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设计师是根据几何光学设计镜头的。几何光学认为光线在同一个媒质（例如空气）中永远按直线前进。但是物理光学的理论与试验却表明，一束平行光线通过一个小孔后会改变行进的方向，这种现象称为衍射。衍射使平行光线通过圆形小孔后光束逐渐扩散呈圆环状（如图1），中心斑最明亮，其余光环的亮度随着半径的增大而迅速减弱。计算与试验还表明，孔径越小，光行进的行程越长，衍射现象越明显。经过镜头孔径的光线也会由于衍射使焦点处的光斑呈环状，其中心光斑［又称“艾里（Airy）斑”］的半径可由以下公式算出：
R0≈1.22×F×λ
R0：中心光斑的半径；
F：镜头的光圈数；
λ：光波的波长。
 
从公式中可见：艾里斑的半径与镜头焦距无关，仅由镜头的光圈数与光波的波长（光的颜色）确定。人们又根据大量的实验与理论分析得出：两个等亮度的光斑恰能分辨的极限条件是两个点间的距离是艾里斑的半径（图2）。因此一个理想的（没有像差的）镜头所可能达到的理论极限分辨率（线对/mm）恰恰是RO的倒数： N=1/R0=1/(1.22×F×λ)（线对/mm）。在红、绿、蓝三种原色光中，绿光的波长居中，因此绿光的分辨率接近三种光线的平均值。以550nm作为典型的绿光波长，在（表1）中算出了不同光圈下理想镜头对绿光可能达到的理论分辨率。
（表1）理想镜头对绿光的极限分辨率（线对/mm）
相机所摄影像的分辨率是由理论极限分辨率（艾里半径）、镜头的光学像差与感光材料的分辨率共同确定的，三者中哪个最低，它就是影响综合分辨率的主要矛盾。
在传统120与135相机中，由于感光乳剂中的银盐颗粒十分细微，在一般摄影中对分辨率的影响并不显著。大中孔径下镜头的像差是影响分辨率的主要因素。直到使用f/32或f/44光圈时，才会由于理想分辨率的下降导致成像恶化，因此多数镜头最小光圈仅设置到f/22。
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