教你看懂 MTF 模量傳遞函數曲線

2015/10/07 22:14

MTF曲線是衡量鏡頭光學品質的重要工具。這裡提供了很多佳能鏡頭的MTF曲線，在這裡簡單談一下如何快速看懂MTF曲線圖。MTF曲線圖是依據模量傳遞函數所整理的二維圖表，可以清楚表示鏡頭的反差、分辨率、焦外成像和部分像差，可以說是目前評價一個鏡頭清晰度最全面而精確的方法。但是實際上MTF曲線也是有侷限的，後面會有具體說明。

在介紹如何解讀MTF曲線之前，先要弄明白幾個小問題：

分辨率：又叫解像力，是指鏡頭清晰地再現被攝景物細節的能力；鏡頭的分辨率越高，所拍攝的影像越清晰、細膩。其單位是「線對╱公釐（lp/mm）」。分辨率和反差是攝影鏡頭的兩大重要指標。
反差：又稱作銳利度，是鏡頭鮮明地再現被攝景物亮部、中灰、暗部層次、影紋細節、亮度對比的能力。反差高的鏡頭，成像輪廓鮮明、邊緣銳利，影調明朗如同刀削斧劈；反差低的鏡頭成像邊緣和輪廓比較「肉」，反應明暗對比的能力較差。
徑向與切向：測試用像場內的分辨率標板或光柵中的黑白線條，應按兩個主要方向放置，這兩個方向是檢驗光學成像系統的法定方向，也就是徑向和切向兩種。徑向就是平行於鏡頭成像圈半徑方向上的線條，切向就是平行於鏡頭成像圈切線方向上的線條。在同一空間頻率的曲線上，徑向和切向兩條曲線越接近，鏡頭的焦外成像就越柔和；兩條曲線距離越遠，表示其像差越大。
空間頻率：其單位是「線對╱ 公釐（ l p /mm）」，5-10 lp/mm的曲線所反映的是鏡頭的反差表現，10-40 lp/mm的曲線反映的則是分辨率。

基本方法與原理

MTF測試使用的是黑白逐漸過渡的的線條標板，透過鏡頭進行投影，以測量影像的還原程度。如果所得到的影像和測試標板完全一樣，其MTF值即為1（100％）；當然，這是「理論上的最佳鏡頭」，實際上是很難存在的。如果反差為原圖的一半，則MTF值為0.5（50％）；數值為0代表完全沒有反差，黑白線條被還原為單一的灰色。對底片而言，MTF曲線測試的是某一個鏡頭加上某種底片的清晰度，而對於數位相機來說，則是測試某一個鏡頭加上某個機身的清晰度。

▲此MTF為Canon預計七月下旬上市的EF8-15mm F4L。（圖片來源：Canon.jp）

最典型的MTF曲線及其解讀

最典型的MTF曲線是以空間頻率為橫軸，以還原程度為縱軸的曲線。座標圖橫軸從左至右代表的是鏡頭成像像場圓心到邊緣的半徑位置。左邊的0代表像場的中心，最右邊是像場半徑邊緣（35mm底片大概是21mm）；座標圖縱軸從下到上，從0到1（100％），代表成像達到所拍實物狀況的百分比。每一條曲線只代表一種空間頻率，實線一般代表徑向曲線，虛線一般代表切向曲線。

MTF曲線表示的是一支鏡頭在某個焦距、某級光圈、無限遠的清晰度，所以它只是一個「切片」。網路上比較普遍的參考標準是德國的《彩色攝影》雜誌（Color Foto），其測試報告是針對鏡頭在其最佳光圈下（從最大光圈縮小兩級）成像的評價標準：

5 lp/mm曲線 ─ 整個橫軸上，徑向和切向同時＞95％
10 lp/mm曲線 ─ 非常接近5 lp/mm曲線2 0 l p / m m 曲線 ─ 中心（左側）＞ 0 . 8（80％），邊緣（右側）＞0.45（45％）
4 0 l p / m m 曲線 ─ 中心（左側）＞ 0 . 6 5（65％），邊緣（右側）＞0.2（20％）

在大多數情況下，徑向曲線的值會相對較高，切向曲線標準會低一些。好的鏡頭曲線比較「平直」 ─ 從中心到邊緣成像品質下降得比較少，徑向和切向曲線的差異也比較小。也就是說：「理想鏡頭」的成像曲線應該是一條接近1的高位置水平橫線。

所以，簡單來看，一支鏡頭的綜合光學品質可以用曲線與縱橫兩軸所圍的線下面的面積大小來確定。MTF曲線下面積大的鏡頭，其光學品質一定好，因為它反差和分辨率都高，或其中一項明顯較高。

實際上，普通鏡頭的MTF曲線規律是：

普通鏡頭的MTF曲線是一條從最高點往右，逐漸下降或有曲折的曲線，表示鏡頭在中央成像最好，越往邊緣越差。
除了特殊的微距鏡頭以外，絕大多數鏡頭最大光圈和最小光圈的MTF曲線表現一定比最佳光圈的MTF曲線表現差。
長焦鏡頭的MTF曲線表現通常比廣角鏡頭的MTF曲線表現好。

範例解讀

我們可以從佳能EF 14mm L鏡頭第一代與第二代MTF曲線的對比中，看出其成像品質的明顯改善。EF 14mm F2.8 L是於1999年推出，EF 14mm F2.8 L II則是2008年8月推出的，從圖上可以明顯地看出，新款鏡頭使用了UD鏡片，使像場邊緣的成像品質有了很大的提升，新款鏡頭還原率都在35％以上。反差也有很大的進步，10 lp/mm時的徑向分辨率於全像場中均在98％以上，30 lp/mm時的中心徑向分辨率達到了90％，令人驚訝。與第一代鏡頭相比，新鏡頭各空間頻率上徑向和切向曲線的差距均減少了，這意味著新鏡頭的像散控制和焦外成像效果更佳。另外，新鏡頭的場曲控制明顯比舊款鏡頭強。

▲在佳能公布的MTF曲線中，黑色和藍色分別代表f2.8和f8時的曲線，粗線和細線分別代表10 lp/mm和30 lp/mm的空間頻率，實線和虛線分別代表徑向和切向的曲線。