解读MTF曲线

1-1、背景：

      镜头是摄影师和摄影爱好者投资最高的设备之一，也是决定拍摄质量的最重要的因素。因此，镜头的质量，历来受到极大的重视。我们当然会很关心摄影镜头的测量方法。

 

     摄影的最终产品是照片，所以，根据拍摄照片的质量来评价镜头质量，这是我们最先想到的，也是最基本的测试镜头的方法。实拍照片评价镜头质量的优点是结果直截了当，根据效果判断，比较放心。不过决定照片质量的客观因素很多，而一张照片的“好”与“坏”又需要人的主观判断，很难通过测量得出客观的定量结果。大量的事实表明，影响拍摄质量最重要的因素是镜头的分辨率和反差。反差大小可以通过仪器很容易测量，而分辨率就不那么容易了！现在我们经常采用拍摄标准分辨率板的方法测量镜头的分辨率。将拍摄了标准分辨率板的底片放到显微镜下人工判读，看最高能够分辩多少线条密度。分辨率的单位是线对/毫米(lp/mm)，一黑一白两条线算是一个线对，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。由于这种方法还是要受到胶片分辨率的客观影响和人工判读的主观影响，所以并不是最准确最理想的方法。

 

    现在，让我们从另一个角度出发，将镜头看作一个信息传递系统：被拍摄景物反射出来的光线是它的输入信息，而胶片上的成像就是它的输出信息。一个优秀的镜头意味着它的输出的像忠实的再现了输入方景物的特性。喜欢音响的朋友都知道，高保真放大器的输出，应当准确地再现输入信号(图1)。当输入端输入频率变化而幅度不变的正弦信号时，输出正弦波信号幅度的变化反映了放大器的频幅特性。频幅特性越平坦，放大器性能越好(图2)！

 

 

1-2、镜头的调制传递函数曲线

    1-2-1、调制传递函数：

• 定义

1、MTF曲线图是由镜头的生产厂家在极为客观和严谨的环境下测试并对外公布的，是镜头成像品质最权威最客观的参考依据；

2、MTF曲线是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。

 

• 如何测试MTF曲线：

主要是利用拍摄正弦光栅（ 测试标板中的黑白相间的栅格）的方法进行测试MTF曲线

注：正弦光栅：亮度按正弦变化的周期图形；

       空间频率：正弦光栅的疏密程度称为空间频率，单位的lw/mm，也就是分辨率 ；

 

• 光栅调制度M (表示反差，即锐度)：

1、求成像前和成像后的光栅调制度M, M' ，   M=光栅条纹的最大亮度和最小亮度之差/ 光栅条纹最大亮度和最小亮度之和；

2、MTF=M'/M   0<=MTF<=1,  光栅调制函数表明了景物影像通过镜头传递后的裂化程度，MTF越接近于1，镜头的成像质量越高；

        

 

    1-2-2、调制传递函数曲线

• 定义：

1、镜头在不同空间频率下的MTF值连成的线；

2、一般只用10（低频部分，主要测试影像的轮廓锐度），20（中频部分，主要反映镜头还原景物层次的能力），40lp/mm（高频部分，主要反映镜头记录影像细节的能力）的空间频率测试即可，现在的厂商为了省事儿，主要选择10，30lp/mm两个频率进行对比；

 

• 如何从MTF曲线中读取镜头分辨率：

人眼最低能识别的反差是0.05，一般选定MTF=0.05时的空间频率值为目视分辨率；如下紫色曲线的镜头分辨率是70lp/mm,红色曲线镜头分辨率是100lp/mm；

      

 

 

1-3、调制传递函数曲线的读法

• 镜头厂商一般给如下的MTF曲线，表明镜头边缘到中心，不同距离点的MTF值的变化；

注：镜头边缘和中心的画质相差非常大，所以要测试镜头边缘到中心多个点的MTF值，才能代表镜头的整体成像情况；

 

 

• 如下图，每个点只对10线对（测试影像的轮廓锐度），30线对（测试镜头记录影像细节的能力）的空间频率进行测试；

 

• 如下图，存在虚实两条曲线的原因；

1、成像存在两个不同的方向；

2、平行于镜片的半径并指向中心的是弧矢方向，这个方向测试的MTF曲线称为弧矢曲线，标记为S，另一个与之垂直方向测试的曲线称为子午曲线，标记为M；

3、原因是由于镜头存在像散等像差，一些镜头可以非常好的解析一个方向的细节，但解析另一个方向细节的能力就并没有那么好了，这样就有助于轻松识别出镜片中的像散；

注：如下图中，10线对的低频红色曲线，在10mm内的中心位置两条线重合较好，说明像差不大，但当到大于15mm的像场边缘时，两条线距离迅速增大，说明边缘部分像差非常大；

 

 

 

1-4、调制传递函数曲线的评价

• 如下两图代表不同厂家，同款镜头的MTF曲线图：

注：不要将不同焦段、不同档次、不同规格、以及变焦和定焦的不同镜头的MTF曲线进行比较，因为他们的特性受设计规格、光线特性、像差以及成本，用料的影响很大，不具备可比性；

1、曲线越高越好，越高说明镜头传输光学影像后越不失真；

2、曲线越平直越好，越平直越说明边缘与中间一致性好；

3、弧矢曲线与子午曲线越接近，两者距离越小越好，代表镜头像散（最顽固像差）越小；

4、10lp/mm的低频曲线反映了镜头的反差特性，这条曲线越高代表镜头反差越大，锐度越高；

5、30lp/mm的高频曲线反映镜头的分辨率特性，这条曲线越高代表镜头分辨率越高；

 

要注意的点：

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，对于这类镜头，我们必须对像场边缘的MTF值相当宽容。

 

2、 不要将超大光圈(F1.4或F2.0)的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小一两挡或者更多，两者的“最大光圈”完全不可比！更何况有些超大光圈镜头在设计时，还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。比如，S曲线和M曲线，对于变焦镜头来说，就不如定焦镜头那么近。

 

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主要注重最优光圈(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长焦端，即使F8时的“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之外还想搞一些创作，购买这一类镜头需要三思而行。

 

总之，我们不能绝对的去看待MTF曲线，而是要根据我们的需求、成本、方便性等等诸因素综合考虑。切忌在分析镜头MTF曲线时绝对化、一刀切，从而将我们引入歧途。

 

 

• 镜头MTF值评价标准

上左图的MTF曲线，10lp/mm中心处的MTF值为0.9，30lp/mm中心处的MTF值为0.63，达到了优先镜头标准；

上右图的MTF曲线，10lp/mm中心处的MTF值为1，30lp/mm中心处的MTF值为0.97，也达到了优先镜头标准；