相机光圈和快门

- 光圈
- - 光圈结构
  - 光圈值由来
  - 光圈范围
  - 光圈作用
  - - 控制画面明暗
    - 控制画面景深和锐度
  - 自动光圈 Auto Iris
  - - DC-IRIS原理及问题
    - P-IRIS工作原理
- 快门
- - 快门简介
  - 快门速度与曝光
  - 快门速度与运动
  - 安全快门速度
  - 高速快门和慢速快门
  - B门和T门
- 参考文献

光圈

光圈结构

光圈（Aperture/Iris）指的是调整镜头内感光面光量的装置 ，通过控制光线透过相机镜头进入感光元件的透光量实现。最初的光圈只是一系列大小不同的圆孔排列在一个有中心轴的圆盘的周围，转动圆盘可将适当大小的圆孔移到光轴上，达到控制孔径的效果。后来的猫眼式光圈由两片有半椭圆形孔的金属薄片对排组成，相对移动便可形成大小不同的光圈。

光圈的种类包括：

固定光圈：最简单的相机只有一个圆孔的固定光圈。
沃特侯瑟光圈：最初的可变光圈只是一系列大小不同的圆孔排列在一个有中心轴的圆盘的周围；转动圆盘可将适当大小的圆孔移到光轴上，达到控制孔径的效果。十九世纪中叶约翰·沃特侯瑟发明这种光圈。
猫眼式光圈：由一片中心有椭圆形或菱形孔的金属薄片平分为二组成，将两片有半椭圆形或半菱形孔的金属薄片对排，相对移动便可形成猫眼式光圈。猫眼式光圈多用于简单照相机。
“虹膜”类型的光圈：由多个相互重叠的弧形薄金属叶片组成，叶片的离合能够改变中心圆形孔径的大小。有些照相机可以借助转动镜头筒上的圆环改变光圈孔径的大小，而有些照相机则是利用微处理器芯片控制微电机自动地改变光圈的孔径。弧形薄金属叶片可多达十八片。弧形薄金属叶片越多，孔径越接近圆形。通过电子计算机设计薄金属叶片的形状，可以只用7片薄金属叶，得到近圆形孔径（例如CONTAX T2 SONNAR 38mm/2.8镜头）。
瞬时光圈：近代单镜反光相机镜头的光圈是瞬时光圈，只在快门开启的瞬间，将光圈缩小到预定大小。平时光圈在最大位置。
快门光圈：有的简便照相机的光圈兼有快门的功能。这类快门光圈大多是双叶片的猫眼式光圈，与单纯猫眼式光圈不同的是：快门光圈平时是完全关闭的，在按下快门的瞬间，双叶片光圈开启到预定的孔径后，保持这孔径到一段预定快门开启时间之后，立刻闭合：如此一来，光圈便兼具快门的功能。

现在一般采用 虹膜式光圈 ，这种光圈由多个相互重叠的弧形薄金属叶片组成，叶片的离合能够改变中心圆形孔径的大小，如图所示。弧形薄金属叶片可多达 18 片。弧形薄金属叶片越多，孔径越接近圆形。只用 7片薄金属叶也可以得到接近圆形的孔径。

下面的动画显示了一个虹膜式光圈从完全打开到完全关闭的运动。光圈使用一个小型伺服电机移动一系列薄的金属叶片，如下图所示为9个叶片：

光圈值由来

光圈值用F表示，它是 镜头焦距和镜头光圈直径的比 。简单来说就是通过孔径大小的变化控制进光量的多少，从而实现不同的曝光效果。例如光圈从 $f /8$ 调整到 $f /5.6$ ，进光量多一倍、光圈开大了一级。
$\frac{1}{D（光圈孔直径）}=f\times D$
假设光圈完全打开的直径为单位 $1$ ， $n$ 是当前大圆和小圆的面积比，则当前打开的光圈孔直径 $\frac{1}{D}$ 的计算为：
$\frac{{\pi {{\left( {\frac{1}{2}} \right)}^2}}}{{\pi {(\frac{D}{2})^2}}} = n ~~~~ \Rightarrow ~~~~ \frac{1}{D} = \sqrt {n} \\ \\ F = f/\sqrt {n}$
这也就是下面这些数字的由来：

面积比 $n$	光圈孔直径反比 $\frac{1}{D}$	光圈值 $F$
$n = 2$	$\frac{1}{D}\approx1.4$	$F = f /1.4$
$n = 4$	$\frac{1}{D}=2$	$F = f /2$
$n = 8$	$\frac{1}{D}\approx2.8$	$F = f /2.8$
$n = 16$	$\frac{1}{D}=4$	$F = f /4$
$n = 32$	$\frac{1}{D}\approx5.6$	$F = f /5.6$
$n = 64$	$\frac{1}{D}=8$	$F = f /8$

1080px-Lenses_with_different_apetures

光圈范围

f/1.4	f/2.0	f/2.8	f/4.0	f/5.6	f/8.0	f/11.0	f/16.0	f/22.0
超大光圈	大光圈	大光圈	中等光圈	中等光圈	中等光圈	小光圈	小光圈	超小光圈
让大量的光进入	光线减半	光线减半	光线减半	一半的光线（非常“中等”的光圈）	光线减半	光线减半	光线减半	光线减半（此时您的照片非常暗）
非常浅的景深	浅景深	浅景深	适度浅的景深	中等景深	中等大景深	大景深	大景深	非常大的景深

光圈作用

由于光圈值(镜头焦距和镜头光圈直径的比值)是倒数关系，所以有这样的对应关系：

光圈值越小，光圈孔径越大，进光量增大 ， 景深也就越浅 ，此时 背景虚化效果就比较明显 ， 画面也比较明亮 。
光圈值越大，光圈孔径越小，进光量减小 ， 景深也就越深 ，此时 背景与主题就会越清晰 ， 画面也会比较暗 。

Impacts of Aperture

控制画面明暗

如果没有光圈，在非常明亮的环境中，图像可能变得太亮，相反则太亮：
- 光圈大，进来的光多，使照片变亮
- 光圈小，进来的光少，使照片变暗

控制画面景深和锐度

首先，什么是景深？

理想情况下，与光轴平行的光线射入凸透镜时，所有光线将会聚在焦点，再以锥状的形态扩散开来，如图所示， 在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影像变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做 弥散圆 。

当弥散圆的直径小到人眼不能分辨时，这时的弥散圆被称为 允许弥散圆 。不同的应用环境下，允许弥散圆直径的定义不同。以135单反相机为例，如果考虑洗出的相片尺寸为 $英寸\times 7英寸$ （英寸2.54cm），观察距离不小于25cm允许弥散圆的直径大约是底片对角线长度(432mm)的 $\frac{1}{1500} \sim \frac{1}{1000}$ ，通常按经验值取0.035mm。

在焦点前后各有一个允许弥散圆，这 两个弥散圆之间的距离是焦深 ， 对应拍摄景物那一边就是景深 。景深分为前景深和后景深，如图 2-16 所示。前景深 $H_1$ 与后景深 $H_2$ 的计算公式分别为：
$\begin{aligned} & H_1=\frac{f \cdot \delta \cdot L^2}{F^2+f \cdot \delta \cdot L} \\ & H_2=\frac{f \cdot \delta \cdot L^2}{F^2-f \cdot \delta \cdot L}\\ \\ & F:镜头焦距 ~~ f:镜头光圈值 ~~ L: 拍摄距离 ~~ \delta: 允许弥散圆直径 \end{aligned}$
因此，景深 $H=H_1+H_2$ 。

从上式不难看出，后景深大于前景深。影响景深的因素主要有如下三个方面：

光圈大小：
- 光圈大，景深浅，背景虚化
- 光圈小，景深大，背景清晰
镜头焦距：
- 镜头焦距越长景深越小
- 镜头焦距越短景深越大
拍摄距离：
- 镜头离被摄景物越近景深越小
- 镜头离被摄景物越远景深越大。

在实际拍摄中，对应镜头的焦距一般是固定的，而拍摄距离不易调整，所以一般就通过控制光圈来控制景深。在下图中， 左边的照片使用了 $f /4$ 的相对较大的光圈 ，而对右 右边的照片则使用了 $f /32$ 的难以置信的小光圈 ：

Depth of Field Comparison f4 vs f32

差异也是很明显的，在 $f /4$ 的照片中，只有蜥蜴头部的一个薄片显得很清晰。照片的背景是非常模糊的。这就是所谓的景深。

你可以把景深想象成一个与你的主体相交的玻璃窗格，而照片中所有与该窗格相交的部分都将是清晰的。玻璃的厚度根据你的光圈而变化。在类似 $f /4$ 的情况下，玻璃是相对较薄的。这就是为什么人像摄影师喜欢 $f /1.4$ ， $f /2$ ， $f /2.8$ 这样的光圈。 大光圈给你一个特别的 "浅焦 "效果，即只有主体前后的一小段距离内是清晰的（如主体的眼睛） 。就如下面这幅猫咪的图片一样：

Cat photo at large aperture

这里使用 $f /1.4$ 的光圈，尽可能清晰地捕捉这只猫的眼睛，同时使背景极度失焦。

我们也可以通过下面这幅动图来观察光圈变化带来的就景深变化：

DOF_P_Iris

自动光圈 Auto Iris

Auto Iris（自动光圈）是一种功能，通常应用于摄像机镜头或光学设备中，用于自动调节光圈的大小以适应不同的光线条件。

Auto Iris功能的主要目的是确保在光线变化的情况下，摄像机或光学设备能够自动调整光圈大小，以保持图像的适当曝光水平。这对于摄影、监控和其他需要自动适应不同光线环境的应用非常重要。

Auto Iris功能通过以下方式工作：

光线感应：摄像机或光学设备配备有光线感应器，可以检测周围环境的亮度水平。
光圈控制：基于光线感应器的反馈，Auto Iris功能会自动控制光圈的大小。在低光条件下，光圈会打开以允许更多的光线进入；而在高光条件下，光圈会缩小以减少光线的数量。
曝光调节：通过自动调节光圈大小，Auto Iris功能确保摄像机或光学设备的曝光水平在一个合适的范围内，避免图像过曝或欠曝。

Auto Iris功能可以使用不同的控制方式实现，其中一种常见的方式是通过电子信号控制光圈的电动驱动。根据不同的应用需求，Auto Iris功能可能提供不同的设置选项，例如手动调节灵敏度、反应速度和曝光范围等。

总结来说，Auto Iris是一种自动光圈功能，通过感应周围环境的光线水平，并自动调节光圈大小，以确保摄像机或光学设备在不同光线条件下能够保持适当的曝光水平。这有助于获得清晰、准确和可视化良好的图像结果。

Auto Iris 目前主要有 DC-IRIS 和 P-IRIS 两个实现方式。

DC-IRIS原理及问题

自动光圈能够根据光线亮度的变化自动调节光圈孔。

早期的DC-IRIS只是单纯的根据光线亮度来调节光圈，并没有考虑光圈对其他图像因素（光圈）的影响。

DC-IRIS只知道根据光线亮度来打开或关闭光圈，不能提供给摄像机光圈的位置，因此无法有效控制光圈大小以优化图像质量。

例如，VRS 049 自动光圈的外观结构如下：

其中的 Damp（阻尼） 控制和 Drive（驱动） 控制在光圈（IRIS）驱动器中具有不同的目的和功能。

Damp（阻尼）控制： 阻尼控制用于调节光圈的开合速度和减缓光圈运动的惯性 。光圈的阻尼特性可以影响光圈的稳定性和运动的平滑性。通过调整阻尼控制，可以使光圈在开合过程中更加平稳，避免突然的加速或减速，从而提高图像的稳定性和减少震动引起的影响。阻尼控制通常由Damp+和Damp-引脚控制。
Drive（驱动）控制： 驱动控制用于控制光圈的实际开合动作，即调整光圈孔径的大小 。通过驱动控制，可以使光圈片或光圈叶片按照预定的方式移动，从而改变光线通过镜头的量。驱动控制通常由Drive+和Drive-引脚控制。

综合起来，Damp控制和Drive控制在光圈驱动器中相互配合，以实现对光圈的精确控制和运动特性调整。阻尼控制用于调节光圈运动的平滑性和稳定性，而驱动控制则用于实际控制光圈的开合动作。这样可以确保光圈的运动流畅、稳定，并达到所需的光线控制效果，以获得高质量的图像结果。

P-IRIS工作原理

Camera 光圈简介

P-IRIS中的 P 代表 精确（precise） 。它使用专用的光圈驱动器和反馈机制来实现更精确的光圈控制，既能像自动光圈一样自动调整，又能在摄像机软件中进行控制，从而提高视频清晰度和景深。

P-IRIS是通过控制P-IRIS镜头中的步进电机动态精确的控制光圈大小。与DC-IRIS的主要任务是不停的调节光圈大小不同，P-IRIS的主要目的是设置最佳光圈位置，以便大部分镜头中心及效果最佳的部分得到使用，在此位置光学误差大大减小，从而提高图像质量。

P-IRIS需要与增益和曝光时间相配合来管理光线的微小变化从而进一步优化图像质量，使最佳光圈位置保留尽可能长的时间。但超过增益和曝光时间的调节能力时，P-IRIS再调节光圈到不同位置。

一种光圈P-iris控制方法及步骤：

A. 将光圈调整至最佳光圈位置
B. 获取当前镜头的快门，增益及亮度值
C. 判断快门、增益在设定范围内可调节时，转到步骤F；若增益为0，快门在设定范围内最大值时，则转到步骤D
D. 判断获取的亮度值与设定亮度的差值是否超过设定的阈值，是则执行步骤E，否则转回步骤B
E. 判断获取的亮度值与设定亮度的差值大于阈值则根据预设调节量调整缩小光圈后转回步骤B，小于阈值则根据预设调节量调整扩大光圈后转回步骤B
F.将光圈调整至最佳光圈位置后转回步骤B；

上述方法中，所述步骤F具体包括，

F1. 判断增益及快门是否低于设定的阈值，是则转到步骤F2，否则转到步骤F3
F2. 将光圈调整至最佳光圈位置，转回步骤B；
F3. 根据预设调节量调整扩大光圈，转回步骤B；

上述方法中，所述步骤C中，判断快门、增益在设定范围内可调节时，设置光圈动作标志为0；若增益为0，快门在设定范围内最大值时设置光圈动作标志为1；

上述方法中，所述步骤D具体包括:

D1. 判断获取的亮度值与设定亮度的差值是否超过设定的阈值，否则转回步骤B；是则转到步骤D2；
D2. 在预设时间内连续判断根据亮度值与设定亮度的差值是否均超过设定阈值，否则转回步骤B，是则转到步骤E

上述方法中，所述步骤D2通过步骤D3转到步骤E；所述步骤D3为判断是否出现反复，是则减小预设调节量而后转回步骤B，否则直接转回步骤B。

P-IRIS想要实现的一个关键点是需要知道光圈当前的位置情况。这有两种方式：

控制光圈的是步进电机，步进电机可通过计算电机走的步数来计算当前位置
控制光圈的是直流电机，这就需要通过Hall传感器来检测当下位置

快门

快门简介

快门(Shutter)是相机中用来控制光线照射感光元件时间的装置 。说得通俗一点，快门就相当于遮挡在感光元件前的一张帘子，帘子开启的时间可以决定投射到感光元件的光线强弱，而这个帘子（快门）开启的时间就是所谓的快门速度。 快门时间越短，曝光时间越少 。

快门是如何工作的呢？如下面动图所示：

快门工作示意图

按下快门按钮后，快门装置就会被触发，开始工作：

（1）反光板弹起；

（2）快门幕帘的前幕帘开启，曝光开始；

（3）快门幕帘的后幕帘关闭，曝光结束；

（4）反光板放下。

Shutter_Firing_sequence

可以看出， 从曝光开始到曝光结束的时间，就是 曝光时间 ，也就是 快门速度 。

快门速度与曝光

通过上面的介绍，我们知道快门速度决定相机感光元件与光线的接触时间，从而决定画面的亮度。 快门速度越快，开启时间短，感光元件接触到的光线就少，最终画面就越暗，反之亦然 。

快门速度越快，曝光量越少

早期的摄影，可用的快门速度没有一个标准，一般而言有1/10秒、1/25秒、1/50秒、1/100秒、1/200秒、1/500秒。在采用光圈表示的标准方法之后，即每调整一级光圈就会加倍和减半相机的进光量，（ $f /2.8$ 、 $f /4$ 、 $f /5.6$ 、 $f /8$ 、 $f /11$ 、 $f /16$ 等），标准的2:1比例， 光圈变大一级，快门就要减慢一级，以达到相同的曝光 。约定俗成的快门速度标准有：

1/1000秒
1/500秒
1/250秒
1/125秒
1/60秒
1/30秒
1/15秒
1/8秒
1/4秒
1/2秒
1秒

通过这一比例，快门速度调慢上述的一个级别进光量加倍（降低1 EV），调快上述的一个级别则进光量减半（增加1 EV）。

前面说过，控制进光量的另一个途径，就是改变光圈大小。光圈越大，接收的光线就越多；光圈越小，接收的光线就越少。

所以，我们可以通过 光圈 和 快门时间 两种途径来控制进光量。

可能有朋友会有这样一个疑问：既然光圈或快门速度都可以单独来控制进光量，那为什么还要同时使用这二者呢？

其实答案也很简单，除了控制曝光以外，光圈和快门速度还有各自其他的作用， 光圈主要控制景深 ， 快门速度则主要控制物体运动的呈现状态 。

快门速度与运动

快门速度分为慢速快门，中速快门和高速快门：

Appearance_of_the_shutter_at_various_speeds

快门速度的不同，对运动主体的画面效果有直接影响，如下图：

快门速度与物体运动关系

1280px-Windflower-05237-nevit

在三种不同快门速度下拍摄的风车

快门速度越慢，越容易把主体的运动轨迹拍下来 。

安全快门速度

如果不想主体出现脱影、模糊，快门速度应该越快越好，但不可能每次都用最快快门速度拍摄呀，那有没有一个界限呢，快门速度应该设置成多少可以避免主体被拍糊呢？

这里就需要补充一个概念： 安全快门速度 。

安全快门速度是指在拍摄照片时，为了避免由于相机抖动或摄影师手持不稳而导致图像模糊的最低推荐快门速度。它可以确保在手持相机拍摄时获得清晰的图像，减少因相机晃动引起的影响。

安全快门速度并不是一个固定的值，而是根据拍摄条件、镜头焦距和摄影师手持稳定性等因素而有所不同。一般来说，它通常是镜头焦距的倒数，也被称为“1/f规则”：
$安全快门 = 1/ 等效焦距$

比如，全画幅镜头焦距为50mm，那么安全快门为1/50秒，使用这个焦距手持拍摄时，快门速度不能低于1/50秒，不然容易形成抖动模糊。因此，手持拍摄下，要尽量使拍摄快门速度快于安全快门速度。

如果全画幅镜头用在aps-c残画幅相机上，等效焦距需要进行换算，如佳能是1.6，尼康是1.5。比如EF 50mm用在aps-c的相机上，安全快门=1/（50x1.6）=1/80秒。

然而，需要注意的是，这只是一个推荐值，并不适用于所有情况。某些摄影师可能具有更好的手持稳定性，可以在相对较慢的快门速度下获得清晰的图像。另外，在拍摄快速运动或低光条件下，可能需要更快的快门速度来冻结动作或避免模糊。

高速快门和慢速快门

高速快门，可以定格主体的运动瞬间 ，记录下高速运动下的主体姿态动作。它通常以1/1000秒或更快的速度进行设置，甚至可以达到1/8000秒以上。高速快门适用于捕捉快速运动或需要冻结动作的场景。通过快速快门速度，可以在瞬间捕捉到细节，例如运动比赛、快速移动的物体或需要减少光线进入镜头的情况：

高速快门用于捕捉物体运动时刻

慢速快门，简称慢门，也称为长曝光。慢速快门是指较慢的快门速度范围，通常在1/30秒以下，甚至更慢。慢速快门适用于拍摄静态场景、低光条件下的拍摄或希望捕捉到运动模糊效果的场景。较慢的快门速度会增加感光元件接收到的光线量，使图像变亮，并允许相机在较长的时间内感知场景中的运动。

慢门拍摄车灯轨迹

B门和T门

B门和T门是相机快门模式中的两种特殊模式。B门和T门都是用来超过30秒长曝光使用的，它们提供了额外的曝光控制选项。

B门（Bulb Mode） ： 快门按下后到快门释放，快门保持开启 。当相机设置为B门模式时，快门会一直打开，直到摄影师释放快门按钮为止。这意味着相机将持续曝光，直到摄影师主动关闭快门。B门适用于需要超过相机常规快门速度范围的长时间曝光，例如拍摄星轨、烟花或夜间景观等。
T门（Time Mode） ： 快门按下后到快门再次按下，快门保持开启 。不同于B门模式需要一直按住快门按钮，当相机设置为T门模式时，按下快门按钮会打开快门，并且快门会保持打开状态直到再次按下快门按钮。相机不需要一直按住快门按钮，而是只需要按下和释放按钮即可控制曝光时间的长短。

简要概括二者的区别： B门只需按一次快门即可拍摄一张照片，T门需要按两次快门才能拍摄一张照片 。

这两种模式的名称来源于早期相机的设计。在机械相机时代，B门和T门是通过物理控制方式实现的，而在现代数码相机中，它们通常以电子方式实现。