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圖像處理
新聞詳情

鏡頭MTF圖-透光率-變形率

發布時間:2019-09-12 10:58:58 最后更新:2020-11-23 14:49:37 瀏覽次數:7691

每一只ZEISS的鏡頭,都有附上一張圖表,顯示其MTF值,透光效率(Relative illuminance)及變形效率(Distoration in%)。我們可以由這三個圖大略地判斷出一個鏡頭的特性及其優劣。

㈠MTF(Modulation Transfer Function)

MTF圖是將一個鏡頭的解析力用數據的方式表示出來。MTF測量機器是由ZEISS發展、制造出來,并且提供給其它廠商用來測量其鏡頭。而ZEISS所生產的每一個鏡頭都必須先經過這套儀器測量,符合標準的才上市。


MTF在對鏡頭做測試時,是對鏡頭輸入一組固定頻率的光線,再利用光學儀器去計算切線及法線方向每lmm可以讀到多少對線(Line Part)。

例如lmm中有40道白光,此時會形成40組黑白線條。這組光線在經過鏡頭之后,會因為光學損而開始顯得不是那么地黑白分明。經由儀器的測量就可知道此鏡頭各個區域對這一組黑白線條的分辨能力。

在MTF圖中,垂直坐標表示對黑白線條的分辨能力。1.0表示百分之百完全分辨,0.6表示只有六成的分辨能力,此時白色線條略帶灰色,黑色線條也不是深黑色。0.0表示完全無法分辨,所呈現出來的只是一片灰色。

水平坐標表示底片中心到底片邊角的距離。由于鏡頭設計時其清晰呈像圖以須涵蓋全部的底片,而以底片對角線做為清晰呈像圖的直徑即可達到這個要求。在MTF圖中,取底片中心到對角線的路徑(亦是清晰呈像圖的半徑,在35mm規格的底片中長度大約是22mm)就足以表示出從底片中心到底片邊緣的解析力表現。


Zeiss的MTF圖中共有三組線,第一組線代表對lmm中10對線的辨識能力屬于對低解析的要求。第二組線代表對lmm中20對線的辨識能力。第三組線代表對lmm中40對線的辨識能力,屬于對高分辨率的要求。在每一組線中實線代表法線與清晰呈像圖半徑相平行的,虛線則代表相垂直的線。

MTF圖通常都會兩個光圈值的圖表;一個是全開光圈(鏡頭表現最差的光圈值),一個是中間級光圈(鏡頭表現最好的光圈值),我們以CONTOX F/1.4-50MM為例說明:在F/1.4時:底片中心對10 lp /mm的辨識能力約為82%,對20 lp /mm的辨識率約為64%,對40lp /mm的辨識率約為70%左右,對20lp/mm的辨識率約為57%,對40 lp/mm的辨識率約為30%。在底片的最角落(22mm處),對10 lp/mm的辨識率介于30%~40%之間,對20 lp/mm的辨識率約18%,對40lp/mm的辨識率介于5%~18%(約10%左右)。在收光圈(f/5.6)時:底片中心對10 lp/mm的辨識率約為95%,對20lp/mm的辨識率約為86%,對40 lp/mm的辨識率約為65%。距底片中心10mm處,對10lp/mm的辨識率約為95%,對20 lp/mm的辨識率介于87%~92%(約為90%左右),對40 lp/mm的辨識率介于70%~79%之間(約為75%左右)。底片的最角茖(約22mm處),對10 lp/mm的辨識率介于68%~84%(約為75%左右),對20 lp/mm的辨識率介于35%~59%(約為47%),對40 lp/mm的辨識率介于10%~24%(約17%左右)。


在了解MTF圖的涵意之后,我們可以由MTF圖輕易地判斷一顆鏡頭的優劣。通常曲線的位置越高,水平下降越少,表示鏡頭的表現越好。但是在判讀,MTF圖時,須要注意到兩點:

一般人在判斷MTF圖時,比較注重40 lp/mm曲線的表現,而忽略了10 lp/mm,20 lp/mm的表現40lp/mm對微末細節的表現是有很大的影響,但是10 lp/mm,20 lp/mm的表現會影響到整個畫面質感與層次感。且因為底片的特性或放相、印刷時的損失,影像的細節紋理常常難以表現例如用一般彩色負片洗成4”*6”的生活照片,事實上是無法表現出40 lp/mm曲線的特性。

對于解析力相同,但反差不同的鏡頭,在MTF圖上會有不同的曲線出現。由于MTF只對純粹的黑白線條做辨識,并沒有中間調,因此高反差的鏡頭可輕易地形成漂亮的MTF曲線。但是反差過高的鏡頭在實際拍照時有它的缺點。例如對兩個解析力相同但反差不同的鏡頭對同一個景物的暗部測光,做為曝光標準,反差適中的鏡頭可以同時保有亮部的細節,而反差高的鏡頭在亮部可能會曝光過度而喪失細節。

如果是拍攝一件單色的衣服,例如綠色,衣服會因為皺折起伏而產生不同的色調變化,如深線、淺線等,這時反差適中的鏡頭所能紀錄的色調變化會比反差過高或過低鏡頭來得豐富。在這里必須建立一個觀念:銳利感并不等于高解析力,高反差的鏡頭可以使人產生銳利底也可以在MTF圖上得到很好的測試結題。但是,對于色調變化的記錄能力,在MTF圖上是表現不出的,這是MTF的盲點。一個好的鏡頭,應該是呈像柔和,而色調與細節都能表現豐富。

(二)變形率(Distortion in % image height u)

所有的鏡頭都存在有變形的現象。其中以直線線條最為明顯。實物中的直線,在經過鏡頭的呈像之后而顯得為彎曲,就是產生了變形,如果直線是朝內向底片中心(光軸)彎,一般稱之為枕狀變形。如果底片是朝外向底片邊緣彎曲,一般稱之為桶狀變形。在ZEISS所附變形率圖表中,水平坐標仍然代表著從底片中心到邊角的距離,垂直坐標則代表著變形率。變形率為”負”(曲線往下降)表產生桶狀變形。變形率為”正”(曲線往上揚)表示產枕狀變形。基本上變形率在+-(坐標圖中垂直坐標為+、-、2.0)以內都是合乎標準。

 

(三)透光率

在透光率圖中,水平坐標代表從底片中心到邊角的距離。垂直坐標則代表著透光率高低。1.0表示在底片上所呈現的是100,透光(標準曝值),0.0表示完全不透光,0.6表示有60%的透光率。而在坐標中的虛線與實線,所代表的是不同光圈級數中所產生的透光率曲線。所有的鏡頭都會有不同程度的邊角失光現象,但是在經過放相成為照片之后,幾乎無法察覺這種失光現象,因為放大機的鏡頭也會有失光,所以在放相的過程中會形成一種互補的效應而消除了失光的現象。

 

鏡頭的調制傳遞參數(MTF)

MTF:同時表征系統重現物方空間的幾何和灰度細節能力,是衡量成像系統性能的最佳方式。對于一個實際的成像系統,細節密集地方的對比度要小于細節稀疏位置的對比度.


MTF圖

如何去看MTF圖,如上圖所示,橫軸表示鏡頭的分辨率,縱軸表示對比度即MTF值,一般在設計鏡頭時,MTF值要在0.3(即對比度在30%以上)。On axis表示在光軸上即鏡頭中心的MTF曲線,2mm off axis表示像高在2mm時候的MTF曲線,同理4mm off axis表示像高在4mm時候的MTF曲線。

鏡頭分辨率要做到多少線對才能符合ccd的要求,假如ccd的像元大小為:3um*3um ,則分辨率的極限為:1000/3/2 =170line/mm,此極限稱為奈奎斯特極限,一般在設計鏡頭的時候,鏡頭的分辨率應為奈奎斯特極限分辨率的1/3 ~1/2,即鏡頭的分辨率在85lp/mm的時候最好,且在設計的時候MTF值在0.3以上。

奈奎斯特定理即采樣定理,當采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時,即:fs.max>=2fmax,則采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息;

以施奈德的鏡頭為例,如何去看MTF圖,以及各個參數的含義:


施奈德鏡頭MTF圖

鏡頭APO-XENOPLAN1.4/23的MTF參數表如上圖所示,我們通過解讀MTF圖來了解這款鏡頭的特性。

WaveLength為表示光波波長;Spectral Weighting:表示光譜響應的權重,就是不同波長光占的百分比,由CCD決定,CCD上有光譜響應的曲線,可以看出,需要選定CCD后才進行相應的鏡頭設計,波長的權重不同影響很大,否則可能導致前期的設計白做。

Spatial frequency R[1/mm]:指空間頻率,就是分辨率,線對數。

Format[mm x mm]:表示鏡頭對應的CCD的尺寸最大為6.6mm x 8.8mm

Diagonal 2u’[mm]:表示鏡頭對應的CCD對角線的尺寸最大為11mm

圖中縱坐標表示MTF值,橫坐標為最大視場的百分比,最大視場5.5mm,這個圖意思就是最大視場不同百分比(即不同視場)時三種線對數對應的MTF值。

f'=22.9就是焦距22.9mm,OO' =1185表示物像距離為1185mm。

 

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