主题：5000万像素带来的影响，说说极限衍射光圈那点事——高像素。
正序浏览
主题图片汇总
主题内检索
这篇文章想发出来很久了，在5DS首发的时候就想写。但现在对于这类技术问题探讨的太少了，论坛里满是水军。
随着数码相机像素大战的展开，各厂家也不断推陈出新，用“像素”来吸引眼球。对于平民来说，真的需要那么高的像素么？
因为光线经过小孔后存在衍射问题，所以相机感光元件也存在一个还原“真相”的极限。
下文前半部分为网上摘录，后半部分的计算由本人计算。不足之处，还望多指正。
光的衍射(Diffraction)指光在传播路径中，遇到障碍物或小孔(狭缝)时，偏离直线绕过障碍物继续传播的现象。光经过圆形口径后成像，并不会汇聚成绝对的点，而是形成明暗相间，距离不等的同心圆光斑，其中※※斑最大，集中了84%的能量，可以看作衍射扩散的主要部分，被称为Airy Disc(爱里斑)。
衍射极限(Diffraction Limit)是指不考虑光学系统几何像差，一个完美光学系统的分辨率仅受衍射(光波波长)限制的情况。简单来说，在光圈收小时，Airy Disc的角距离越来越小，但达到某个极限之后，这个角距离不小反而增大。
Rayleigh判据：如果两个相邻点形成的Airy Disc的角距离小于一个Airy Disc角距离时，这两个点无法分辨。就是如果两成像点(其实是两个斑点)混到一块的时候，自然就分不清了。因此对于光圈为圆形或类圆形的镜头，其衍射极限分辨率就是Airy Disc的直径。
如果Airy Disc等于数码相机成像元件单个像素尺寸，成像元件的分辨率等于镜头衍射极限分辨率，相机能够充分利用镜头的衍射极限分辨率。如果Airy Disc大于数码相机成像元件单个像素尺寸，则衍射极限分辨率成为瓶颈，成像元件的分辨率无法发挥——用一个像素点分辨一个成像点和十个像素点分辨一个成像点有啥区别?
公式是sinθ=1.22λ/D。其中θ是角分辨率，λ是波长，D是光圈直径。当θ很小时，sinθ约等于tagθ，约等于d/f，其中d是最小分辨尺寸，f是焦距。
推导出d/f=1.22λ/D。
A=d/（1.22λ）。A是光圈f/D值。当d等于成像元件像素点尺寸p时，A就是衍射极限光圈。
DLA=p/（1.22λ），也就是：衍射极限光圈=像素尺寸/（1.22x光波波长）
所以，衍射极限光圈与单个像素间距大小有关。像素密度，衍射极限光圈越大；成像面积越大，衍射极限光圈越小；总之像素密度越大，越不适合用小光圈。
Canon在一篇专访中表示，随着数码单反像素的增长，少数镜头已经不能满足新型号单反机身的要求。我试着用上述的公式计算一下，以像素密度为2μm的50D为例，在收缩光圈至f16时，波长为750nm的红色光的Airy Disc的直径为14.6μm，也就是说，一个像素点的影像经过镜头的衍射后，将投影在49个像素上。这样一来，像素的提升有有何意义呢？
当然，以现在光学材料技术的生产和设计水平来看，提升像素的技术远无比提升镜头衍射极限光圈来简单得多。
同理，我们根据佳能官方网站曝出，5DS/5DSR的像素尺寸为4.14微米*4.14微米。（根据最大像素8688*5792可知，其感光cmos尺寸实际约为35.96832mm*23.97888mm）以此计算，EOS 5DS/5DSR的极限衍射光圈数值为F=4.14/1.22/510（以可见光波长中间值510nm计算，上述※※站的数据应该跟这个取值差不多）=6.65。
像素密度为4.14μm*4.14μm的5DS，在收缩光圈至f11时，波长为750nm的红色光的Airy Disc的直径为10.065μm，也就是说，一个像素点的影像经过镜头的衍射后，将投影在6个像素上。那么多像素真的有很大意义么？
当然了，在镜头光圈大于极限衍射光圈时，高像素还是有实际意义的。
这也就是为什么135画幅数码高端单反像素值都不会太高的原因。我们可以看一下佳能尼康各类型单反的像素配置及极限衍射光圈值（本计算以可见光中间值510nm波长计算）。
随着数码相机像素大战的展开，各厂家也不断推陈出新，用“像素”来吸引眼球。对于平民来说，真的需要那么高的像素么？
因为光线经过小孔后存在衍射问题，所以相机感光元件也存在一个还原“真相”的极限。
下文前半部分为网上摘录，后半部分的计算由本人计算。不足之处，还望多指正。
光的衍射(Diffraction)指光在传播路径中，遇到障碍物或小孔(狭缝)时，偏离直线绕过障碍物继续传播的现象。光经过圆形口径后成像，并不会汇聚成绝对的点，而是形成明暗相间，距离不等的同心圆光斑，其中※※斑最大，集中了84%的能量，可以看作衍射扩散的主要部分，被称为Airy Disc(爱里斑)。
衍射极限(Diffraction Limit)是指不考虑光学系统几何像差，一个完美光学系统的分辨率仅受衍射(光波波长)限制的情况。简单来说，在光圈收小时，Airy Disc的角距离越来越小，但达到某个极限之后，这个角距离不小反而增大。
Rayleigh判据：如果两个相邻点形成的Airy Disc的角距离小于一个Airy Disc角距离时，这两个点无法分辨。就是如果两成像点(其实是两个斑点)混到一块的时候，自然就分不清了。因此对于光圈为圆形或类圆形的镜头，其衍射极限分辨率就是Airy Disc的直径。
如果Airy Disc等于数码相机成像元件单个像素尺寸，成像元件的分辨率等于镜头衍射极限分辨率，相机能够充分利用镜头的衍射极限分辨率。如果Airy Disc大于数码相机成像元件单个像素尺寸，则衍射极限分辨率成为瓶颈，成像元件的分辨率无法发挥——用一个像素点分辨一个成像点和十个像素点分辨一个成像点有啥区别?
公式是sinθ=1.22λ/D。其中θ是角分辨率，λ是波长，D是光圈直径。当θ很小时，sinθ约等于tagθ，约等于d/f，其中d是最小分辨尺寸，f是焦距。
推导出d/f=1.22λ/D。
A=d/（1.22λ）。A是光圈f/D值。当d等于成像元件像素点尺寸p时，A就是衍射极限光圈。
DLA=p/（1.22λ），也就是：衍射极限光圈=像素尺寸/（1.22x光波波长）
所以，衍射极限光圈与单个像素间距大小有关。像素密度，衍射极限光圈越大；成像面积越大，衍射极限光圈越小；总之像素密度越大，越不适合用小光圈。
Canon在一篇专访中表示，随着数码单反像素的增长，少数镜头已经不能满足新型号单反机身的要求。我试着用上述的公式计算一下，以像素密度为2μm的50D为例，在收缩光圈至f16时，波长为750nm的红色光的Airy Disc的直径为14.6μm，也就是说，一个像素点的影像经过镜头的衍射后，将投影在49个像素上。这样一来，像素的提升有有何意义呢？
当然，以现在光学材料技术的生产和设计水平来看，提升像素的技术远无比提升镜头衍射极限光圈来简单得多。
同理，我们根据佳能官方网站曝出，5DS/5DSR的像素尺寸为4.14微米*4.14微米。（根据最大像素8688*5792可知，其感光cmos尺寸实际约为35.96832mm*23.97888mm）以此计算，EOS 5DS/5DSR的极限衍射光圈数值为F=4.14/1.22/510（以可见光波长中间值510nm计算，上述※※站的数据应该跟这个取值差不多）=6.65。
像素密度为4.14μm*4.14μm的5DS，在收缩光圈至f11时，波长为750nm的红色光的Airy Disc的直径为10.065μm，也就是说，一个像素点的影像经过镜头的衍射后，将投影在6个像素上。那么多像素真的有很大意义么？
当然了，在镜头光圈大于极限衍射光圈时，高像素还是有实际意义的。
这也就是为什么135画幅数码高端单反像素值都不会太高的原因。我们可以看一下佳能尼康各类型单反的像素配置及极限衍射光圈值（本计算以可见光中间值510nm波长计算）。
登录后可直接显示原图
相关标签：
佳能
尼康
光圈
尺寸
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
1 帖
兰色暴风 发表于 2020-6-23 10:12
我想问下楼主，假设一支 镜头最佳的光学成像光圈在F8 而相机的极限衍射光圈是F6.8。那我在使用这支镜头的时候该怎么用光圈？
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
192 帖
EOS-1Ds 发表于 2018-9-19 08:59
高像素 5000 万，是发展的趋势。
我想问下楼主，假设一支 镜头最佳的光学成像光圈在F8 而相机的极限衍射光圈是F6.8。那我在使用这支镜头的时候该怎么用光圈？
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
191 帖
canonguy 发表于 2018-9-19 17:13
F18-20，边缘画质劣化严重吧?
没有可以察觉边缘的劣化，整体受影响了一点点。
最清晰是f8-11
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
190 帖
D+L 发表于 2018-9-19 17:07
衍射现象对高像素确实有一定影响，也没到影响非常大的程度。
我用5Dsr配合5014，为近距离获得足够景深，常常把光圈定在f18-20，效果还不错。
F18-20，边缘画质劣化严重吧?
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
189 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
188 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
187 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
186 帖
EOS-1Ds 发表于 2018-9-19 08:59
高像素 5000 万，是发展的趋势。
在大于极限衍射光圈的时候，高像素确实可以捕获更多细节。
所以极限衍射光圈极限并不能完全否定高像素的价值！
两者并不矛盾~
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
185 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
184 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
183 帖
092934cc 发表于 2018-9-18 19:55
未必吧
我都说了，避开极限衍射光圈可以矫正~
当光圈小于极限衍射光圈时，一个艾里斑落在多个像素上；开始时可能肉眼不可辨，随着光圈逐渐缩小即发生肉眼可辨的锐度和细节缩减。这种小于极限光圈的衍射在我的理解，是光学上的不可逆性，艾里斑造成的颜色失真不可能再恢复的出来。
我不深刻了解EOS这个衍射矫正功能的运行方式，但在上述范围内，最多只能通过增加对比度的方式减少锐度损失~
本帖最后由 moli19861 于 2018-9-19 09:11 编辑
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
182 帖
moli19861 发表于 2018-9-18 12:18
折射散光可以矫正，但是衍射就矫正不了，除非避开衍射光圈~
登录后可直接显示原图
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
181 帖
092934cc 发表于 2016-6-5 21:26
数码镜头优化可以矫正衍射吧，要求高的话开这个功能就是了
折射散光可以矫正，但是衍射就矫正不了，除非避开衍射光圈~
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
180 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
178 帖
传感器分辨率高于镜头分辨率，则镜头的一切像差均可在传感器上呗记录下来。这些像差自然包括镜头衍射在内。
而假设有一枚设计上无像差的镜头，它在全开光圈就拥有非常高的分辨率。再假设传感器分辨率刚好与镜头分辨率匹配，那么就会有以下两个结果：首先这套组合的最佳画质出现在最大光圈；其次，画质随光圈缩小而逐渐下降；第三，最小光圈是这套组合最差表现光圈。
然后到实际应用层面，拍摄平面物（绘画或者工程图翻拍），理论上应该用最佳光圈。而除此之外的其他题材，应该按照实际景深需求选择合适的光圈。
但是，由人设计并制造的镜头，不论如何都不存在一个理论意义上的理想系统（即无像差系统），所以，全开光圈的球差，慧差和像散，像场弯曲总不同程度存在，当这枚镜头在实际拍摄时总存在必须收小光圈缓解部分像差影响的现象，同时，收小光圈拍摄还有助于抵消一部分调焦误差对拍摄分辨率带来的负面影响。然而，衍射与其他像差的物理存在条件相反，即光圈越小，衍射影响越显著。从以上先决条件分析，只要传感器分辨率超过了一定像素量以后，镜头的分辨率永远也喂不饱传感器。自然，低通滤镜就再无存在的必要了。
外回到我的应用层面层面来看，由于我的题材原因，中小光圈，机振的实际存在，超焦距拍摄，偏振镜的使用等等外部因素综合影响，再牛逼的镜头都喂不饱传感器。反而，由于长期使用低感拍摄，高像素传感器给我带来的负面影响远远小于正面影响（毕竟传感器分辨率提高以后，对景物细节的记录能力实实在在是提高了。），所以，能用大幅面传感器的机型固然好，但没条件上这些高端货的话，高像素传感器的135或者APS-C至少是最不坏的选择。
综上所述，如果不在乎高感，不在乎传感器信噪比，去低通的高像素单反都能用来拍摄高质量的风光和静物图片。由此看，摄影人在当下这个时代，是最不缺选择对象的时代。
本帖由安卓客户端发布
而假设有一枚设计上无像差的镜头，它在全开光圈就拥有非常高的分辨率。再假设传感器分辨率刚好与镜头分辨率匹配，那么就会有以下两个结果：首先这套组合的最佳画质出现在最大光圈；其次，画质随光圈缩小而逐渐下降；第三，最小光圈是这套组合最差表现光圈。
然后到实际应用层面，拍摄平面物（绘画或者工程图翻拍），理论上应该用最佳光圈。而除此之外的其他题材，应该按照实际景深需求选择合适的光圈。
但是，由人设计并制造的镜头，不论如何都不存在一个理论意义上的理想系统（即无像差系统），所以，全开光圈的球差，慧差和像散，像场弯曲总不同程度存在，当这枚镜头在实际拍摄时总存在必须收小光圈缓解部分像差影响的现象，同时，收小光圈拍摄还有助于抵消一部分调焦误差对拍摄分辨率带来的负面影响。然而，衍射与其他像差的物理存在条件相反，即光圈越小，衍射影响越显著。从以上先决条件分析，只要传感器分辨率超过了一定像素量以后，镜头的分辨率永远也喂不饱传感器。自然，低通滤镜就再无存在的必要了。
外回到我的应用层面层面来看，由于我的题材原因，中小光圈，机振的实际存在，超焦距拍摄，偏振镜的使用等等外部因素综合影响，再牛逼的镜头都喂不饱传感器。反而，由于长期使用低感拍摄，高像素传感器给我带来的负面影响远远小于正面影响（毕竟传感器分辨率提高以后，对景物细节的记录能力实实在在是提高了。），所以，能用大幅面传感器的机型固然好，但没条件上这些高端货的话，高像素传感器的135或者APS-C至少是最不坏的选择。
综上所述，如果不在乎高感，不在乎传感器信噪比，去低通的高像素单反都能用来拍摄高质量的风光和静物图片。由此看，摄影人在当下这个时代，是最不缺选择对象的时代。
本帖由安卓客户端发布
登录后可直接显示原图
(1)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
177 帖
uspsaga1 发表于 2015-4-18 12:36
当年像素撕逼现在又来脑补了？dxo各种高像素高色深打脸，d4s色深还不如d7200，a6000色深秒飞a7s，现在竟然还有各种低像素党秀优越，还扯出什么低像素色深高，色彩过渡好的调调来？
无知的SB在嘶吼
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
176 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
175 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
174 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
173 帖
xiaoshan78 发表于 2015-4-18 09:57
衍射存在于光圈叶片处，这和感光芯片有什么关系？
感光芯片还能影响衍射的严重程度吗？
http://www_the-digital-picture_com/Reviews/Canon-EOS-6D-Digital-SLR-Camera-Review.aspx
个人计算结果与这个网站不谋而合
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
172 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
171 帖
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
170 帖
Greyhead 发表于 2015-4-18 04:39
你花那么多精了拍人民币？
这就是你自己说的把精力用在拍片上？
有意思！
哈哈！
你既然喜欢:光着屁股拉磨---转着圈的到处丢人现眼 俺就成全你！
说句埋汰你的话，别看你照了几十年一辈子相，可悲的是: 一辈子都未入门！
只有嘴+健盘照相的功夫！成天理论成堆，一个顶仨！属于一让发片就拉稀了的主！
.....
本帖最后由 弄着玩儿A 于 2015-4-18 09:53 编辑
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
169 帖
Greyhead 发表于 2015-4-18 04:38
你说我到底会不会“按快门”？
哈哈！
你还是把精力花在拍片上的好（你自己说的）。每天花大精力翻别人的烂片，累不累呀？
哈哈！
你既然喜欢:光着屁股拉磨---转着圈的到处丢人现眼 俺就成全你！
说句埋汰你的话，别看你照了几十年一辈子相，可悲的是: 一辈子都未入门！
只有嘴+健盘照相的功夫！成天理论成堆，一个顶仨！属一让发片就拉稀了的主！
...
本帖最后由 弄着玩儿A 于 2015-4-18 09:53 编辑
登录后可直接显示原图
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
168 帖
Greyhead 发表于 2015-4-18 04:35
哈哈！
你还不停地打自己的耳光？你还没到五十，这要是到了就六十，你的脸该多肥？
你一会儿说我只会键盘摄影，一会儿又说我只会按快门。
你已经疯了！
哈哈！
你既然喜欢:光着屁股拉磨---转着圈的到处丢人现眼 俺就成全你！
说句埋汰你的话，别看你照了几十年一辈子相，可悲的是: 一辈子都未入门！
只有嘴+健盘照相的功夫！成天理论成堆，一个顶仨！属一让发片就拉稀了的主！
....
本帖最后由 弄着玩儿A 于 2015-4-18 09:54 编辑
登录后可直接显示原图
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
167 帖
弄着玩儿A 发表于 2015-4-5 09:53
本人快五十岁了，就你这判断人的烂眼水还好意思在无忌混？？？
说句埋汰你的话，别看你照了几十年一辈子相，可悲的是: 一辈子都未入门！
只有嘴+健盘照相的功夫！成天理论成堆，一个顶仨！属一让发片就拉稀了的主！
你还是先撒泡尿照下你自己了，拍了几十年到现在也还属于只会按快门的水平也配评论我的片？？
......
你花那么多精了拍人民币？
这就是你自己说的把精力用在拍片上？
有意思！
哈哈！
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
166 帖
弄着玩儿A 发表于 2015-4-7 09:49
你喜欢:光屁股拉磨---转着圈的到处丢人 就成全你！
只有嘴+健盘照相的功夫！成天理论成堆，一个顶仨！属一让发片就拉稀了的主！
你还是先撒泡尿照下你自己了，拍了几十年到现在也还属于只会按快门的水平也配评论我的片？？
...
你说我到底会不会“按快门”？
哈哈！
你还是把精力花在拍片上的好（你自己说的）。每天花大精力翻别人的烂片，累不累呀？
哈哈！
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
165 帖
弄着玩儿A 发表于 2015-4-7 09:52
不识的文盲真可怕.再说一遍:本人快五十岁了，
就你这判断人的烂眼水还好意思在无忌混？？？
说句埋汰你的话，别看你照了几十年一辈子相，可悲的是: 一辈子都未入门！
只有嘴+健盘照相的功夫！成天理论成堆，一个顶仨！属一让发片就拉稀了的主！
你还是先撒泡尿照下你自己了，拍了几十年到现在也还属于只会按快门的水平也配评论我的片？？
你喜欢:光屁股拉磨---转着圈的到处丢人 就成全你！
....
哈哈！
你还不停地打自己的耳光？你还没到五十，这要是到了就六十，你的脸该多肥？
你一会儿说我只会键盘摄影，一会儿又说我只会按快门。
你已经疯了！
哈哈！ 本帖最后由 Greyhead 于 2015-4-18 04:41 编辑
(0)
(0)
只看该作者
不看该作者
加入黑名单
举报
返回顶部
个人图文集
个人作品集
第
164 帖
回复主题： 5000万像素带来的影响，说说极限衍射光圈那点事——高像素。
功能受限
游客无回复权限，请登录后再试