第三章调制传递函数与MTF

第三章调制传递函数与MTF曲线的评价摄影镜头所摄影像的视觉清晰度是由分辨率和明锐度两个因素共同决定。•分辨率(Resolution)又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像力和分辨本领，是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。显然分辨率越高的镜头，所拍摄的影像越清晰细腻。它的单位是“线对/毫米”。它的优点是可以量化，用数据表示，使结果更直观、更科学、更严密。•就是在物体反差无限大的时候（就是所有物象在纯白和纯黑下）镜头记录物体细节的能力，当镜头在一毫米的范围内，可以分辩出60根平行线组成的图案，这时我们说这支镜头的光学分辨率为60lp/mm。理论上说分辨率越高的镜头，它成像也越清晰。•明锐度(Acutance)又称鲜锐度、锐度，是摄影镜头鲜明地再现摄景物中间层次、蜕部层次、低反差影纹细节、微弱亮度对比和微妙色彩变化的能力。明锐度高的镜头，所成影像轮廓鲜明、边缘锐利、反差正常、层次丰富、纹理细腻、影调明朗、质感强烈、色彩过渡柔合、彩色还原真实、自然。显然以上这些特性是优质摄影镜头不可缺少的素质。然而摄影镜头的明锐度，很难简单地用数据表示，也很难用普通的仪器测试出来。人们通常是只凭主观感觉，定性地进行评述。••在微观上的反差表现。因为不是在标准的测试板的高反差下，镜头的反差更多的决定了成像的清晰度。人们开始发现相同的分辨率下反差高的镜头往往得到了更高的肉眼清晰度，这种镜头人们就把它称作“锐利”nikon在专业领域里就是以“锐”著称的。许多高手称nikon镜头拍出的片子有“刀刻斧凿”的感觉就是这个意思。佳能EF85mmF1.2L实拍效果（EOS5D）•光学传递函数，简称OTF(OpticalTransferFunction)，是近30年以来光学领域里一个十分引人注目的前沿课题，也是近十几年以人们更加关注的一门新兴学科——“信息光学”的重要组成部分。1948年，美国人谢德(O.Schade)第一次用光学传递函数的方法，以全新的观点来评价电视摄影系统的成像质量，并获得了巨大的成功。•调制传递函数（MTF）是实际像与理想像之间调制度之比相对空间频率的函数。•景物的调制度是指该景物或该影像中最大亮度和最小亮度之差，与最大亮度、最小亮度之和的比值。调制度=最大亮点-最小亮度/最大亮度+最小亮度•一张白纸的调制度为0，•即:M景=[(100-100)/(100+100)=0/200=0]。•一张白纸上印有黑白线条，假如对比度为1:100，•则M景=0.98；•一本杂志的印刷对比度约为1:15至1:20(最黑的线条、文字的亮度为1，则白纸的亮度约为15—20，都是反光率的相对值)则调制度约为0.88—0.90(14/16—19/21)。•再比如一个背对太阳的穿黑丝绒衣服的人，如果我们逆光把他和太阳同时拍进画面，则景物的对比度最大可达到1:100000以上，而其调制度约为1(99999：100001)。•正常人眼能够分辨的调制度最低值一般0.05，此时的对比度约为1：1.1左右。•“MTF测试使用的是黑白逐渐过渡的线条标板,通过镜头进行投影。被测量的结果是反差的还原情况。如果所得影像的反差和测试标板完全一样,其MTF值为100%。这是理想中的最佳镜头，实际上是不存在的；如果反差为一半,则MTF值为50%。数值0值代表反差完全丧失,黑白线条被还原为单一的灰色；当数值超过80%(20lp/mm下)则已极佳；而数值低于30%则即使在4X6英寸扩印片下影像质量仍较差”。•1、什么是空间频率•在讲清MTF曲线随空间频率的变化关系以前，我们先来弄明白什么叫“空间频率”。空间频率(SpatialFrequency)的概念与分辨率的概念非常相似，单位都是“线对/毫米”(lp/mm)。但测试分辨率的标板是一组一组轮廓鲜明的黑白线条，每两条线条之间的距离，以及线条本身的宽度之比是个定值，目前我国分辨率的标板规定，这个定为公因子是20√10≈1.122等比级数；而空间频率用一种叫“光栅”的标板测试，它的线条是从黑到白逐渐过渡的，而且线条的间距和宽度也是由稀至密，从宽到窄逐渐过渡的40lp/mm曲线(红色)边缘20%(图形右侧)中心65%(图形左侧)。·20lp/mm曲线(紫色)边缘45%中心80%·10lp/mm曲线(绿色)十分接近5lp/mm曲线。·5lp/mm曲线(蓝色)整个X轴上95%•注意:镜头在极端光圈（即最大光圈和小于f/16）时相对表现较差!它们的值不代表镜头所能达到的最佳光学质量!最佳光圈通常为最大光圈收小2-3档。CanonEF1.285mmL于f/5.6：表现出色——反差和锐度俱佳!SigmaAF2.8-4.028-70mm于70mmf/8：锐度好但反差不佳(5lp/mm差于90%)SigmaAF2.8-4.028-70mm于28mmf/2.8(全开光圈)：表现差——无论是反差还是锐度一只摄影镜头的空间频率表现，最由它的分辨率决定的；而它的调制传递函数值(即MTF值)高低，则是由它的反差决定的。所以这种MTF曲线，非常集中地反映了摄影镜头最重要的两在基本参数。如果到目前为止仍对“空间频率”、“调制度”和“MTF值”概念不清楚的话，不妨就把这三个概念等效地理解为“分辨率”、“对比度”和“反差”，丝毫不影响对MTF曲线意义的理解。•几种典型的MTF值曲线形状下面我们仍然以横轴为空间频率的MTF曲线为例，来谈一下曲线形状与镜头素质的关系。分析MTF曲线的基本要领•1.MTF曲线越高越好。越高，说明镜头光学质量越好。2.MTF曲线以下包含的面积越大越好。综合反差和分辨率来看，MTF曲线以下包含的面积越大越好。3.MTF曲线越平直越好。越平直，说明边缘与中间一致性好。若曲线右端严重下降，说明该镜头边角尤其是四角反差与分辨率较低。4.S曲线与M曲线越接近越好。两者距离较小，该镜头像散较小。5.低频曲线越高，镜头反差越大。低频(10线对/mm)MTF曲线，代表镜头的反差特性。这条曲线越高，镜头反差越大。•6.高频曲线越高，镜头分辨率越高。高频(30线对/mm)MTF曲线，代表镜头的分辨率特性。这条曲线越高，镜头分辨率越高。7.最佳光圈MTF性能曲线。一般，以F8的MTF性能曲线反映镜头理想条件下的最佳性能。这是任何严格的摄影师都非常看重的性能。但是，一般厂商并不提供这条MTF性能曲线，只提供最大光圈的MTF性能曲线。8.最大光圈性能曲线。最大光圈的MTF性能曲线，反映镜头边角至少应当达到的性能。在金钱与超大口径之间折衷时，必须将这个性能当作重要的考虑因素。分析MTF曲线应当注意的问题1.不要将不同焦距的镜头做横向对比。长焦镜头，像场的边缘只相当于广角镜头中心附近位置。因此，对比长焦镜头与广角镜头边缘的MTF值，会得出广角镜头都是很差镜头的错误结论。广角镜头，尤其是超广角镜头边缘MTF值下降很多是正常的现象。对于广角镜头，尤其是超广角镜头，必须对它像场边缘的MTF值相当宽容。2.不要将超大光圈(如F1.4或F2.0)镜头与普通镜头做横向对比。普通镜头的“最大”光圈，要比超大光圈镜头的光圈小一两挡或者更多，两者的“最大光圈”完全不可比。超大光圈镜头，在设计时要为了照顾最大光圈时的效果，而对其它性能做一点折衷。因此，必须对超大光圈镜头最大光圈的MTF有所宽容。3.不要将变焦镜头与定焦镜头横向对比。与定焦镜头相比，变焦镜头结构复杂得多，设计时所要兼顾的因素也要多得多，因此有的特性不如定焦镜头是正常现象。换句话说，变焦镜头的色散比定焦镜头的色散大一些是正常的。4.质优价高的高档镜头与普通廉价的经济型镜头也是不能直接对比的。选购经济型镜头，一般要注重最优光圈(F8)的MTF特性，对最大光圈的效果心知肚明即可。特别要注意的是：经济型中长焦变焦镜头在长焦端，即使F8“最佳光圈”，与优质镜头相比也有较大差异，选购时必须充分注意。如果除了一般家庭摄影，还想搞一些创作，购买这一类镜头需要三思而行。