使用MTF评估镜头质量

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发表时间：2024-05-13

MTF可以衡量镜头在特定分辨率下保持对比度的能力，并用图形表示，以便于用户解读。不妨学习如何看懂MTF图，比较镜头的分辨能力，优化您的选型。

1使用MTF图挑选性能卓越的镜头

挑选合适的镜头颇具难度，因为通常不容易通过相机或计算机规格等特定参数来确定镜头的性能。因此，镜头制造商打造了一种标准方法，可在受控环境下衡量镜头性能，并将测试结果用作其产品的MTF信息。

MTF（调制传递函数）图不仅对工业用户有所助益，对商业用户也同样也有借鉴作用。下图是商业用户（包摄影业余爱好者或职业摄影师用户）通常使用的MTF图示例。这类用户使用MTF图通常是为了快速评估镜头的对比度和清晰度，而不是进行精确测量。

对于工业镜头用户，我们强烈建议更积极地利用MTF（调制传递函数）图，以便更好地评估镜头的分辨率、对比度性能和成像质量的一致性。在本文中，我们将详细介绍MTF图，并与您分享如何更好地利用MTF图进行镜头比较。

调制传递函数(MTF)与成像质量的关系图解

2什么是MTF（调制传递函数）？

MTF（调制传递函数）是衡量光学系统将对比度从物体传递到图像的能力。它描述了镜头在特定分辨率下的对比度水平，例如X轴数值(lp/mm)和Y轴数值(%)的对应关系。

每毫米的线对数(lp/mm)是一种测量单位，它指的是在每一毫米的图像中，可分辨出多少对交替的深色和白色线条（即线对）。

例如：

■ 如果数值是1 lp/mm，则表示在1 mm的距离内有1对线条，每条线之间的距离为0.5 mm。

■ 同样，10 lp/mm表示在1 mm内有10对或20条线，每条线之间的距离为0.05 mm。

■ 按照同样的逻辑，100 lp/mm的线间距为5 µm (0.005mm)。

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就分辨率而言，lp/mm的数值越高，表明光学系统能够捕捉到的细节就越精细。因此，可分辨的线对数成为了判断光学系统的一个重要性能标准。

实际上，线间距越小，镜头和相机等光学系统呈现线对的难度就越高（如下图所示）。镜头需要捕捉这些线条图案，并将其投射到芯片上。随着线条间距的减小，准确再现线条图案就会变得越来越困难。因此，随着线间距变窄，通过镜头呈现的黑白线条的对比度也会降低。MTF（调制传递函数）图能以可视化的形式反映这一现象，帮助我们了解镜头在对比度方面再现细节的能力是否足够优秀。

图解描述了镜头如何捕捉测试图案并将其投射到芯片上。随着线间距的减小，精确再现这些图案的难度就变得越来越具有挑战性。

3MTF图的类型

MTF图中绘制了MTF信息，便于在评估镜头分辨率时进行可视化显示，它还能够以不同的方式呈现。一般来说，MTF图可大致分为两大类。第一种类型是按频率绘制的MTF图，它以lp/mm（每毫米的线对数）为X轴。然而，此类型的MTF图有一个缺点：它无法准确描述镜头在整个芯片上的MTF性能。为了解决这个问题，我们引入了第二种图，即按像圈绘制的MTF图。在这种图中，X轴代表位置（从芯片中心开始向边缘移动），从而可以更精确地评估镜头在整个芯片上的性能。不过，它也有局限性，只能检查特定的lp/mm值。因此，在大多数情况下，这些图会同时各自显示具有代表性的lp/mm值。

它们并非不同的MTF图，只是呈现信息的方式不同而已。在按频率绘制的MTF图中，它显示了图像中捕捉到的物体的对比度与空间频率的函数关系。而在按像圈绘制的MTF图中，则显示了在特定lp/mm下，从镜头的像圈中心到外部的数值变化。尤其是在大视场情况下，这种区别非常实用。接下来，我们来深入探讨这两种类型的MTF图。

4如何看懂MTF图？

按频率绘制的MTF图：

■ Y轴（垂直方向）表示MTF值，其刻度范围从0到100%或1，刻度分别为10%或0.1。

■ X轴（水平方向）表示每毫米周期上的空间频率，该单位的缩写为lp/mm，表示每毫米的线对数（线对即一条黑线和一条白线）。

■ 使用不同颜色绘制多条线，它们分别代表沿着镜头曲率的不同点位（例如，0.0000 mm是指成像中心，而5.5000 mm是指距离成像中心5.5 mm的位置）。

■ 每种颜色有2条线（即T代表切线方向，S代表矢状方向）。

按像圈绘制的MTF图：

■ Y轴（垂直方向）表示光学传递函数的系数。

■ X轴（水平方向）指的是到成像中心的距离（即0为成像中心）。

■ 使用不同颜色绘制多条线，分别代表不同的lp/mm值。

■ 每种颜色有2条线（实线表示切线方向，虚线表示矢状方向）。

5什么是切线(T)和矢状线(S)？

典型的MTF图包括切线(T)和矢状线(S)。切线(T)也被称为经线，它以实线显示切向MTF测量值，虚线则显示的是矢状MTF测量值。矢状线表示测试图案的线与一条从像圈中心延伸到角落的线保持平行，而切线则垂直于这条对角线。通常，实线的MTF值较高，因为镜头通常是根据切线方向来制造的。

一般来说，相似的矢状线和切线特性会产生更一致的图像。这表示，如果矢状线和切线在MTF图上相互靠近，那镜头产生的图像在X轴（水平方向）和Y轴（垂直方向）上的成像性能将更加一致。另一方面，如果矢状线和切线在图像上呈发散状态，则表示成像效果不一致，存在像差现象，即镜头散光。在理想情况下，这两条曲线应该越靠近越好，这样才能获得更具一致性的成像性能。