镜头的MTF曲线

一成像的清晰度、分辨率和锐度要理解MTF曲线，需要先搞明白这几个词：成像的清晰度，锐度，比照度，和分辨率。摄影里，锐度是指acutance不是sharpness尽管两个词翻译成英文都可以叫做锐度。Acute是锋利的意思，比方形容刀口锋利。acutance是acute的一个名词。在摄影上，acutance特指黑白色调的边界的锋利或锐利程度，即黑白边界处的比照度。高acutance照片的黑白边界非常清晰，见下列图：因此，锐度acutance描述边界处影像信息过渡的快慢；高锐度导致信息的迅速过渡从而使得边界清晰可见。相机和镜头的分辨率resolution描述的是对空间细节分辨的能力。如果能把相邻非常近的线条分开，我们就说这个相机或镜头的分辨率高。比照度contrast是和acutance相联系的。显然，高比照度对应高acutance,低比照度对应低acutanca比照度和acutance可以互换，我们这里不区别其含义，尽管比照度有更广泛的含义，比方照片的整体比照度。sharpness是resolution和acutance的结合。如果幅图像即有高的分辨率resolution和高的边缘锐度acutancd,那么我们说这巾I图像具有高的sharpness分辨率和边缘比照度任何一个不够高，这幅图画的sharpness不够。所以，摄影里的sharpness指照片的整体清晰度。考虑到这些，摄影里的sharpness可能翻译成“清晰度更适宜，而“锐度的含义留给acutanca下边我们就这样用：清晰度=sharpness锐度=acutance,分辨率=resolution,比照度=contrast读国外的镜头测评文章，sharp和sharpness是常见到的词汇，比方说某个镜头verysharp。这个词的含义是确定的，指该镜头的解像力非常高，成像清晰：分辨率高，而且比照度复制准确；这和我们常说的某个镜头成像很锐是不一样的。我们说尼康镜头成像锐度高，是指色调边界的比照度高，清晰；比方树叶的边缘非常清晰。记住，清晰度=比照度+分辨率；或者，清晰度=锐度+分辨率。高的分辨率只能通过恰当使用好的仪器相机和镜头实现，后期无法获得。锐度那么可以通过后期来增强。还有，不同的镜头厂家生产镜头的侧重点也不一样，比方蔡司和佳能重视分辨率，莱卡和尼康那么重视锐度。二镜头的MTF曲线镜头的MTF曲线MTFchart是对镜头的解像力的一个定量描述，确切地说是对镜头成像的清晰程度包含分辨率和锐度两个因素的一个定量描述。MTF的数学含义是调制传递函数ModulationTransferFunction,这是镜头设计工程师必须考虑的一个镜头特性函数。所谓镜头的解像力，就是镜头如实地再现被摄物体质感texture的能力，是镜头成像质量的一个重要指标。用来测试镜头解像能力的被拍对象通常是如下图的清晰黑白条纹：这个黑白条纹包含了描述影像清晰度的两个根本要素：锐度，即黑白比照度，这里黑条纹和白条纹有清晰的边界；分辨率，即单位长度包含的黑白条纹数目，用“空间频率简称频 率来定量描述。在上边的黑白条纹图案里，空间频率是变化的，从左往右，黑白条纹宽度 逐渐变窄，间隔逐渐变小；空间频率逐渐升高。左边是低频，右边是高频。如果经过镜头成像之后， 个镜头就有完美的解像力。的：影像是跟原物一模一样的黑白明晰条纹包括分辨率和锐度然而，这样完美的镜头是不存在的,般的镜头成像效果是这样和原物相比，成像有两个损失：1锐度降低了，黑白边界变得模糊，这在一定程度上是 由光波衍射造成的；2太密集的黑白条纹变得不可分辨，这是由于密集条纹锐度降低导 致的结果，所以也跟衍射有关。锐度或比照度的丧失最终导致镜头的有限分辨率。黑白条纹的频率一般用单位长度之内的成对的黑白条纹数目LP,line pairs来描述，LP/mm。注意，这是把条纹团映射到胶片和数码传感器上的频率，尺寸比原物小很多，所以单位长度是1毫米。因为数码相机的影像传感器大小不一样，同样尺寸的黑白条纹图案映射到不同大小的传感器上获得的频率是不一样的。完美的镜头，也受光波衍射现象的限制。太阳下的影子的边缘不是完全清晰，总是有一定的模糊。这是因为光是一种电磁波，电磁波有衍射现象，经过物体的边缘会偏离直线传播的方向。镜头的口径有一定大小，光线经过镜头光圈的边缘也会发生衍射，使得黑白的边界变得这就是MTF的定义。完美镜头模糊。黑白条纹的频率越高，衍射的影响越大，最终导致条纹成像的不可分辨。MTF值代表的是在一定的条纹空间频率下比照度的复制率，即成像只受光波衍射限制的镜头的MTF曲线如下列图:在低频端，镜头的MTF值接近于1保持完美的比照度。频率越低，解像越容易，边界的模糊带来的影响越小。随着频率增加，MTF值逐渐降低，因为衍射现象的影响开场变得重要。在高频端，衍射的影响强烈到影像无法解析的程度，所以MFT值趋近于0黑白条纹无法分辨，分辨率变成0。这是物理上完美的镜头的MTF曲线。质量非常高的镜头的MTF曲线和理论的完美镜头的曲线非常接近图中紫线：低质量镜头的MTF曲线那么和理论的完美MTF曲线相差较远图中绿线：卜列图给出了MTF=100%,50%,10%,5%,和2%对应的黑白条纹成像的视觉印象。这里黑白条纹原物的黑白亮度不是上边“阶梯函数形式的即黑白边界是突变的，而是频率逐渐变化的“正弦函数形式，因此黑白边界是逐渐过渡的。MTF=50%对应的影像黑白比照度被中等程度地弱化了；MTF=10%对应的影像比照度那么被严重地弱化了。MTF=2%对应的图案这里还可以略微分辨是因为采用了无噪点的中性灰背景并且电脑屏幕的比照度比拟高；在其它不利的视觉条件下很可能就无法分辨了。MTF=5%或2%对应的分辨率是很主观的一个概念，不同的人或同一个人在不同时间看同一个成像会得出不同的结论，所以某个MTF阈值对应的最高分辨率不适合用来描述镜头的解像力。MTF=50%=0.5MTF-50所对应的空间分辨率和影像的视觉清晰度有很好的关系，因为这个MTF值对应的比照度降低了一半。所以，有时候人们用MTF-50对应的黑白条纹空间频率来表述镜头的解像力。MTF-50对应50LP/mm每毫米长度包含50对黑白条纹频率的高端镜头，其成像要比MTF-50对应20LP/mm的低端镜头的成像清晰得多假设使用同样的相机，同样的光圈，同样的焦距。图A样子的MTF曲线横轴是频率，纵轴是MTF值并不是我们通常见到的MTF曲线。图B样子的MTF曲线有时会见到。实际上，.photozone.de上的镜头测评中MTF图都是这种图，横轴是镜头光圈，纵轴是MTF-50对应的频率；只不过那里空间频率的单位是lw/phlinewidthperpictureheight。因为数码相机影像传感器的尺寸可以和35mm胶片尺寸不同，lw/ph更适合表达数码影像传感器上的频率。lp/mm转换lw/ph的方法是先乘以2,再乘以传感器高度的毫米数。比方对于24x36mm的全画幅传感器，30lp/mm=30x224lw/ph=1440lw/ph。换句话说，对于全画幅相机，1lp/mm=48lw/ph。然而，更常见到的MTF曲线是这样的：横轴代表距离影像传感器数码相机中心的径向距离沿着传感器的对角线方向，纵轴是MTF值。图中一般给出两组MTF曲线：一组对应低频=10LP/mm,一组对应高一些的频率=30LP/mm。每组曲线又分两条，一条代表镜头对径向线条线条方向沿着由传感器中心向外的径向的解像力实线；另外一条代表镜头对切向线条线条方向和传感器中心的同心圆相切的解像力虚线。英文里边径向的用sagittalsagitta是矢，箭的意思表示，切向的、圆方向的用meridionalmeridian是子午圈表示。所以，这四条MTF曲线表示为：S10对径向的、频率为10LP/mm的线条的解析度，M10对切向的、频率为10LP/mm线条的解析度，S30对径向的、频率为30LP/mm的线条的解析度，和M30对切向的、频率为30LP/mm的线条的解析度。比方下列图是尼康厂方公布的NikkorAF-S35mmf/1.4G镜头在光圈f/1.4的MTF曲线：和NikkorAF-S200mmf/2GVRII镜头在光圈f/2.0的MTF曲线:全画幅35mm数码相机的影像传感器的对角线长是43.2mm,一半是21.6mm。所以，MTF曲线的横轴坐标一般从。到21.5mm。21.5mmMTF曲线最右端对应传感器白四个角。18mm对应传感器的短边位置，12mm对应长边白位置。1.5X的APS-C传感器那么对应0-14.4mm局部。全画巾FFX35mm影像传感器尺寸24x36mmFX传感器和径向S线条示意图FX传感器和切向M线条示意图径向线条S和横向线条M对应的的MTF曲线三镜头MTF曲线的解读根据图A,低频比高频对应的MTF值要高，即比照度损失相较高频要少；理想情况下低频的MTF值趋近于1。所以，10LP/mm曲线对应的MTF值代表了比照度的复制率。这个值越接近于1100%，镜头的比照度即锐度，边缘锐度，acutance复制率越高。较高频率的30LP/mm的曲线对应的MTF值反响了镜头的分辨率resolution。这个值越大，说明镜头的分辨率越高。所以，镜头厂方公布的MTF图一般包含10LP/mm和30LP/mm的两组MTF曲线；一个反映的是锐度，一个反响的是分辨率。为什么MTF曲线要画出径向和切向两组数据呢？因为镜头在这两个方向的解像力不同。在影像的中心，径向和切向的MTF值是没有分别的。离开中心，它们不再一样，在影像的边角处径向和切向的MTF值会有很大的分别。所以，这两个方向的MTF要分开来表示。在MTF图上，当同一频率的径向和切向MTF曲线开场分开的时候，成像的模糊程度在两个方向不再一样。这种现象叫做散光”astigmatism，如下列图所示：S-MTFM-MTF,成像切向模糊严重左边原像，右边成像S-MTFVM-MTF,成像径向模糊严重左边原像，右边成像S-MTF=M-MTF,径向切向模糊一样左边原像，右边成像“4”儿,SMTFMMTF方向更模糊。如果径向SMTF低于切向MMTF,成像在离开相片中心的半径方向更模糊。所以，镜头的MTF曲线实线S和虚线M越接近越好，因为它代表成像在两个方向模糊程度均衡。这和镜头的焦外成像特性虚化，bokeh这个词来自日语也有关。径向和切向的MTF曲线越接近，焦外虚化的效果越好一一光斑越接近圆形。所以，根据镜头的MTF曲线鉴定镜头解像力的根本原那么是：1MTF曲线越高、越接近于1越好；2实线和虚线越接近越好；3曲线越平越好。MTF曲线越平，代表镜头的径向解像力越均匀，边角的解像力好。当然，这些标准也不是绝对的，也要看镜头的用途。比方人像镜头，解像力太高反而不是好事，因为太高的解像力使得人脸上的瑕疵毕现。这也是为什么微距镜头有极高的解像力不适合拍摄人像的一个重要原因。人像头，一般也不要边缘解像力太好，因为太好的边缘解像力容易分散人的注意力，也容易给人一种平面缺乏立体感的印象。对同一个镜头，MTF曲线依赖于光圈值和焦距如果是变焦。所以，比照不同的镜头的MTF曲线，要在一样的光圈和焦距下比照。如果焦距确定，在最大和最小光圈的MTF值一般要比中间光圈的MTF值低图B。全开光圈，镜头边缘参与成像，色散会比拟严重，导致MTF降低。太小的光圈，光线衍射现象严重，也会导致MTF降低。所以，一般镜头的最大光圈和最小光圈都很少用到。在购置大光圈镜头的时候，一定要注意检查最大光圈的MTF曲线，看最大光圈是否可用。