MTF值与镜头成像质量

MTF值与镜头成像质量分辨率和反差是摄影镜头的两大重要指标分辨率(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。反差(Acutance)又称鲜锐度、明锐度，是摄影镜头鲜明地再现摄景物中间层次、暗部层次、低反差影纹细节、微弱亮度对比和微妙色彩变化的能力。反差高的镜头，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，然而摄影镜头的反差，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。佳能EF85mmF1.2L实拍效果（EOS5D）（图片来源：）分辨率和反差的综合表现，被称为清晰度(Clarity)。很明显，分辨率和反差是全面评价一只摄影镜头成像质量的两大重要因素。分辨率高而明锐低的镜头，所成影像轮廓不鲜明，边缘不锐利，反差灰暗、影调平淡，给人的视觉感受反而不清晰。一些中档日本镜头、很多俄罗斯镜头和多数国产镜头就是如此。而某些德国镜头，虽然分辨率并不高，但其反差相当高，仍不失为一只优秀的镜头。当然，如果反差和分辨率都很高，才真正是一只理想的摄影镜头。然而这种镜头非常难得，只有经过严格检验并反复挑选的德国名牌定焦摄影镜头和极少数日本名牌摄影镜头，才能兼有这两种素质。在这里要提到一点是，很多非光学专业的影友用拍摄实物(无论是文字、建筑、风景还是人像)的方法去评价、比较不同镜头的成像质量，他们所得到的结果，往往正是分辨率和反差的综合视觉感受，甚至于更多的偏重于反差。因为人眼对每毫米以内几十甚至上百条黑白线对的分辨率区别是很难判断的。而恰恰是分辨率稍低而反差高的镜头给人眼的视觉感受比分辨率稍高而反差低的镜头更清晰，因为人眼视觉的这个特性，以此评价镜头成像质量是无可非议的，但以此否定分辨率的测试结果，则是不科学的，对于这一点德国蔡司公司亥依那克纳(Erich。Heynacner)先生早已有过专论。那么，有没有寻摄影镜头的分辨率和反差进行综合评价的方法呢？有没有对摄影镜头的光学成像质量进行全面分析评价的更科学、更精确的方法呢？答案是非常肯定的，这就是关于摄影镜头的成像质量的光学传递函数（MTF）的表示方法。【按：对于数码摄影而言，本节概念完全适用于整个相机——“镜头+机身”，可以说：分辨率和反差是衡量数码相机成像质量的两大重要指标】。光学传递函数是全面评价摄影镜头的最佳方法光学传递函数，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。在此后的五十年代和六十年代里，许多光学专家又继续做了大量的理论研究工作和实践工作，使光学传递函数的理论更加完善。现在，光学传递函数的方法已被全世界普通地用于光学自动控制的设计过程、光学设计结果的评论和光学镜头质量的检测等方面。在评价摄影镜头成像质量的优劣方面，光学传递函数的评价方法是最全面、最客观、最科学、最严格、最完善的方法。同时也只有通过光学传递函数，才以把摄影镜头的分辨率和反差两大光学指标有机地联系起来，并最终反映出二者对所成影像的综合作用与影响。在国外，专业和业余的摄影工作者都十分重视摄影镜头的光学传递函数指标。现在很多著名的专业镜头都在出厂时标出它们各自产品的光学传递函数曲线。从去年开始日本的佳能公司已能EOS相机镜头的模量传递函数(MTF)曲线公布在对中国大陆的产品广告和说明书上。MTF测试是目前最精确和科学的镜头测试方法。瑞典权威的《摄影》杂志对它的解释是：“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”。测试分径向和切向两种方向，如果两者相差较大，说明镜头遭受较严重的像散。较高的空间频率值(即lp/mm值，可理解为分辨率)如30lp/mm与20lp/mm相比,其MTF值通常较低。如何解读MTF值反差：5(或10)lp/mm的读数反映镜头的反差表现。即使微小的差别(2.5%!)也能在画面中体现出来!你可以把它看作一种最基本的“锐度”。一枚好的镜头在光圈收小后应该在5lp/mm下径向和切向同时高于95%。低于90%即表明镜头表现不佳。一枚反差好而锐度差的镜头通常比反差差而锐度高的镜头看上去更锐利!不过,锐度和反差两项指标通常相辅相成。锐度：10至40(或更高)lp/mm表明一枚镜头的锐度——即再现细节的能力。40lp/mm表明镜头再现物体非常细微细节（如人像摄影中的头发丝）的能力。此时即使MTF值的差距较大(如10%)也无法直接在画面中辨认出来。按照人眼的辨别力和35mm胶卷的片幅,如果要得到质量非常理想的7英寸的照片,镜头20lp/mm下的MTF值必须大于50%。而要想在16英寸下仍有非常理想的画面质量,其70lp/mm下的MTF值竟须超过63%!几乎没有镜头可以达到这样好的表现!辨别好镜头的简易法则(收小两档光圈)：·40lp/mm曲线(红色)须位于边缘20%(图形右侧)中心65%(图形左侧)。·20lp/mm曲线(紫色)须位于:边缘45%中心80%·10lp/mm曲线(绿色)须十分接近5lp/mm曲线。·5lp/mm曲线(蓝色)须于整个X轴上95%以上的MTF曲线评价方法参考自德国的《彩色摄影》杂志。其它杂志或机构的评价标准可能会不同。根据MTF曲线对镜头作评价时还须考虑到镜头的不同种类,如对超广角镜头的边缘成像质量不能苛求。大多数情况下切向曲线比上述标准要低一些，而径向曲线的值相对则较高。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。具体镜头的锐度和反差以下图表横轴代表视场半径(距中心距离),纵轴代表MTF百分数值,实线虚线分别代表径向,切向值。CanonEF1.285mmL于f/5.6：表现出色——反差和锐度俱佳!CanonEF2.820mmUSM于f/8：反差相对较好但再现细节的能力有限(切向于40lp/mm)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弄清“调制度”的概念【按：以下部分本来是开始就要弄明白的基本概念，但我们担心这些枯燥的理论会令一些朋友望而却步，所以放在后面，供希望深入探究的朋友参考】对于光学传递函数做出通俗的解释，使一般稍有基础的摄影者，能够读懂各大公司对其产品标注的模量传递函数曲线，是很必要的，也是目前国内很大一部分读者的呼声。然而，这必然遇到一个科学性的问题，过于专业的论述，一般读者不易理解；而过于通俗的解释又必然失去严密性，引起光学专业工作者的非议。本文的目的是在不影响科学性的前提下，尽量使用最通俗的语言，避开专业性很强的术语，多联系实际，讲清光学传递函数的最基本的概念，使读者能够初步看懂模量传递函数曲线。摄影镜头的光学传递函数，由调制传递函数和位相传递函数两部分组成。由于目前测试位相传递函数的仪器种类较少，测量精度也不高，且位相传递过程对影像的影响较小，所以，目前在国内外研究摄影镜头的成像质量时，都不考虑位相传递函数的影响，只研究调制传递函数。调制传递函数的英文缩写为MTF(ModulationTransferFunction)，也叫模量传递函数。摄影镜头把自然界的光信息传递到胶片上(或磁带、磁盘上)。光波包括波光(光的颜色)、频率(光波振动的快慢)、位相(光波的空间位置与时间的关系)和振幅(振动幅度的强弱)。所谓“模量”即光波振幅大小的量值。模量传递函数描述的正是光信息在通过光学媒质(如空气)和光学器件(如镜头)的传递过程中，它的强弱随空间位置变化规律而改变。要弄清调制传递函数的确切物理意义，请读者务必花一点功夫弄明白一个非常重要的基本物理概念--“调制度”。调制度(Modulation)有些参考书上把它叫“对比度”、“反衬度”和“反差”。但前者与后三者还是有区别的。对比度和反差是指景物或影像中的最大亮度和最小亮度的比值或差值。比如景物中的最大亮度为100，最小亮度为1，则可以说它的对比度为1：100。而调制度有着更为严格的定义。调制度的定义为：最大亮度与最小亮度的差与它们的和的比值：调制度=最大亮度-最小亮度/最大亮度+最小亮度例如对比度为1：100，则调制度为：M=(100-1)/(100+1)=99/101=0.98景物有景物的调制度(M景)，影像有影像的调制度(M影)。无论是景物还是影像。它们的调制度最大为1，而最小为0，即1M0。让我们看几个实例：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)。在自然界中，阴天时景物对比度最大约为1:100左右，调制度为0.98，而睛天时的景物对比度可达1:1000以上，调制度为0.998，它们的对比度相差很远(近10倍)，而调制度却很接近，都接近于1。只有当时比度约为1:3时，其调制度才接近0.5[(3-1)/(3+1)=2/4=0.5]。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。模量传递函数的物理意义摄影镜头的模量传递函数，或曰调制传递函数，就是镜头传递调制度的能力，或者说是镜头“记录、还原调制度的能力”。镜头传递、记录景物对比度，指的是镜头所成影像的调制度与原景物的调制度的比较。由于光线在传播过程中的损失，影像中的强光部分的相对亮度值要比景物的强光部分亮度值有所降低；而由于杂光、散射和衍射，影像中的弱光部分的相对亮度值又比景物中的弱光部分的亮度值偏高。这就是使影像的对比度和调制度比景物的对比度和调制度偏低。一个对比度为1:100的景物(M景=0.98)通过镜头成像后，影像的对比度可能降低到1:50(M景=0.96)，甚至更低。这主要是由镜头的反差所决定。我们把影像的调制度与景物的调制度的比值称为模量传递函数值，即MTF值。显然：MTF值=M影/M景由于M影M景，所以1MTF值0。好的镜头的MTF值非常接近于1，即影像的调制度与景物的调制度非常接近。例如我们上面所举的例子：MTF值=0.96/0.98=0.98，已非常接近于1，是一只很好的镜头。一个理想的光学系统，是指既无任何像差，又没有杂光、散射、反射、吸引和衍射的光学系统，它的MTF值等于1，即它所成影像调制度等于景物的调制度。这种影像被称为“理想像”。在这里还是要强调一点，影像的调制度是指通过镜头所成的直接影像的调制度，并不是指胶片通过显影、定影后所记录的影像的调制度，即底片影像的调制度。底片影像的调制度还