有关MTF的深刻见解[1]

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1、再谈再谈 MTF 值与镜头成像质量值与镜头成像质量 作者：佚名 来源：综合汇编 责任编辑：YT 日期：2007 年 04 月 19 日 编者按编者按：MTF 是一个严谨的科学概念，为了让大家对之有更多的了解，我们搜集了另外一些资料，从另一个角度讲解有关知识。 关键字关键字：MTF 曲线 分辨率 反差 锐度 模量传递函数 空间频率 MTF 曲线 分辨率 反差 锐度 模量传递函数 空间频率 【按：上篇我们介绍了有关镜头 MTF 值方面的知识，引起了很多读者的兴趣。MTF（Modulation Transfer Function 模量传递函数）是一个严谨的科学概念，并非仅仅应用在光学领域，并不是特别

2、容易理解，为了让大 家对之有更多的了解，我们搜集了另外一些资料，从另一个角度讲解有关镜头的 MTF 值方面的知识。】 分辨率和反差是摄影镜头的两大重要指标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

3、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 EF 85mm F1.2 L 实拍效果（EOS 5D） 点击可看大图 （图片来源：www.lens-） 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

4、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

5、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+

6、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是全面评价摄影镜头的最佳方法 光学传递函数，简称 OTF(Optical Transfer Function)，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

7、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)

8、 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

9、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。 如何解读如何解读 MTF 值值 反差反差：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 5 lp/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。 锐度锐度：10 至 40

10、(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辨别好镜头的简易法则(收小两档光圈收小两档光圈)： 40lp/mm 曲线(红色)须位于

11、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!

12、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。 弄清弄清“调制度调制度”的概念的概念 【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

13、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(Modulation Transfer Function)， 也叫模量传递函数。 摄影镜头把自然界的

14、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

15、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 1 M 0。 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

16、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 1520，都是反光率的相对值)则调制度约为 0.880.90(14/1619/21)。 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