了解使芯片尺寸和像素尺寸与MTF相匹配的重要意义

在本文中，我们将探讨镜头在不同空间频率下的MTF曲线，并寻找与您相机的芯片尺寸和像素尺寸相匹配的镜头。

请您先阅读本文，了解MTF图的基本知识以及如何利用MTF图做决策。了解如何使用MTF评估镜头质量。

使芯片尺寸与MTF相匹配

为相机芯片选择具有适当覆盖范围的镜头，就可以确保在整个画面中保持理想的成像质量。因此，您在选择镜头时需要考虑其产生的整个像圈的覆盖能力，确保镜头能与相机芯片的尺寸相匹配。

案例研究

我们来深入了解如何根据像圈来选择更合适的镜头。

在Pyrite 4.0/45和Pyrite 4.5/90这两款镜头之中，我们将选出哪一款更适合芯片尺寸为42 mm的相机。为了进行简单的比较，我们假设镜头的光圈固定为f/5.6。

考虑到要与芯片尺寸为42 mm的相机匹配：

• PYRITE 4.0/45镜头的像圈为43.2 mm，整个像圈区域均可加以运用

• Lens PYRITE 4.5/90镜头的像圈为90 mm，只有一半的像圈可供使用，无法使用涂黑的部分。因此，只有其他MTF值适用于此用例。

镜头对比结果 - 将像圈规格纳入考量

如上图所示，在不考虑像圈的情况下比较PYRITE 4.0/45和PYRITE 4.5/90的MTF图，这两款镜头的性能似乎大同小异。

不过，如果将像圈纳入考量，对于芯片尺寸为42 mm的相机而言，此时PYRITE 4.5/90镜头的MTF值比PYRITE 4.0/45镜头更均匀，因此PYRITE 4.5/90镜头才是更好的选择。

镜头像圈与镜头分辨率之间的关系

在本节中，我们将探讨这种成像质量差异是如何产生的，并研究镜头像圈与镜头分辨率之间的关系。

以下这两张照片是在同一场景下使用不同镜头拍摄得出的 - 焦距为50 mm，拍摄时的光圈值相同。两款镜头具有相同的像圈，与相机芯片尺寸的匹配度较佳。

但是，这两张照片在成像质量上却存在明显差异。造成这种差异的原因是什么？

要了解不同镜头的分辨率之间的关系，请查看下面三张泰迪熊的模拟图像。拍摄所用的相机具有相同的芯片尺寸，并配合具有匹配像圈的镜头，但所用的镜头的分辨率各不相同。虽然芯片尺寸不变，但随着分辨率的提高，像素尺寸会变小。像素尺寸的差异会影响整体成像质量和细节水平。

您可以看到，当相机芯片的分辨率较低（即芯片像素较大）时，两款镜头拍摄的图像并没有明显的差异。然而，当像素尺寸变小时，成像质量的差异就会更明显。最终，随着像素尺寸的减小，具有不同性能特点的两款镜头的最终成像质量会受到影响。

因此，使用老式相机等具有较大芯片像素的低分辨率相机时，高分辨率和低分辨率镜头在成像质量上没有明显差别。但是，随着相机分辨率的提高，当芯片的像素尺寸小于镜头产生的艾里斑时，艾里斑较大的镜头将导致最终图像变得模糊。

使像素尺寸与MTF相匹配

使相机芯片的像素尺寸与镜头的调制传递函数(MTF)相匹配，这是数字成像中的一个重要考虑因素。其目的是确保镜头和芯片能出色配合，最大程度地充分采集细节，以优化系统的性能。为此，镜头和相机必须具有相似的分辨率。

下面我们使用MTF来计算合适的像素尺寸：

MTF = (lp/mm) = 1000/(2×像素尺寸(µm))，或像素尺寸(µm) = 1000/(2×(lp/mm))

如果MTF为50 lp/mm（对比度为30%），则意味着1 mm内的线对数为50；

像素尺寸(µm) = 1000/[2×(50)] = 10 µm

如果MTF为100 lp/mm（对比度为30%），则意味着1 mm内的线对数为100；

像素尺寸(µm) = 1000/[2×(100)] = 5 µm

如果一款镜头的MTF性能为50 lp/mm，则它可以与像素尺寸为10 µm的相机匹配。而如果镜头的MTF性能为100 lp/mm，则适合像素尺寸为5 µm的相机。

理想的分辨率意味着黑白线条之间的界限非常清晰。当然，理论与现实总是存在差距的。现实中的线条界限会显得模糊，呈现从白到黑的灰色调。镜头分辨率越低，过渡越不清晰，进而“对比度”就会越低。

在考虑分辨率时，无论是以“百万像素”、“每毫米线对数”，还是以“米”为单位，都必须充分考虑对比度。制造商通常规定对比度为30%，这是确保图像清晰度的理想平衡点，表示30%的对比度MTF（调制传递函数）值被视为评估清晰度的优秀标准。

实际MTF(lp/mm)= 1/(2×像素尺寸×0.7)

案例研究：

下面，我们来深入了解像素尺寸为7 µm的相机，探讨它与Pyrite 4.5/90镜头的匹配程度。

如果MTF为40 lp/mm（对比度为68%），即表示1 mm内的线对数为40；

像素尺寸(µm)= 1000/2×40×0.7 = 8.75 µm

如果MTF为80 lp/mm（对比度为44%），即表示1 mm内的线对数为80；

像素尺寸(µm)= 1000/2×80×0.7 = 4.375 µm

根据MTF曲线的评估，如果应用要求实现40 lp/mm，对比度为60%，则Pyrite 4.5/90镜头就能满足要求。

但是，如果应用要求实现80 lp/mm，对比度超过50%，那么Pyrite 4.5/90镜头并不适用，因为这可能会影响整体成像质量，导致采集的细节较少。

结论

想要获得出色成像质量，了解镜头的调制传递函数(MTF)特性以及芯片尺寸和像素特性至关重要。使镜头的MTF曲线与相机的芯片尺寸和像素尺寸相匹配，有助于确保兼容性，并最大限度地提高图像清晰度。

在选择镜头时，应考虑其像圈覆盖范围，以确保充分利用整个芯片区域，让整个画面实现一致的画质。最理想的镜头应该能够覆盖相机芯片尺寸所需的整个像圈范围。

在比较镜头时，如果仅根据MTF图来判断，各款镜头的性能可能看似大同小异，但更重要的是选择像圈与芯片尺寸最匹配的镜头，这样通常能提供更好的成像质量。

镜头分辨率与像圈之间的关系会影响成像质量。随着像素尺寸的减小，不同镜头分辨率的差异会变得更明显，影响最终图像的细节捕捉水平。

使芯片像素尺寸与镜头MTF匹配，这对于优化系统性能非常重要。应根据镜头的MTF性能计算合适的像素尺寸，以确保实现出色成像质量。

总而言之，建议先充分了解镜头MTF、芯片尺寸和像素特性之间的关系。这是为您的相机系统选择合适的镜头以及实现出色成像质量的关键步骤。