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大像素还是高像素：从镜头看高像素的迷思 林沧 一般来说，高像素的相机可以比大像素的相机拍出更清晰的图象，但这并非是绝对的。能否拍摄出高分清晰度的图像不仅要看相机传感器的像素密度，还得要看整个成像链的各个环节。这些环节包括：镜头的分辨能力，对焦精度以及按快门时的机身震动大小等等。如果成像链的任何一环保证不了高分辨率的要求，就无法发挥出高像素相机的优势，拍摄出高分辨率的图像。APS画幅可以放多少万像素？1200万够不够？1700万多不多？135全幅最多可以放多少万像素？可以有多高的分辨率？镜头的分辨能力与传感器的尺寸以及像素的尺寸是什么关系？是不是像素越多分辨能力就越高？像素增长的极限是什么？ 这些问题一直在争论不休，难以形成一致的意见。本文试图依托DXO的测试数据构建一个数学模型来解答上述问题。DXOmark网站不仅测试了的数码相机传感器的各种数据，而且测试了各种镜头包括分辨能力在内的数据。DXOmark测试镜头分辨能力时是将要测试的镜头装到与此镜头配合的各型数码相机上。测试的数据可在下述链接中找到：/index.php/eng/Lens-with-Camera/Lens-rankings/Optical-Metric-Scores下面的图为DXO网站4支镜头在佳能不同机型上测试的结果：图一其中，镜头分辨能力的单位为lp/mm，归一化到135全幅（24x36mm），横坐标上的像素密度要加100。具体数字见下表：表一从这些数据可以看出，镜头的实际分辨能力不仅与镜头有关，而且与传感器的像素密度有关。通过分析比较这些数据，可以发现一些很有意思的结果，这些结果表明：1、由于镜头分辨能力的限制，实际拍摄出来的图像分辨率要小于相机图像传感器的分辨率；2、同样画幅相机大像素与高像素之间在分辨率上的差距减少了；3、画幅对实际镜头分辨率有很大的影响，全幅的实际分辨能力要大大高于同样像素密度的apsc画幅的机身，也高于像素数量更多的apsc的机身。最明显的是5D与7D比，全幅的5D只有1300万像素，其实际分辨能力比1800万像素的7D更高；4、APSC画幅上1200万像素后，增加像素来提升分辨率的边际效用是递减的。即增加像素后，对分辨率的提升作用越来越小。全幅上1DS3的分辨率比D3x的还高一点。如何理解上述数据？可否根据这些数据以及摄影和光学的一些基础知识来构建一个理论模型来分析、比较镜头分辨能力、镜头分辨能力的利用率与像素的密度和传感器的尺寸之间的关系是一个有着实际意义的课题。笔者不揣冒昧，抛砖引玉，提出自己的观点，欢迎有关人士提出批评和质疑。如确实是我的错误，我会修正自己的观点并向指出者表示感谢。如果没有驳倒我的观点，我会继续坚持。希望能够通过质疑和修正，达成对上述问题的共识。欢迎引用我的观点，但请注明来源和出处。一些基本的概念和知识一、爱里斑、象差、弥散圆、瑞利判据和理想镜头1、爱里斑镜头在焦点上投射的不是一个几何点而是一个弥散圆。这个弥散圆的大小受到衍射和像差的影响。衍射是由于光的波动性产生的现象，其表现形式就是爱里斑。最重要的衍射源是镜头孔径光阑的边缘，点光源经过一个理想（即无像差）镜头成像后，像点是一个具有特殊性质的光斑，而不是几何成像理论推测的点。Airy（爱里）在1835年发现了该现象，该图案即称为爱里衍射图。图二爱里斑的直径与光的波长、像距镜头的距离、镜头的孔径有关，具体计算公式见上图。对于聚焦于无穷远或近乎无穷远的情况下，波长为400nm的蓝紫光，孔径为f/8的理想镜头，爱里斑的直径为0.008毫米。可以将它与有象差镜头中通常采用的弥散圆直径0.03-01毫米相比较。注：本段以及上图均引自《大不列颠摄影教程》第九版的中文版，吉林摄影出版社2002年出版，以下相同。2、象差实际的镜头，尤其是简单镜头，只是对理想镜头的一种近似，有以下三个原因：（1）玻璃的折射率随波长变化而变化；（2）透镜表面通常为球面；（3）光具有波动性。这些与理想成像的偏差称为透镜误差或光学像差。由（1）引起的效果叫做色差，由（2）引起的效果叫球差，由（3）引起的效果称为衍射效应（爱里斑）。一般来说，像差对像质的劣化作用会随视场角及孔径的增大而加大。有7种初级色差和球差。其中两种直接误差或轴上像差影响像方视场的所有区域及中心区域，称为轴向色差和球差。其它五种象差只影响斜入射通过透镜的光线，并且不影响中心区域，这些斜误差或轴外像差的作用随像点距透镜的距离增大而增大。它们分别是横向色差（倍率色差）、慧差、场曲、像散和（曲线）畸变。它们对象质的影响随着视场增大而增大。（《大不列颠摄影教程》，p.125)3、弥散圆如果摄影镜头的f数由最大值逐渐减小