如何從現實意義理解光圈 F 值？

06-12

看清楚問題再作答，一知半解的不要作答。
我們知道：光圈值 = 入瞳直徑/焦距
如果以紐約專業攝影教程為指導，光圈 F 值的出現，其實是為了進行所有不同成像系統的統一。就是大家在焦距不同、光圈孔徑不同、感光原件尺寸不同的情況下，對最終的曝光做一個統一。這是 F 值出現的基礎，這個東西很好。
但我們深入去理解成像系統會發現，這個 F 值其實是不能用以衡量光通量的。比如一個全幅相機，一個 iPhone X，而且拍攝視野一致時（等效焦距一樣），都是 F/1.8 光圈的情況下。這兩者的圖像感測器接收到的光子數量是不可能一樣多的。
因為如果光通量一樣的話，相同量的光到到不同大小的圖像感測器上，兩者最後照片的亮度肯定有巨大差別。但顯然這是不符合直覺和經驗的。

有關這個問題，其實就牽扯到等效光圈了嘛。
那麼在光圈 F 值不能用以統一單位時間內的光通量時，F 值提出的真正價值在哪裡？或者說它的現實意義是什麼？焦距作為分母，它扮演的作用是什麼？
另外，如果不考慮鏡片對光的損耗，那麼越長的焦距是否真的對光通量存在影響？如果影響的話，是怎麼影響的？
這個問題，可能涉及光如何在鏡頭中匯聚，以及更大底的設備如何進行曝光的增益等。煩請懂的同學予以系統的解答。

其實我挺奇怪很多人回答問題為什麼會那麼有優越感的，從哪裡看出我分不清光通量和曝光這兩個不同的概念的？這個問題的核心無非就是 F 值現實意義是什麼，EV 的現實意義是什麼；這與理解有關，就類似於「導數的幾何意義是什麼」這樣的理解，不是讓你求導，也不是讓你掰導數的概念，不是讓你給定參數設定方式並直接給結果。
還有一些回答，你真的有搞清楚你在說什麼嗎............
這個問題下面，有兩位同學把 EV 的現實意義解釋清楚了，各位可以找一找（又一個在評論裡面）...另，我其實對攝影沒啥興趣，純粹喜歡成像理論而已。

但我們深入去理解成像系統會發現，這個 F 值其實是不能用以衡量光通量的。比如一個全幅相機，一個 iPhone X，而且拍攝視野一致時（等效焦距一樣），都是 F/1.8 光圈的情況下。這兩者的圖像感測器接收到的光子數量是不可能一樣多的。

所以你作為一個攝影師，關心光通量幹嘛…

你要關心的是一定時間內，單位面積上接受的光子數量。

iphone和35mm畫幅接受的光子總量不同，但是【單位面積】上接受的光子數量是一樣的，所以成片亮度一樣，知道這個不就好了么。

所以你知道在不考慮鏡頭損耗的粗略情況下，各個畫幅的曝光都能用F值做一個大致比較

這是F的基本用途，然後就是景深。

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一定要搞清楚焦距f作為分母的【意義】在哪裡，去看鏡頭設計的書。

實際在鏡頭設計時，大都是講cone的，也就是光錐。

換句話說鏡頭設計就是求解一個多粗（入瞳徑，對於單透鏡系統而言搞不好還真就是光圈直徑或鏡片口徑）的平行光線在多短（焦距）的距離上匯聚的問題，這不就是一個錐體么。在此基礎上解決像差和非平行光線等比較複雜的問題，就設計好了鏡頭。太陽底下玩過放大鏡的你肯定懂，鏡片越大，焦距越短，光斑越亮。

這兩個一除就是F值咯。

對於非單點光源的情況也是一樣，只是換成多個像點在底片上的散布和疊加而已，但本意不變。

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另外f值的起源…最早就是用來定性（不是定量）的表示曝光程度和景深的。

但和焦距或入瞳徑沒有直接關係，純看開心。

英國人和美國人覺得tmd f/16→f/11明明曝光差了一半，數字上反應不出來，不好。我們搞Uniform System，所以f/11 =US 8 f/8=US 4，f/5.6=2，多簡單。

後來發現大量光圈比f/4（US=1）小的鏡頭出來之後，就必須用上小數，f/2.8=US0.5 f/2=US0.25，要知道英制體系的人對於小數是畏懼的，他們習慣2又7/32，但不習慣0.5 0.25 0.125，所以就沒下文了（最後一句我胡說的）

F值不是為了計算光通量的。為什麼我們要在現實生活中關注光通量呢，因為它是信噪比的一個重要因素。但你想想，大多數人為什麼要關心信噪比，把照片拍好看就行了嘛。只有那些暗光的，星空的，或者專業風光的需要考慮。只有這些人需要關注光通量。

F值是為了計算曝光的。同樣的ev下，不管什麼底，什麼鏡頭，什麼物距，F值一定死，iso和快門時間就可以給出推薦了。這裡如果用光通量算曝光還得吭哧吭哧算底有多大，孔徑有多大，焦距有多大，麻煩很多。為什麼我們要關注曝光呢，因為和照片是否好看直接相關啊。曝光搞不對片子就廢了啊。所以所有人都要關注曝光，要關注曝光就要F值。這就是F值的現實意義。

所以回到你的問題，F值不決定光通量沒錯，但反正除了少數人大家也不care光通量/信噪比，大家更care曝光。而F值是曝光計算中獨立於感測器尺寸和焦距的不變數，可以讓計算變得簡單。這是F值最直接的現實意義。至於對景深，球差，炫光的控制那是另一個話題了。

曝光量（exposure），是對照射到像素上的光通量積分。而攝影里的「曝光」，是圖片上亮度的衡量，是相對值。中間隔著：

1、像素麵積。

2、像素阱容（光子上限）。

同代cmos這兩者基本認為成正比。

相同的曝光下，大底的光通量更大，但因為阱容更大，所以曝光值與小底相等。多餘的信息量你可以認為是提供更多的樣本取平均值，讓噪點更少。

所以F值根本不衡量光通量，入瞳直徑才衡量光通量。

而F之所以是個比例……這太簡單以至於我不明白你為什麼不自己思考。

這必須代入CMOS的大小考慮。同樣的底片下，短物理焦距能匯聚很大視角內的光通量，而長焦只能匯聚很遠處的一小點。如果不增大入瞳直徑，對光源散發角進行更多的積分，那麼曝光肯定是不同的。

最後，再從F的目的不負責地演繹一下，不代表史實：

混沌初開天地亂，當年相機發明後，為了衡量曝光量，首先是底片的問題。材質不同的底片同樣的曝光參數下曝出來結果不同，於是大家用ISO標準化了底片的曝光速度。這樣只要根據曝光速度，就能通過調整其他設置得出標準的曝光。

有的甚至只有ISO1，要托著架子拍，並且因此誕生了各種怪誕傳說。

然後是焦距，大家發現焦距對曝光是有影響的的。我拿魚眼附加鏡的凸透鏡拆下來拍了一下，大家可以明顯看到，短焦更亮。

（我不明白為什麼這麼簡單的試驗lz不自己做一下。思而不學則殆。）

短焦

長焦

然後是光闌和光圈的（field stop，aperture）物理直徑，大家發現不同焦距下光闌效果不同。

最後發現，正巧，光闌和焦距的亮度關係可以抵消。於是就有了F=直徑/焦距

後來隨著光學的發展，這個定義被推廣到入瞳直徑/焦距

這其實是一個很簡單的問題，只是被題主複雜化了。

如果以紐約專業攝影教程為指導，光圈 F 值的出現，其實是為了進行所有不同成像系統的統一。就是大家在焦距不同、光圈孔徑不同、感光原件尺寸不同的情況下，對最終的曝光做一個統一。

這句話是對的，但是呢，題主理解錯了。

光圈值衡量的不是曝光量H，更不是光通量，是曝光值EV(Exposure Value)，而其存在的意義是在膠片機時代或者單反相機時代對曝光三要素的計算：iso為100時，某一光圈值和快門值組合對應的曝光值EV是多少？

計算公式是：

對應關係是：

相機的測光系統測出EV值或者攝影師預估EV值，然後據此來設置光圈及快門組合。

在數碼相機時代，尤其是無反相機時代，我們有實時預覽，實現了真正的「所見即所得」，也就是我們在電子取景器里看到的是什麼，最終得到的就是什麼。

但膠片機時代不是，照片的曝光時間是需要經過計算的。

其實翻看早期的攝影教程，會有很多需要記憶的參數，晴天、陰天雨雪天該怎麼設置光圈及快門速度，光圈和快門速度之間的對應關係等等，只是在數碼相機時代，這些都不需要了。

但光圈值的本質沒有變，曝光三要素對應的曝光值，無論你的相機畫幅和鏡頭焦距怎麼變，這種對應關係是不變的（考慮到不同鏡頭的透光性能不同，其實有微弱的差異，所以實際上T值更準確，後文會詳解），這才是光圈值的根本意義所在。也就是題主最開始說的：

如果以紐約專業攝影教程為指導，光圈 F 值的出現，其實是為了進行所有不同成像系統的統一。就是大家在焦距不同、光圈孔徑不同、感光原件尺寸不同的情況下，對最終的曝光做一個統一。

以題主說的全畫幅和iPhone X為例。

如果單反也採用F1.8的光圈，在環境光強度相同的情況下，如果單反和手機的iso和快門速度相同，那麼理論上二者最終成像的亮度是一樣的（曝光），無論是24mm的廣角端，還是800mm的長焦端，都是如此。不過目前沒有800mm F1.8這種規格的鏡頭。

之所以說理論上的，因為一般來說，鏡頭的焦距越長（尤其是變焦頭），鏡片越多，可能會導致光照強度發生的衰減更多（也就是通光量與F值不對應），所以在電影鏡頭上常用的是T值而不是F值。

T值考慮到了F值已經鏡頭透光率帶來的光線的衰減。

【T值=F值/透光率的開平方】

不過無論是F值，還是T值，其意義是一樣的，只是後者考慮了不同鏡頭的透光率導致的光線衰減。

關於F值和T值說完了，我們再來說說通光量的問題：

因為如果光通量一樣的話，相同量的光到到不同大小的圖像感測器上，兩者最後照片的亮度肯定有巨大差別。但顯然這是不符合直覺和經驗的。
那麼在光圈 F 值不能用以統一單位時間內的光通量時，F 值提出的真正價值在哪裡？或者說它的現實意義是什麼？焦距作為分母，它扮演的作用是什麼？

前面我們已經回答了光圈值F的現實意義，其計算公式是：

不過，這其實是一個相機參數對應的計算公式，而不是真正的物理原理的計算公式。

照片亮度的實際物理參數應該是曝光量H，而不是曝光值EV。

E是影像平面的照度，t是曝光時間。』

照度E是指單位面積上所接受可見光的光通量。

H和EV值之間是可以進行數學換算的，相關論文裡面有詳細說明，這裡就不重複了。

實際上，對於攝影來說，我們只需要關注曝光值EV和光圈F，不需要去關注曝光量H和光通量 $Phi$ 。

答主已經說了，如何從"現實意義"理解F值，而不是"理論意義"，那我就給出現實意義的回答唄，不要搞複雜了。

F值的最終意義是為曝光服務的。

正常人去拍照，關心的是曝光是否正確，誰tm去關注什麼光子數量，光通量，單位面積光子數量這些概念？

無論你是什麼相機，多大畫幅，多少焦距，只要ISO、Shutter Speed、F值一樣，曝光程度就是一樣的；然後無論你是什麼相機，多大畫幅，多少焦距，只要你按照Stop比例去調整ISO、Shutter Speed、F值這三個參數，曝光程度也是完全可被量化的方式掌控的（後半段就是說如果你調高ISO一檔，你就可以調Shutter一檔或者調小光圈一檔，曝光程度完全是可量化計算的）。

要知道曝光這個東西不是小白搞得清楚的。但是在ISO、Shutter Speed、F值的體系下，這三個參數組合的數量關係，它可以橫跨系統、畫幅、鏡頭焦距，給你一個精確可定量、可操控的東西。這就是F值的意義。