时间说说这个衍射作用,以及它和摄影有什么关系,如何能够避免或者减少衍射作用对画质带来的影响。

什么是衍射作用

衍射作用其实是一个很大的科学物理范畴,并不仅仅针对摄影,鉴于大部分影友都不是科学家(我也不是,我们都是艺术家,霍霍)所以我们就不讲那么深,我用比较形象的方式告诉大家,就是文字加配图!

衍射只是波(没错,就是波)在经过物体(或从不平整物体上反射)时候受到干扰之后对波形引起的变化,英文叫diffraction。

说到波,就有各种了,比如光波、声波、甚至水波,下边就是生活中能够遇见的例子:

wave-diffraction

上边这张图是google earth上的截图,如果你仔细看不难发现,在小小的港湾入口之外,海浪都是平行的,然而进入了这个小入口以后,水波变成了弧形,我来帮你画一下看得更清楚:

wave-diffraction

这是一个经典的水波衍射作用,当一个平整的波形经过一个狭小的区域的时候,就会产生这样圆弧形状的扩散效果,如果你把哪个很小的口想象成是镜头的光圈,你就能够大概有一些理解了。

下边这张图,我来把水波的例子换做光波在镜头里的变化画出来:

diffraction-1

黄色的代表光圈,红色的代表入射的光线。当光圈逐渐缩小的时候,入射后的光线所产生的衍射效应也就越大,也就是我画的黑色弧线的弯曲度越大(我的手绘实在是抱歉..)。

无处不在的衍射

然而不同于水波的是,光波中由于有不同的色彩构成,所以在衍射作用的结果下,我们的眼睛也经常能够看出不同的颜色,就像我们看到彩虹一样。

下边两个经典的案例:

在一定角度下观察蜘蛛网,你会看到五颜六色的反射光,这就是光在蜘蛛网上折射后产生的效果,如果你用显微镜去观察蜘蛛网的话,你会看见每根丝的表面其实是很不均匀,通过这些表面光线折射后不同的波长就会分开。

rainbow_8

CD的折射光,也是常见的衍射效应案例之一,看下图中不同的颜色,就是光线在光盘表面(实际是不均匀的表面)折射后有雨衍射作用而产生的色相分离。

cddiffract

衍射现象和摄影

那上边说了这么多,到底衍射现象是怎么影响摄影的?

我们已经提到了光圈缩小以后,入射后的光线会产生一定的干扰,光线本身会略有扩散,所以衍射作用越严重,扩散得也就越厉害,导致画质变软。

但是怎么更加形象的解释这件事情呢?我再来画一张图:

diffraction-2

上图中让我们只考虑无数入射光线中的极其细小的一束,这束光线入射进来,通过黄色的光圈,当左图中光圈开很大的时候的时候,这束光可以畅通无阻地直接投射到蓝色的感光元件上,而且这束光可以完全准确地照射在感光元件上的一个像素点(绿色小方块)上,当然也就是能够形成锐利清晰的成像。

而右边图中,光圈缩小以后由于衍射作用,光线产生了微微的“散射”,结果导致本该入射到一个像素点上的光线,分散到了周围的像素点,本该像针尖一样锐利的一个点变成了散射虚化的光点,于是产生了不清晰的成像画面。

像素点大小带来的不同

通过上边的案例我们能够看出来,如果绿色的小方块像素点大一些,光线全都能够入射进来,那岂不是衍射效果就没有了?一点没错。如果绿色方块的尺寸能够大一倍的话,最后的成像缺失就没什么区别了。

然而小光圈所产生的衍射效果所产生的虚化光点的直径是一定的,如下:

F1.4产生的虚化光点尺寸为 1.9µm
F2.0  -  2.7µm
F2.8  -  3.7µm
F4.0  -  5.3µm
F5.6  -  7.5µm
F8  -  10.7µm
F11  -  14.7µm
F16  -  21.5µm
F22  -  29.3µm
F32  -  42.6µm

当这些虚化圆形的尺寸小于单一像素尺寸的时候,就说明我们的画面并没有受到衍射作用的影响,当这些尺寸大于单一像素尺寸的时候,每一个光点就会大于单一像素尺寸,而照射到周围的像素上,像素之间的画面就会差生相互干扰,画面就会受到衍射作用的影响而开始变得模糊,随着光圈的变小,虚化光点的尺寸变大,画面也就会变的越来越模糊。

如果你读过我的另外一篇文章 - 关于弥散圆你应该知道的几件事 的话,就应该知道如何计算自己相机的像素尺寸。

我再简单地重复一下,用你的感光元件宽度(例如全画幅感光元件宽度为36mm),除以你感光元件的宽边分辨率,例如索尼A7II的分辨率是6000×4000,那我们就用36mm除以6000,得出0.006mm,也就是6µm。

对照上边列出的虚化光点尺寸,我们发现,索尼A7II在光圈F5.6的时候就已经开始受到衍射作用的影响,而F11时候的虚化光点就已经变成了两个像素这么宽(实际面积相当于4个像素这么大)。

然而由于马赛克感光元件本身4个像素点构成一个完整色彩组合(2绿1红1蓝)的天生结构,对于衍射作用开始影响画质的触发点可以再向后推延大概1档光圈左右,仍然以A7II为例子,衍射作用对画面产生影响的关键点发生在F8和F11之间,更接近F8。

如果用同样的方式计算2400万像素的APSC机型 A6300的话,单一像素的尺寸为3.9µm,那么衍射作用开始影响画面的触发点再F5.6和F8之间。然而由于APSC天生等效景深的作用,可以节省1档光圈,实际拍摄中和A7II所获的画质并没有太大区别。

然而随着数码相机像素大战的继续,高像素相机把衍射作用触发点越来越提前了。

多像素还是少像素?

1200万像素还是4200万像素?A7SII还是A7RII?我们就用这两个像素量差距巨大的全画幅相机来举例子。

A7SII有8.4µm的像素尺寸,A7RII是4.5µm,按我们上边的推算,A7S几乎可以用到F16,而A7RII则勉强能达到F8,衍射作用相差如此大的情况下,我们究竟该如何选择高像素还是低像素呢?

老实讲,我也没有答案。因为两者都会给你截然不同的优势和劣势。

首先,如果你常用的或者是必须的图像尺寸甚至小于1200万像素的话,那这两个相机缩图以后的分辨率几乎是一样的。然而多像素的感光元件可以在衍射作用很小的时候给你更高的分辨率、更大的后期空间、更大的裁切空间、更少的插值计算(如果图片需要放大)等等。当然少像素的感光元件则会有很明显的高感优势、像素级别的画质、更好的动态范围等等。

所以你会发现,像素数量永远都会是一个有得必有失的过程,无论你选择多或者少,都会得到一些好处,又失去一些好处。

不用过于担心衍射作用

有些朋友会想,如果衍射作用这么早就出现,我还能不能用小光圈了?

首先,我的建议是,测试自己的镜头,虽然很多机型我们都能够推算出衍射作用的大概出发点,但是每个镜头对于小光圈的展现都不会太一致,仔细测试自己的镜头,仔细观察衍射效果前后的画质损失,判断自己能够接受什么样的画质损失,如果F11画面略软你可以接受的话,就完全可以把它当作可用光圈。

其次,如果你真的需要极小光圈,需要牺牲画质,那也没有办法。例如你真的需要F22的景深去拍微距、或者你真的虚化F22的景深才能把快门速度变慢一倍去拍摄瀑布,那就大胆去用,因为这个时候你没有别的选择,拍摄一幅好的作品并不仅仅在于100%放大的锐度,而在于整体的创作诉求。在像素量巨大的今天,每个人几乎都可以在后期把图片缩小2、3倍,尤其是对于索尼A7RII这样的4200万像素的机型,有足够的空间让你靠缩图来提升画质和锐度。

最后,多多了解景深计算公式、拍摄的时候判断自己需要多少的景深;拍风光你真的需要F11吗?你知道你的24mm大光圈叫在F5.6的时候的景深能够达到多少吗?也许你用F5.6能够比F11获得更好的画质和足够的景深呢?这个我就留给大家自己去计算啦。

总结

以上这些信息对于热爱摄影的你来说,无论是你想精准地计算出自己相机的衍射作用触发点,或者是用来指导你在拍摄时候的光圈选择,应该都足够用了。

再来总结一下:

  • 光线通过小孔(光圈)的时候会产生衍射作用,光线略微发散
  • 孔径(光圈)越小的时候光线发散越严重
  • 当光圈小到一定程度的时候,光线发散超过相机1个像素点的面积时,衍射作用触发
  • 当衍射作用产生的虚化光点大于2个像素点的宽度时候,衍射作用开始影响画质

好啦,今天的设备闲聊就到这里,希望对大家有帮助。

最后,如果你想计算衍射作用的话,可以使用这个衍射作用计算器