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摄影笔记下载地址: https://pan.baidu.com/s/1Jfp1H2uqW74ac_i4RsKiuQ 一、镜头的分辨率 在片相机时代由于胶片的分辨率要高于镜头，所以相机的分辨率一般就用镜头分辨率表示。但数码相机由于传感器的分辨率不同,相机的分辨率要取决于镜头及传感器双方。我们先来讨论镜头的分辨率。 由于镜头有像差,在成像时会使锐度和对比度下降，所谓镜头分辨率就是衡量锐度和对比度下降的程度。造成像差使分辨率下降的原因有三种。 1. 色差 不同波长光的折射率不同，不能聚焦在同一平面上，由此造成的像差称为色差，色差可以通过使用超低色散镜片(ED镜片)来纠正，好的镜头ED镜片较多，一般都有2-3片。 2. 球差 由于镜头是球面的致使近轴与远轴的平行光不能聚焦到同一点上，产生像散，慧差等现象，称之为球面像差。可以利用特别的凹凸透镜（即非球面镜片）修正折射角度来纠正，也可通过缩小光圈来減少这类像差。  3. 衍射 由于光的波动性产生的衍射弥散现象使一个光点成像时不是一个点而是一组逐渐衰减的明暗相间的光环，称为爱里斑（Airy disk)，由于其中央亮斑占有84%的能量，一般就以其直径来衡量爱里斑的大小。该圆的大小就是成像的最小极限，也是镜头分辨率的最大极限。 根据相关理论分析，爱里斑直径可表示为 其中λ为光波长，f是光圈值。可见当光圈增大（f值减小）时爱里斑直径減小，分辨率提高。 不同光圈和光波长下的爱里斑直径
以上三种像差的因素都会导致分辨率下降，其中球差和衍射都和光圈有关，但改变光圏对两者的作用是相反的，当光圈減小时球差减少而衍射增加，当光圈增大时则相反，因此有一个最佳的平衡点，即所谓最佳光圈，一般是最大光圈往下三档，通常都在f8左右。 色差和球差可以通过改进工艺来校正或消除，但衍射是自然现象，不能用人工方法来减弱或消除。所谓理想镜头是指没有色差及球差的镜头，也就是假设色差与球差通过工艺已校正为零了。这时镜头的分辨率只取决于因衍射产生的爱里斑。爱里斑是点光源的成像，跟据瑞利判据（Rayleigh Criterion）要分辨出两相邻点的成像，两点之间的最小距离必须大于爱里斑的半径R，否则两点的成像就会重叠而无法辨别，根据上述公式，在光的中间波长下，当光圈为f8时爱里斑半径在5-6微米之间，此时的分辨率1/R=170-200lp/mm，也就是说一个理想镜头在光圈为f8时镜头的分辨率不会超过200lp/mm。 在下图中B为两点之间距离为爱里斑半径，可以看出两点已非常接近。 刚刚能分辨。可以推算出此时的MTF=9%（有关MTF后面会有解释）。也就是200lp/mm是MTF= 9%时的最高分辨率。若两点间距离为爱里斑直径，如图A所示，两点间就能很好分辨，MTF约为50%，但此时的分辨率只有100lp/mm了。下图给出不同光圈下爱里斑直径以及理想镜头的最高分辨率，绿色光波长0.5微米。 2004年蔡司公司推出一款号称无像差镜头，在光圈为f4时分辨率达400lp/mm，根据上面的分析，这确实已达到极限分辨率了。 二、分辨率lp/mm 早期镜头分辨率都用每毫米内能分辨出多少线条来衡量。线条黑白交替，相邻的黑白线条称为一个线对，于是分辨率就用每毫米有多少线对来表示（lp/mm）。通过用片拍摄印有不同密度线对的测试卡（如USAF1951）用高倍放大镜查看拍得的图片，测出镜头的分辨率 即每毫米可分辨的最高线对数lp/mm。现在单个镜头的测试仍然可以用这种方法，但是用lp/mm这单一数据来表示镜头的分辨率有点过于简单，而且用人工目测的方法也有较大误差。因此这种测量的方法现已很少采于是便有了用MTF曲线来表述分辨率。 三、分辨率MTF（调制传递函数） 类似在电子技术中的频率响应曲线。黑白条纹由稀到密的变化就相当于线条频率的变化，但这不是时间的频率而是空间频率，黑白线条通过镜头时由于像差使成像的对比度下降，于是引入一个反映对比度的参数---调制度M。 M=(Imax-Imin)/(Imax+Imin) 其中Imax及Imin分别为光信号的最大值及最小值，很明显M值在0-1之间。M越大对比度越大，M=0时Imax=Imin黑白相等对比度为0。设原有黑白条纹的调制度为M0，通过镜头后成像条纹的调制度为M，则调制度传递函数MTF定义为 MTF=M/M0 如果是理想的测试卡，卡上各种频率的黑白条纹的调制度均为1，即M0=1。这时MTF就是成像条纹的调制度M。 MTF=(Imax-Imin)/(Imax+Imin) 随着空间频率lp/mm的增加（黑白条纹由稀到密的增加），MTF也随之降低（成像的对比度下降）。当lp/ mm 很低时，MTF接近1，对比度很高边界清晰；lp/mm增加MTF下降，当MTF降为0时黑白都呈相 同的灰色，无法判别，这时的lp/mm为分辨率的极限。实际上当MTF=0.05时就已很难辨别黑白的边缘了。没有明确规定MTF等于多少时的lp/mm为镜头的分辨率，一般就给出MTF的曲线来判断镜头的分辨率，用低频段（lp/mm较低）的MTF表示反差，用中间频段（lp/mm较高）的MTF表示分辨率。也有给出MTF50的分辨率，即MTF=0.50时的lp/mm。 以上是用MTF的频率响应曲线来表示镜头的分辨率，但是制造厂商提供的MTF曲线是另一种形式，它只測试10lp/mm和30lp/mm两种频率，10lp/mm的MTF代表反差（对比度），30lp/mm的MTF代表分辨率。曲线的纵座标仍是MTF，但横座标是像平面上离中心点的距离，即偏离镜头中心的距离，可以反映出镜头的边缘效应。另外在偏离成像中心的位置上与径向平行和垂直的线条其MTF值是不同的，因此就需分別测试平行线条的MTF（S曲线）和垂直线条的MTF（M曲线）。因此一般制造厂商都会提供至少两种频率两种线条共四条MTF曲线。 上图是某镜头在光圈f1.8时测得的四条曲线。其中红色是10lp/mm表示反差。蓝色是30lp/mm 表示分辨率。实线是水平方向的S曲线，虚线是垂直方向的M曲线。 光圈对于测试MTF也有较大影响，在提供MTF时一般都会给出是最大光圈还是最佳光圈，有的制造厂商（如Canon）也会提供两种光圈共8条MTF曲线。
上图中蓝色是光圈f8，黑色是最大光圈。粗线是10lp/mm，细线是30lp/mm。实线是S曲线，虚线是M曲线。 查看制造厂商提供的MTF曲线时需注意以下几点 1、横座标是离成像平面中心的距离，对于135全画幅相机，像平面对角线长度为43.3mm，离像中心最大距离为21.6mm，所以横座标超过该值是没有意义旳。对于APS半画幅相机横座标有效范围只是在14mm以内。 2、10lp/mm曲线代表镜头的反差，30lp/mm曲线代表镜头的分辩率。10lp/mm总是比30lp/mm好。 3、光圈f8比最大光圈好。 3、各种MTF曲线越平直越好，说明镜头中心与边缘成像均匀。 4、不宜將不同厂商的MTF曲线比较，因为各自的测试环境不尽相同。 MTF的测试一般都是用专门的测试设备，也有公司（如Imatest）提供专用测试软件，可使普通用户通过拍摄测试卡再用软件分析得出MTF曲线。 虽然MTF曲线能很全面地反映出镜头的分辨率，但有很多曲线，数据太多，而且测试复杂，所以更适合专业部门，对于一般使用者来说不易看懂也不够直观，缺乏实用性。于是就有了代表数码相机分辨率的LW/PH。 四、分辨率 LW/PH 胶片相机因片分辨率高于镜头分辨率，相机的分辨率主要取决于镜头，而且135相机底片是统一36*24mm，成像大小是一致的，因此通过拍摄标准的测试卡，分析成像得到每毫米多少线对的分辨率lp/mm。数码相机由于传感器的像素不同，相机的分辨率要取决于镜头及传感器双方，而且不同相机的传感器尺寸不同，使成像大小各异，因此用成像的lp/mm不能代表相机的分辨率，于是便引入一个与传感器大小无关的分辨率LW/PH，其中LW（line width）是 线宽，但並不是线条的宽度，是指测试卡上标识的宽度，实际上就是线条数。PH（picture height） 画面高度，就是指传感器的高度，因此LW/PH就表示画面纵向能分辨出多少条线，它的单位就是线数，由于它不是用每毫米衡量而是用画面高度量，因此便与传感器尺寸无关，两个不同大小的传感器若LW/PH相同就表示分辨率相同。LW/PH不等同于传感器纵向像素数（尽管两者有关联）。传感器纵向像素是固定的，而LW/PH是测得的画面纵向有多少条线，可以说传感器纵向像素是LW/PH的极限值，即使镜头的分辨率再高，LW/PH也只是接近而不能超过传感器的纵向像素。LW/PH 与lp/mm之间可以转换，lp是线对包含两条线，所以 lp/mm= (LW/PH)/(2*画面高度） 但这样转换过来的lp/mm是与画面髙度（传感器高度）有关，用它来做相互比较是没有意义的，可將其规格化为135相机底片的大小（36*24mm），即所谓等效分辨率。 等效分辨率=lp/mm*（画面高度/24）=（LW/PH）/48 因此所谓等效分辨率实际上就是LW/PH的另一种表示方式。 LW/PH的测试一般要用ISO12233标准测试卡，卡上有各种测试图标，用于LW/PH测试只需卡中部疏密渐变的纵横线条: J1,K1用于测量中心的水平分辨率,最高可达4000LW/PH； J2,K2用于测量中心的垂直分辨率,最高可达4000LW/PH； JD,KD用于测量斜45度的分辨率,最高可达2000LW/PH； 此外四角十字形单元可用于测量四角的水平及垂直分辨率。 拍摄时使卡的上下边与相机取景器的上下边框对齐，拍摄后可用专用软件（如HYRes）或目测找出图像中线条的可分辨的起始位置，在其
边上的数字乘以100就是LW/PH。这种测试方法操作简单，使用方便，只要一张测试卡，不需要专门的设备。 此外有些公司如Imatest提供专用的测试软件和测试卡，其中也有镜头与机身组合的分辨率测试，可用图表输出LW/PH测试结果。
上图是Nikon AF-S 50mm f1.4 镜头在Nikon D3X机身上的测试结果，它给出了不同光圈下镜头中央及周边四角的分辨率。D3X传感器有2572万像素，其纵向分辨率是4032，测试得到的最高分辨率是在光圈F4.0时为3926LW/PH，已经很接近4032了，图中还指出超过3460是属等级优。 LW/PH的极值是传感器的纵向分辨率，镜头越好越接近该值。因此可以通过对多个镜头在同一机身上的测试来比较镜头的好坏。 数码相机分辨率是综合镜头与传感器的分辨率，一般都是捆绑在一起测试并用LW/PH表示，但也有些公司如著名的相机评测公司Dxomark,尽管它给出的镜头分辨率也都标明是配哪款机身测的，但结果不是用LW/PH而用它自己制定的“感知像素”(Perceptual M-Pix)。测试过程中除了综合像差，衍射，低通过滤器的影响等，也还考虑到人眼对景物的视觉感知。测得结果以传感器像数为理想像素做比较。可比较镜头与机身是否匹配，不同镜头的优劣等。下图给出三种机身配两种镜头的比较。纵座标为感知像素M-Pix，横坐标分别为三种情况。
左侧是不带镜头的三个机身Canon 5D MarkII，Canon 5D，Canon7D的比较，此时纵座标M-Pix代表的是每种机身传感器的像素。 Canon 5D Mark2 为2100万像素，Canon 5D 为1280万，Canon 7D 为1800万。中间和右侧分别是配上Sigma 镜头和Samyang镜头的测试结果。这两个镜头的参数都是相同的，均为35mm f1.4。可以比较看到： 1） Sigma 明显要好于Samyang，事实也是Sigma要比Samyang贵30%。 2) Sigma与Canon 5D 组合得到的M-Pix 与5D固有的像素相差无几， 说明该组合是很匹配的，而Sigma 与Canon5D MarkII组合时,M-Pix 与5D MarkII 固有的像数相差较大，说明Sigma 要与5D MarkII 相配还不够好。 3）Canon 7D 是APS 半画幅相机，尽管其像素比5D还高，但是测得 的感知像数还不如5D，这也证实了我们常说的“12M 像数的全画 幅要比18M 的半画幅还要清晰”。 感知像素是DxoMark公司提出的衡量数码相机分辨率的方法，与常用的LW/PH 有相似之处，也许它考虑的方面更多些，但还没有被更多的厂商采纳，更未达到某种标准之说。 由于数码相机的镜头与传感器的密切关系，所以什么镜头配什么机身就显得十分重要，同一镜头配不同机身和同一机身配不同镜头都会有很大差别。对于小型数码相机来说，镜头是不可拆卸的，在设计时已考虑到镜头与传感器的匹配问题，但是对于单反及微单来说在选购时需要认真考虑，当然除了分辨率外还牵涉到很多其它因素。 |
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