衍射極限、MTF與相機分辨率(2)

一、線對越多,MTF越高,鏡頭就越好嗎?

現在來說說第二個問題吧。假設有兩個鏡頭,一個到30lp/mm時,MTF就降到了0.5;而另一個直到60 lp/mm時,MTF才降到0.5。那可不可以說後一個鏡頭好呢?

首先我們來想一下,什麼是好鏡頭呢?從純技術角度說,就是拍同樣的景物,看到的細節比較多的那個鏡頭比較好嘍。那這樣看來是不是上面說的後一個鏡頭比較好呢,因爲它MTF好,細節比較多嘛。但我們別忘了還有另一個前提,“拍同樣的景物”。是啊,後一個鏡頭在像面上是能分辨更多的條紋。但如果它視場比較小呢,爲了看到同樣大小的景物,它就得距離遠一點,把景物縮小到感光芯片的範圍內。這樣一來,換算到物方,誰能看清更多的細節還真不好說。


我們再來說得具體一點吧。假設那個30線對的鏡頭是一個全幅單反上的,全幅單反的CCD大小爲36*24mm,我們假設它的像素大小是1000/30/2=16微米,這樣它剛好能充分利用鏡頭的分辨能力。1mm長度上就有60個像素,那我們的像素數就是36*60*24*60=3.1e6,310萬像素;而另一個鏡頭呢,它是一個手機的鏡頭模組,我們假設感光CMOS和iPhone5S這麼大吧,網上查到它的大小是1/3",大概是4.89*3.67mm。同樣假設像素大小剛好夠用,1mm長度上120個像素(看了前面的文章,你應該明白再來更多的像素也沒有用,鏡頭分辨力有限),那麼它的像素數是4.89*3.67*120*120=0.26e6,26萬!!想象一下,比如有一幅畫,你用單反去拍(配上前面那個鏡頭哦),使之剛剛好充滿視場,那這幅畫會被分成310萬個像素;同樣的一幅畫,你用手機去拍呢,只有26萬個像素點。你說誰能看到的細節更多呢?


所以我們可以得出結論了:看一個鏡頭好不好,不能光看數字,多少線對時MTF是多少,得結合應用場合來看。當然如果兩個鏡頭都用在同樣規格的感光芯片上,在同樣的線對MTF越高當然就越好了。


二、感光芯片的像素數

你可能不服氣,前面兩個鏡頭,MTF曲線都是你隨口編的,最後算出來iPhone5S只需要26萬像素就夠了,簡直貽笑大方。實際手機用的鏡頭,MTF能分辨的線對,比你這個高多了,否則5S爲何還要做到8MP(3264*2448)。嗯,好,我們嚴謹一點,用真實的iPhone5S的數據來計算點東西。


網上查到的iPhone5S數據如下:

鏡頭:5片塑料鏡片,F2.2,焦距4.12mm

感光芯片:大小4.89*3.67mm,像素大小1.5微米,像素數3264*2448。

首先:3264*1.5e-3=4.896,2448*1.5e-3=3.672,和感光芯片大小一致。

鏡頭的MTF數據查不到,我們就按像素大小來,我們假設鏡頭保證不拖後腿。那就是1000/2/1.5=333lp/mm。看吧,前面編的數據果然胡扯,和實際情況相差太大了。別急,前面本來就是爲了方便比較,隨便舉的一個例子嘛。我們從另一個角度看,iPhone5S的鏡頭能分辨到333線對,而一般單反鏡頭呢,你去看測評報告,都是30lp啊。如果說iPhone5S的5個塑料鏡片就比光學廠家辛苦設計的單反鏡頭好,誰也不信吧。是不是再次證明了前面的那個結論呢。


放眼當今手機界,iPhone5S才800萬像素,太少了,簡直比山寨機都不如啊。試試幫它把像素數提高點吧。要提高像素數,有兩個辦法,一個是維持像素大小不變,直接增加像素。這樣的話感光芯片大小就會增加,同時鏡頭大小也有隨之增加,整個CMOS模組體積就要變大,不划算。另一個辦法就是維持感光芯片大小不變,減小像素尺寸。那樣其實對鏡頭的分辨能力要求就更高了,5片塑料片可能不夠。不,我們假設鏡頭足夠好,你儘管減小像素尺寸就行了。根據我們前一篇文章的理論,像素大小最小能做到1.22λF,假設λ=550nm,那像素大小就是:1.48微米!!!看了iPhone5S已經盡力了,800萬已經是上限了。再高也是虛的,忽悠人的。蘋果還是挺厚道的。


另外,現在的手機,爲了像素做小,F數都做得比較小。這就對鏡頭像差提出了很高的要求。而有時爲了控制成本呢,在鏡片數量上又會扣扣索索的,明明要用5個鏡片,卻只用4個,因此像差控制,就不那麼好了。所以有時光看F數,只計算衍射帶來的像質退化是遠遠不夠的。只能說從F數計算出來的最大像素數是一個上限,實際上還應該要打不少折扣的。另外就是手機像素做這麼小,信噪比很差,畫面純淨度也就不能與專業相機的大像素感光芯片比了。


至此,我們已經可以對奸商的忽悠保持相當程度的辨別能力了。

——什麼?你這個手機能做到2000萬像素?

——是的,拍照功能強是我們最大的特點。這個分辨率是市面上最高的。

——請問感光芯片尺寸多大?像素大小多少啊?鏡頭F數多少啊?用了幾個鏡片啊?

——對不起,這些數據無可奉告。

——呵呵。

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