光圈是什麼?(CCTV 鏡頭)

光圈(Aperture)是鏡頭內控制進光量的開口,以 F 值表示——F 值越小,開口越大,到達感光元件的光線越多。光圈同時影響夜間畫面亮度與景深範圍,是閉路電視鏡頭規格中最影響低光表現的一項。本頁講解 F 值的計算原理、光圈與景深的取捨,以及固定光圈與自動光圈在監控工程上的選型考慮。

光圈的定義:鏡頭的「進光閘門」

光學系統內限制光束通過的結構稱為「光闌」(Stop),其中決定系統接收光錐大小的一個,稱為光圈光闌(Aperture Stop)。日常所講的「光圈」,一般指這個開口的大小——它直接決定有多少光線可以穿過鏡頭到達感光元件,如同相機與攝影機的進光閘門。開口越大,同一時間內收集的光線越多,畫面越亮;開口越小,進光越少,畫面越暗。

在閉路電視攝影機上,光圈與快門速度及增益共同決定曝光:光線充足時三者互相配合維持正常亮度;到了夜間,光圈的集光能力便成為畫質分野的關鍵。這亦是為何規格表上的最大光圈值(例如 F1.6、F2.0)是低光監控選型的重要指標。

F 值是什麼?為什麼數字越小光圈越大

F 值(F-number)的定義是鏡頭焦距除以有效光圈直徑。由於是「焦距 ÷ 開口直徑」的比值,開口越大,F 值反而越小——所以 F1.4 是大光圈,F8 是小光圈。標準 F 值級數是以 2 的平方根(約 1.4)為公比的數列:

F 值級數光圈開口進光量(相對 F1.4)典型場景
F1 – F1.4非常大2 倍 – 1 倍超低照度監控鏡頭
F2 – F2.81/2 – 1/4常見監控攝影機最大光圈範圍
F4 – F5.6中等1/8 – 1/16日光下自動光圈收細後的狀態
F8 或以上1/32 或更少強光環境防過曝、追求最大景深

級數中相鄰兩級的開口直徑相差約 1.4 倍,面積相差一倍,因此進光量每級相差一倍——攝影上稱為「一級」(One Stop)。換言之,F1.4 鏡頭的進光量約為 F2 的兩倍、F2.8 的四倍;規格上看似細微的差距,夜間表現可以相差極遠。

光圈與景深:進光量與清晰範圍的取捨

光圈除了控制亮度,還決定景深(Depth of Field)——即畫面中由近至遠能夠保持清晰的距離範圍。光圈收細(F 值增大)時,到達成像面的光錐角度較小,物點成像的擴散減少,景深因此加深,遠近物體較容易同時清晰;光圈開大(F 值減小)則景深變淺,只有對焦點附近清晰。

大光圈(F 值小)

進光量多,夜間畫面亮、雜訊少,可維持較快快門減少拖影;代價是景深淺,離對焦距離較遠的物體可能模糊。適合低光環境優先保證亮度。

小光圈(F 值大)

景深深,由閘口到走廊盡頭都較易保持清晰,強光下亦可防止過曝;代價是進光少,低光環境需要提高增益,雜訊隨之增加。適合日光充足的場景。

監控場景一般希望整個監察範圍都清晰,因此日間光線充足時攝影機傾向收細光圈換取景深;入夜後則開大光圈優先集光。這個日夜之間的自動平衡,正是自動光圈機制的價值所在。

固定光圈與自動光圈:監控工程如何選

監控鏡頭按光圈可否調節,大致分為固定光圈與可調節(自動)光圈兩類。光線穩定的環境用固定光圈已經足夠;光線變化大的位置則應選用可自動調節的型號:

比較項目固定光圈自動光圈
光圈開口出廠固定,不可調節隨環境光度自動開大或收細
日夜光線變化依賴快門與增益補償日間收細防過曝,夜間開大保亮度
結構與成本簡單、成本較低較複雜、成本較高
適合環境光線穩定的室內:走廊、機房、電梯出入口、窗邊、室外等光線多變位置

實務上選型應以安裝位置的光線條件為準:向陽出入口若用固定光圈,日間容易過曝、逆光時人臉變成剪影;配合自動光圈及 WDR 寬動態 功能,才能兼顧明暗兩端的細節。

選型時的四個實際考慮

① 看最大光圈值

夜間或燈光不足的位置,優先選最大光圈較大(F 值較小)的型號,集光能力直接影響夜間畫面亮度與雜訊水平。

② 配合紅外補光

大光圈不能取代補光。極暗環境仍需依靠紅外燈或現場照明;光圈的角色是令攝影機在微光下延遲切入黑白紅外模式,保留彩色畫面時間。

③ 留意景深需要

需要遠近同時清晰的長走廊、停車場通道,日間依賴收細光圈增加景深;若現場長期昏暗、光圈長開,應實地確認對焦距離覆蓋重點區域。

④ 與快門互相配合

光圈與快門此消彼長:光圈每開大一級,快門便可快一倍而維持相同曝光,有助減少移動物體拖影。兩者需一併考慮,不宜只看單一參數。

權威資料依據

本文核對資料:IEC 62676-5IEC 62676-4

常見問題

為什麼 F 值越小,光圈反而越大?
F 值的定義是鏡頭焦距除以有效光圈直徑,屬於一個比值:光圈開口越大,分母越大,計算出來的 F 值便越小。因此 F1.4 的光圈開口比 F2.8 大,進光量亦更多。選購閉路電視攝影機時,規格表上的 F 值越小,代表鏡頭在低光環境下的集光能力越強。
光圈對夜間監控畫質有什麼影響?
光圈直接決定到達感光元件的光量。在夜間或燈光不足的環境,大光圈鏡頭可以吸收更多光線,令畫面更亮、雜訊更少,攝影機亦可以維持較快的快門速度,減少移動物體的拖影。相反,小光圈鏡頭在低光環境下往往需要提高增益補光,畫面雜訊會明顯增加。
光圈與景深有什麼關係?
光圈越小(F 值越大),景深越深,由近至遠的物體都比較容易同時清晰;光圈越大(F 值越小),景深越淺,只有對焦距離附近的物體清晰。監控場景通常希望整個範圍都清晰,因此日間光線充足時,攝影機會自動收細光圈以增加景深;夜間則開大光圈優先保證進光量。
固定光圈與自動光圈攝影機如何選擇?
固定光圈結構簡單、成本較低,適合光線變化不大的室內環境,例如走廊、機房。自動光圈可以隨環境光度即時調節開口,日間收細防止過曝、夜間開大保證亮度,適合出入口、窗邊、室外等光線變化大的位置。選型時應按安裝位置的光線條件決定,而非單看價錢。
F 值每差一級,進光量相差多少?
標準 F 值級數為 F1、F1.4、F2、F2.8、F4、F5.6、F8 等,相鄰兩級相差約 1.4 倍(即 2 的平方根),對應光圈面積及進光量相差一倍。換言之,F1.4 鏡頭的進光量約為 F2 的兩倍、F2.8 的四倍。這解釋了為何規格表上看似微小的 F 值差距,在夜間實際表現上可以有明顯分別。

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