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“调制度”-成为高手应该弄清的概念

来源:互联网 作者:Leo 时间:2008-07-17 Tag:调制度   MTF   点击:
弄清“调制度”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15—20,都是反光率的相对值)则调制度约为0.88—0.90(14/16—19/21)。

  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。
 
  模量传递函数的物理意义

  摄影镜头的模量传递函数,或曰调制传递函数,就是镜头传递调制度的能力,或者说是镜头“记录、还原调制度的能力”。

  镜头传递、记录景物对比度,指的是镜头所成影像的调制度与原景物的调制度的比较。由于光线在传播过程中的损失,影像中的强光部分的相对亮度值要比景物的强光部分亮度值有所降低;而由于杂光、散射和衍射,影像中的弱光部分的相对亮度值又比景物中的弱光部分的亮度值偏高。这就是使影像的对比度和调制度比景物的对比度和调制度偏低。

  一个对比度为1:100的景物(M景=0.98)通过镜头成像后,影像的对比度可能降低到1:50(M 景=0.96),甚至更低。这主要是由镜头的反差所决定。

  我们把影像的调制度与景物的调制度的比值称为模量传递函数值,即MTF值。

  显然:MTF 值 = M 影/M景

  由于M影<M景,所以1>MTF值>0。

  好的镜头的MTF值非常接近于1,即影像的调制度与景物的调制度非常接近。例如我们上面所举的例子:MTF 值=0.96/0.98=0.98,已非常接近于1,是一只很好的镜头

  一个理想的光学系统,是指既无任何像差,又没有杂光、散射、反射、吸引和衍射的光学系统,它的MTF值等于1,即它所成影像调制度等于景物的调制度。这种影像被称为“理想像”。

  在这里还是要强调一点,影像的调制度是指通过镜头所成的直接影像的调制度,并不是指胶片通过显影、定影后所记录的影像的调制度,即底片影像的调制度。底片影像的调制度还与底片的模量传递数有关。

  【按:数码相机的成像质量其实是需要由镜头调制度、图像传感器(CCD/CMOS)调制度、还有影像处理模块进行电子、数字运算的调制度的综合专递函数来衡量的】。

  镜头的MTF值,可以反映镜头除了畸变以外的所有像差,而且与实际成像结果非常吻合。

  一般来说反差高的镜头,其对同一景物所成影像的对比度也高。因而影像的调制度也高,即镜头的MTF值高。在这里,我们可以把对比度和调制度当一个概念来理解,它们的物理内在含义相同,而数学表达式不同。

  两只反差不同的镜头对同一景物(例如对比度1:100) 所以影像的对比度不同,一个为1:50;另一个为1:20。前者的调制度为0.96;而后者的调制度为0.90,显然前者的MTF值为0.98,而后者的MTF值为0.92。