新技能Get | 什么是等效光圈和景深
等效景深
说起“等效原理”这个概念，到现在为止依然有着非常多的争议，而且很多人也并不理解它的实质。所以我们觉得，是时候给这个概念一个清晰的定义和解释了——也就是，它意味着什么，以及不能说明什么。等效原理在一般情况下是被用来简单比较不同画幅（传感器尺寸）的相机镜头系统的。实际上等效换算在镜头标注上被经常提及，比如一个小画幅的镜头上经常会标注“28-120mm镜头”，但是实际上关键问题在于，这是一个“等效值”。这个等效的关键就在于用简单的方法去对比不同画幅相机上不同焦距镜头的视角，避免了视角本身的非线性换算带来的麻烦。
一支在小画幅上等效100mm的镜头，可以提供和全画幅的100mm镜头完全相同的视角和透视关系（因为使用这两者的时候你会在同一位置进行拍摄），与相机的实际画幅无关，所以我们说这两个系统是“等效的”。
相机 | 传感器规格 | 传感器对角线长度 | 裁切比 | 焦距 | 实际视角 |
佳能EOS-1DX | 全画幅（864㎜²） | 43.3mm | 1 | 100mm | 24.4° |
奥林巴斯OM-D E-M5 | 4/3（224㎜²） | 21.6mm | 2 | 50mm | 24.4° |
* 注：画幅、焦距和视角换算关系为：对角线视角=2arctan（d/2f），d为传感器的对角线尺寸，f为焦距。
这就是“（焦距）转换倍率”这个概念能够站住脚的逻辑基础，4/3画幅的对角线尺寸非常接近全幅的一半，根据上面的公式，焦距也是全幅一半的时候，可以刚刚好获取一样的视角，所以我们说，4/3画幅上的50mm镜头，等效于全画幅上的100mm。
但是实际上，可以被等效的不止是焦距。在我们之前的固定镜头相机测评当中，我们还会标注一个参数叫“等效光圈”，会写出它在这款相机中与等效焦距的函数关系。在接下来的讨论当中，我们会向大家展示光圈与传感器尺寸之前到底存在一种什么样的联系。
之所以钦定等效光圈原理，是因为下面这个场景实在是太常见了——我要选择两款相机，但是它们的实际传感器尺寸和镜头规格都不一样。这在胶片时代基本上很少发生，因为当时标准135尺寸的胶片占据了绝对主流，更小和更大的画幅只是小众玩物。但是到了数码时代，各种画幅和各种规格的镜头群魔乱舞，这个问题便变得愈发明显——我们需要一个快速准确的方法，来进行不同规格系统之间实际性能的比较。
关于光圈与F值
实际上，（就虚化这件事来说），光圈和传感器尺寸的关系相比焦距和传感器尺寸的关系来说还要简单——决定景深的是光圈的物理孔径，而不是它的f/值（焦距/光圈孔径）。两支镜头，只要它们的光圈实际孔径相同，那么它们的景深也会一致。
好的，那么我们就来比较一下下面两个光圈孔径都是25mm的镜头，在这个前提下，它们还有着相同的视角（等效焦距）。然后我们在相同的距离拍摄相同构图的照片，这样的话，你所能拍摄到的两张照片，实际上是完全一样的：
相机 | 焦距 | 光圈孔径 | f/值 | 景深范围 | 等效f/值 |
佳能EOS-1DX | 100mm | 25mm | f/4 | 近/16.1m 远/26.3m | f/4 |
奥林巴斯OM-D E-M5 | 50mm | 25mm | f/2 | 近/16.1m 远/26.3m | f/4 |
没错，我们在4/3画幅系统上使用50mm f/2的镜头，最终拍摄到的画面（视角和景深）与全画幅机身上的100mm f/4镜头完全相同——即使在镜头本身的规格上它们完全不一样。所以我们完全可以说“4/3画幅上的50mm f/2镜头等效于全幅上的100mm f/4镜头”。这个等效，在这里指的是完全一样的视角和景深。
等效的不只是景深
图中深色区域是APS-C的像场，浅色区域是全画幅的像场。可以很明显的看到在照度相同的前提下它们的总受光能量是不一样的——这就是在这一节当中我们要讨论的内容。
等效光圈原理所能告诉你的不只是在不同画幅的系统上你能够获取多少景深，它还能告诉你实际上传感器能接收到多少光——很明显，传感器能接收到的光更多的情况下，你所能拍到的照片就会具有更少的噪声，这就是为什么我们经常说“底大一级压死人”的原因。
你看到的F/1.2 是真的F/1.2吗
是的。小画幅镜头上标注的f/1.2确实是按定义（焦距/光圈孔径）来标的。但是，小画幅上的f/1.2，并不“等效于”全画幅f/1.2（的成像效果）。
f/制光圈是个只取决于镜头本身的数值，并不会跟着传感器尺寸的变化而变化。这一点跟等效焦距是一样的——50mm镜头装到小画幅机身上，其实际焦距依然是50mm，变的只是视角，而且视角的变化是因为“裁切”，也就是小画幅传感器并没有使用全画幅像场的全部原始数据。所以这时候我们说这个镜头在这个小画幅机身上“等效100mm（视角）”。
同样的，f/制光圈告诉你的是传感器单位面积上的照射强度，这个与传感器尺寸是木有关系的。但是，传感器面积有多大，会影响到整个传感器接受的总光量，这里的等效光圈关系，就取决于，你在同样的镜头后面，放了多少个平方毫米的底子，用来接受镜头折射后的光线。
但是为什么不同的总进光量可以获得相同的曝光呢？实际上，是因为ISO（的定义）。
搞得懂又好像搞不懂的ISO感光度
所以我们就来把ISO这个概念批判一番。ISO表示的东西是，在某个给定的入射光强度和快门速度下，你可以用相同ISO的感光介质获取相同亮度的最终照片。所以ISO标准基于的是f/制光圈，而不是光圈的实际孔径，或者说等效光圈。这就意味着，4/3系统上的50mm f/2和全画幅的100mm f/2，都设为ISO100，采用相同的快门时间拍摄出的JPEG照片亮度相同。——即使实际上4/3画幅的这块传感器，只接受到了全幅传感器1/4的总能量。
ISO这个概念很有效，这使得你用不同画幅的相机都能获得准确一致的曝光（前提是ISO不虚标）。但是实际上，这个一致的曝光背后传感器接受到的实际能量是不一样的，同样的f/值下（意味着同样的单位面积照度），全幅传感器面积是4/3画幅的4倍，也就意味着它能获取到4倍于4/3画幅的总能量。所以在这种情况下，全幅传感器可以输出更干净、信噪比更高的画面。
要补偿这个差异怎么办？唯一的办法就是给小画幅相机配上一支实际光圈更大的镜头，使得小画幅传感器上的实际总接收能量达到全画幅传感器配小光圈镜头的水平。不过要指出的是，这个办法只有在弱光环境下才可以使用，换到强光环境，由于ISO的下限达不到0，使用大光圈镜头，在超出快门速度上限之后，会导致小画幅机身的高光溢出。
等效的灵敏度
好了，如果说这两台不同画幅的机器，在接收到相同的总能量的前提下达到相同的输出亮度，A机器的ISO值要设为A，B机器的ISO值要设为B，那么可不可以说A机器的ISO A等效于B机器的ISO B呢？
行，也不行。如果我们引入等效ISO这个概念，就意味着，在相同的等效ISO下获取同样的曝光，传感器接收到了一致的总能量【这也意味着具有相同的（散粒噪声）信噪比】。这可以给我们对比不同画幅&镜头系统的弱光性能带来极大的方便，两倍的总能量就意味着两倍的信噪比，简单粗暴。
划重点：
1、等效焦距=实际焦距×传感器裁切倍率，实际等效的是“视角”。
2、等效光圈=f/值×传感器裁切倍率。
3、等效光圈原理告诉你的是小画幅机身镜头系统可以获得相当于全画幅系统多少规格的虚化能力和弱光性能。
4、f/值能告诉你的是传感器单位面积的照度，但是实际上，更大的传感器可以在相同的f/值下收集更多的光线。
5、f/值和ISO都是无关于传感器尺寸的参数。但是等效光圈是。
实际上概括起来就是：使用同样的镜头（比如都是50mm f/2）的情况下，小画幅系统既不能提供相当于全画幅100mm f/2的景深（虚化），又没法提供相当于全画幅100mm f/2的画质（信噪比），所以只能当作全画幅的100mm f/4来使用。
* 注：实际上等效光圈还有第三原理——等效衍射，在星芒/衍射极限光圈等方面，小画幅系统也满足等效光圈原理。比如全画幅系统用f/11可见明显星芒的话，类似结构的4/3画幅镜头在f/5.6就可以看到同样的效果。
等效景深的实践检验
我们选用了几个等效焦距都是85mm的系统，实际物理光圈都是f/1.2。它们拥有不一样的等效光圈。
画幅 | 焦距 | 转换倍率 | 等效焦距 | 等效光圈 |
135画幅 | 85mm | 1 | 85mm | f/1.2 |
APS-C | 56mm | 1.5 | 84mm | f/1.8 |
4/3画幅 | 42.5mm | 2 | 85mm | f/2.4 |
1英寸 | 32mm | 2.7 | 86.4mm | f/3.2 |
实拍检验：
实际上结论还是挺明显的，同样的f/值下，大尺寸传感器拥有比小尺寸传感器更好的虚化能力。那么是否严格满足等效光圈原理所对应的关系呢？让我们继续看下一组检验：
这一组检验当中我们采用相同的等效光圈，而非实际光圈。
由于1英寸系统的实际等效光圈最小，我们就让其它系统都来迎合它，统一设为f/3.2的等效光圈。
画幅 | 焦距 | 转换倍率 | 等效焦距 | 等效光圈 | 物理光圈 |
135画幅 | 85mm | 1 | 85mm | f/3.2 | f/3.2 |
APS-C | 56mm | 1.5 | 84mm | f/3.2 | f/2.0 |
4/3画幅 | 42.5mm | 2 | 85mm | f/3.2 | f/1.6 |
1英寸 | 32mm | 2.7 | 86.4mm | f/3.2 | f/1.2 |
可以看到在同样的等效光圈下背景的模糊程度基本相同，最右边的1英寸底看起来圆点稍微实一些，但是问题的原因是1英寸的这支镜头焦外色散偏大，而不是因为报道出现了偏差。但是实际焦外成像细节对比仍然有一些不同，这跟镜头本身的结构也是有着相当的关系。
划重点：
1、景深和虚化效果不是一回事，后者还会受实际镜头素质的影响。
2、相同等效焦距和等效光圈下的景深相同。
3、弥散圆的样子取决于光圈叶片的形状。
等效信噪比的实践检验
接下来要验证的是等效画质（信噪比）。
在这一环节首先我们把四台相机设为同样的f/值、快门速度和ISO（f/2、ISO200、1/1.3s），在一个弱光环境下去检验它们的画质。
很明显，从左到右画质依次变差，信噪比降低。那么问题来了，它们之间的差距，是不是也严格符合等效光圈原理的比例关系呢？
跟景深当中的检验一样，我们还是把四台相机设为相同的等效光圈。调节ISO值使得四台相机都能够正确曝光。由于上面四台相机的画幅比例不同，我们不按照对角线长度，而按照面积的平方根之比来换算等效光圈。
画幅 | 等效光圈 | 物理光圈 | ISO感光度 |
135画幅 | f/5.6 | f/5.6 | 3200 |
APS-C | f/5.6 | f/3.6 | 1250 |
4/3画幅 | f/5.6 | f/2.8 | 800 |
1英寸 | f/5.6 | f/2.0 | 400 |
这次的四台相机画质基本一致了。存在些许区别的原因是像素总数不完全一致/镜头T值有区别/传感器量子效率不完全一致等。但是大方向检验等效光圈原理还是问题不大的。
所以结论就是，我们完全可以通过等效光圈原理来近似判断系统的弱光性能，不过，如果要想作出准确一些的判断，需要知道镜头的T制光圈（决定镜头的实际通光量）。
为什么等效光圈很重要
前面已经说了，等效光圈给了我们一个简单实用的工具，用于对比系统的弱光画质和虚化能力。但实际使用的时候还要考虑到一些实际限制，比如最简单的，在强光下我没法用小画幅的超大光圈来获取浅景深，因为会过曝。但抛开这些细节问题，等效光圈依然是一个十分实用的工具，用于对比不同画幅/价格的相机，你可以简单的知道你能够获取多么好的画质，和多么虚化的效果。不要被小画幅的大光圈镜头迷惑了，实际上画幅和镜头的均衡，才能取得最好的效果。
* 注：目前的自动、数码相机系统里，这个均衡点恰好就是135全画幅——比它小的系统底太小，比它大的系统光圈太小，等效下来都不够暴力。
下面是一个简单的表格，写出了目前在产自动对焦数码系统的最大等效光圈值：
1/2.3或更小（手机） | 1英寸 | 4/3画幅 | 残幅135（APS-C） | 全幅135 | 残幅645（44×33） | 全幅645 | |
等效光圈最大值 | f/10.55 | f/3.6 | f/2.4 | f/1.8 | f/1.2 | f/1.92 | f/1.54 |
划重点：
弱光环境下，等效光圈决定了你可以获取多么干净的画质。
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