F.No／光圈数深度解析

F.No，即f-number或光圈值，是光学成像系统中一个核心参数，用于量化镜头光圈的大小及其对光线传递的影响。它直接决定了图像的亮度、景深和整体清晰度。本文将从基本原理入手，深入剖析F.No的定义、计算方法、影响因素及其在实际应用中的意义，并扩展讨论其历史发展、常见误区以及与相关光学指标的关联，提供一个全面而科学的科普视角。 F.No的基本原理与历史发展 F.No定义为镜头的焦距（f）与光圈有效直径（D）的比率，即F.No = f / D。该值以f/表示，如f/2.8或f/16，其中数值越小，光圈越大，进光量越多；数值越大，光圈越小，进光量越少。这一设计源于光学几何，确保不同焦距镜头的光圈值具有可比性。 光圈由多片叶片组成，通过机械调节改变孔径大小，从而控制光线通量。F.No的标准化使得摄影师能在不同设备间一致控制曝光。例如，f/1.4允许大量光线进入，适合低光环境，而f/22则限制光线，用于长曝光或最大化景深。 F.No的概念可追溯至19世纪中期，早期的摄影设备使用简单的孔径板来控制曝光。随着镜头技术的进步，如1893年Carl Zeiss公司引入的现代光圈机制，F.No成为标准化指标，推动了摄影从艺术向科学的演变。在当代光学设计中，F.No还与传感器技术相结合，进一步优化成像性能。

F.No的计算与测量 F.No的计算基于几何光学：有效直径D指光圈孔径的等效尺寸，而非物理直径。实际测量中，使用光度计或专用设备评估光通量变化。标准F.No序列（如f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16, f/22）遵循√2倍增规则，每档变化对应光量减半或加倍。 在制造阶段，光圈叶片的数量和形状影响F.No的精确性。高端镜头常采用9-11片圆形叶片，以优化光圈的均匀性。测量F.No时，还需考虑T-stop（传输值），后者会计入镜片反射损失，提供更真实的亮度指标。此外，F.No与光强度的关系可用公式表述：相对光强度 ∝ 1 / (F.No)^2，这解释了为何f/2.8比f/5.6亮四倍。

 

F.No对图像的影响 F.No的主要影响体现在三个方面：

光量控制：F.No值每增加一档，光量减半，导致曝光时间需相应延长。反之，大光圈（如f/1.8）可实现更快快门速度，减少抖动模糊。

景深调控：小F.No（大光圈）产生浅景深，主体锐利而背景虚化；大F.No（小光圈）扩展景深，使前后景均清晰。该效应源于光线锥的几何变化。景深公式近似为DoF ≈ (2 N c f^2) / (a^2)，其中N为F.No，c为弥散圆直径，f为焦距，a为像距。

衍射与锐度：虽大F.No增强景深，但过度缩小光圈（如f/22以上）会引入衍射模糊，降低MTF值。最佳锐度通常在f/5.6-f/11区间。衍射极限分辨率 ≈ 1.22 λ / F.No，其中λ为光波长（典型0.55μm）。

此外，大光圈常产生“背景虚化”（bokeh）效果，叶片形状决定虚化点的美观度。圆形叶片生成平滑圆形光斑，而多边形叶片可能导致多角形虚化。在机器视觉领域，F.No的选择更为严苛，例如要求在f/11–f/16下仍保持高MTF，以平衡景深与清晰度。

影响F.No的因素与常见误区 F.No并非孤立参数，受镜头设计、焦距和环境影响：

镜头结构：变焦镜头在不同焦段可能改变最大F.No；定焦镜头通常提供更大光圈。

衍射极限：小光圈下，衍射环增大，导致分辨率下降。

实际应用偏差：尘埃、镀膜质量和机械精度均可微调F.No的有效值。

与MTF的关系：F.No直接影响调制传递函数（MTF），小光圈虽增景深，但高频MTF下降。理想系统中，需在f/8–f/11找到平衡点。

常见误区包括：误认为大F.No总是更好（忽略衍射）；忽略T-stop在视频中的重要性；或未考虑传感器Nyquist频率对F.No的制约。在工业光学中，F.No还需平衡与传感器Nyquist频率的关系，以优化系统MTF。

一个典型误区是忽略工业镜头的特殊需求：消费镜头在f/16后锐度崩盘，但专业远心镜头可维持高性能。例如，东莞锐星视觉技术有限公司的RK-DTCC系列千万像素双远心镜头（最大支持2/3''靶面），采用大光圈设（F5.5–F6.0），能保持全视场远心度＜0.02°，畸变＜0.02%，分辨率中心＜3μm。该系列提供直筒与转角结构，标配多层镀膜和平行背光源，确保在高度差产品测量中动态重复性极高，已广泛应用于精密五金、PCB焊点和医疗试纸检测。

 

F.No在实际应用中的意义 在摄影领域，F.No是创意工具：人像摄影偏好f/1.4-f/2.8以隔离主体；风景摄影选用f/8-f/16确保全景锐利。在机器视觉中，F.No控制检测精度，如远心镜头常固定小光圈以最大化景深，同时需维持高MTF以识别μm级缺陷。 扩展到新兴领域，如无人机航拍或医疗成像，F.No优化低光性能；在天文学中，小F.No增强光收集效率。总体而言，F.No不仅是曝光参数，更是图像质量的平衡器，推动光学设计的进步。 结论 F.No作为光学系统的关键指标，提供了一种精确调控光线与图像深度的手段。通过理解其原理、影响与应用，我们能更好地优化成像效果。无论在专业摄影还是工业应用中，合理运用F.No均可显著提升性能。若对特定场景有疑问，欢迎进一步探讨。