衍射极限、MTF与相机分辨率(2)

一、线对越多,MTF越高,镜头就越好吗?

现在来说说第二个问题吧。假设有两个镜头,一个到30lp/mm时,MTF就降到了0.5;而另一个直到60 lp/mm时,MTF才降到0.5。那可不可以说后一个镜头好呢?

首先我们来想一下,什么是好镜头呢?从纯技术角度说,就是拍同样的景物,看到的细节比较多的那个镜头比较好喽。那这样看来是不是上面说的后一个镜头比较好呢,因为它MTF好,细节比较多嘛。但我们别忘了还有另一个前提,“拍同样的景物”。是啊,后一个镜头在像面上是能分辨更多的条纹。但如果它视场比较小呢,为了看到同样大小的景物,它就得距离远一点,把景物缩小到感光芯片的范围内。这样一来,换算到物方,谁能看清更多的细节还真不好说。


我们再来说得具体一点吧。假设那个30线对的镜头是一个全幅单反上的,全幅单反的CCD大小为36*24mm,我们假设它的像素大小是1000/30/2=16微米,这样它刚好能充分利用镜头的分辨能力。1mm长度上就有60个像素,那我们的像素数就是36*60*24*60=3.1e6,310万像素;而另一个镜头呢,它是一个手机的镜头模组,我们假设感光CMOS和iPhone5S这么大吧,网上查到它的大小是1/3",大概是4.89*3.67mm。同样假设像素大小刚好够用,1mm长度上120个像素(看了前面的文章,你应该明白再来更多的像素也没有用,镜头分辨力有限),那么它的像素数是4.89*3.67*120*120=0.26e6,26万!!想象一下,比如有一幅画,你用单反去拍(配上前面那个镜头哦),使之刚刚好充满视场,那这幅画会被分成310万个像素;同样的一幅画,你用手机去拍呢,只有26万个像素点。你说谁能看到的细节更多呢?


所以我们可以得出结论了:看一个镜头好不好,不能光看数字,多少线对时MTF是多少,得结合应用场合来看。当然如果两个镜头都用在同样规格的感光芯片上,在同样的线对MTF越高当然就越好了。


二、感光芯片的像素数

你可能不服气,前面两个镜头,MTF曲线都是你随口编的,最后算出来iPhone5S只需要26万像素就够了,简直贻笑大方。实际手机用的镜头,MTF能分辨的线对,比你这个高多了,否则5S为何还要做到8MP(3264*2448)。嗯,好,我们严谨一点,用真实的iPhone5S的数据来计算点东西。


网上查到的iPhone5S数据如下:

镜头:5片塑料镜片,F2.2,焦距4.12mm

感光芯片:大小4.89*3.67mm,像素大小1.5微米,像素数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。

镜头的MTF数据查不到,我们就按像素大小来,我们假设镜头保证不拖后腿。那就是1000/2/1.5=333lp/mm。看吧,前面编的数据果然胡扯,和实际情况相差太大了。别急,前面本来就是为了方便比较,随便举的一个例子嘛。我们从另一个角度看,iPhone5S的镜头能分辨到333线对,而一般单反镜头呢,你去看测评报告,都是30lp啊。如果说iPhone5S的5个塑料镜片就比光学厂家辛苦设计的单反镜头好,谁也不信吧。是不是再次证明了前面的那个结论呢。


放眼当今手机界,iPhone5S才800万像素,太少了,简直比山寨机都不如啊。试试帮它把像素数提高点吧。要提高像素数,有两个办法,一个是维持像素大小不变,直接增加像素。这样的话感光芯片大小就会增加,同时镜头大小也有随之增加,整个CMOS模组体积就要变大,不划算。另一个办法就是维持感光芯片大小不变,减小像素尺寸。那样其实对镜头的分辨能力要求就更高了,5片塑料片可能不够。不,我们假设镜头足够好,你尽管减小像素尺寸就行了。根据我们前一篇文章的理论,像素大小最小能做到1.22λF,假设λ=550nm,那像素大小就是:1.48微米!!!看了iPhone5S已经尽力了,800万已经是上限了。再高也是虚的,忽悠人的。苹果还是挺厚道的。


另外,现在的手机,为了像素做小,F数都做得比较小。这就对镜头像差提出了很高的要求。而有时为了控制成本呢,在镜片数量上又会扣扣索索的,明明要用5个镜片,却只用4个,因此像差控制,就不那么好了。所以有时光看F数,只计算衍射带来的像质退化是远远不够的。只能说从F数计算出来的最大像素数是一个上限,实际上还应该要打不少折扣的。另外就是手机像素做这么小,信噪比很差,画面纯净度也就不能与专业相机的大像素感光芯片比了。


至此,我们已经可以对奸商的忽悠保持相当程度的辨别能力了。

——什么?你这个手机能做到2000万像素?

——是的,拍照功能强是我们最大的特点。这个分辨率是市面上最高的。

——请问感光芯片尺寸多大?像素大小多少啊?镜头F数多少啊?用了几个镜片啊?

——对不起,这些数据无可奉告。

——呵呵。

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