レンズの品質:MTF、解像度、コントラスト

今日のデジタル カメラのメガピクセル数はますます増加しているため、レンズの品質はこれまで以上に重要になっています。多くの場合、デジタル写真の解像度は、カメラ自体の解像度ではなく、カメラのレンズによって実際に制限されます。ただし、MTF チャートを解読し、さまざまなレンズの解像度を比較することは、それ自体が科学になる可能性があります。このチュートリアルでは、レンズの品質を評価するために使用される基本的な概念と用語の概要を説明します。少なくとも、次のデジタル カメラやレンズを購入する際に、何が重要かを再考するきっかけになれば幸いです。

解像度とコントラスト

誰もが画像解像度の概念に精通している可能性がありますが、残念ながら、この単一のメトリックに重点が置かれすぎることがよくあります.解像度は、レンズがどれだけ詳細を捉えることができるかを表すだけであり、必ずしも詳細の品質を表すものではありません 捕獲されました。したがって、他の要因が、デジタル画像の品質とシャープネスの認識に大きく影響することがよくあります。

これを理解するために、画像がカメラのレンズを通過し、カメラのセンサーで記録されるときに画像がどうなるかを見てみましょう。簡単にするために、交互の黒と白の線 (「線のペア」) で構成された画像を使用します。レンズの解像度を超えて、これらの線はもちろんもはや区別できません:

	→		→
高解像度ライン ペア		レンズ		未解決のライン ペア

カメラ レンズの解像度よりも小さいライン ペアの例。

ただし、おそらくあまり理解されていないことは、他の太い線に何が起こるかです。これらはまだ解決されていますが、細かくなるにつれて、コントラストとエッジの明瞭度の両方が徐々に低下します (シャープネス:解像度と鋭さを参照):

	→		→
次第に細くなる線		レンズ		次第にコントラストが低くなる &エッジの定義

したがって、同じ解像度の 2 つのレンズの場合、画像の見た目の品質は、これらの線が次第に狭くなるにつれて、各レンズがどれだけコントラストを保持するかによってほとんど決定されます。ただし、レンズ間の公平な比較を行うには、この画質の低下を定量化する方法を確立する必要があります...

MTF:変調伝達関数

変調伝達関数 (MTF) は、被写体がカメラ レンズを通過するときに、被写体の局所的な明るさの変化がどの程度維持されるかを定量化します。以下の例は、完璧な*レンズの MTF 曲線を示しています:

ライン ペアの頻度を上げる →
右端 =最大解像度 / 回折限界。

注:黒と白の線の間隔は、視認性を向上させるために誇張されています。
MTF 曲線は円形の開口部を想定しています。他の開口形状では、わずかに異なる結果が生成されます。

*完璧なレンズとは、細部が回折によってのみ制限されるレンズです。
このトピックの背景については、写真の回折に関するチュートリアルを参照してください。

MTF 1.0 は完全なコントラスト保持を表しますが、これよりも小さい値は、ますますコントラストが失われていることを意味し、MTF が 0 になるまで、線のペアがまったく区別できなくなります。この解像限界は、どのレンズでも避けられない障壁です。カメラのレンズの絞りにのみ依存し、メガピクセル数とは関係ありません。以下の図は、完璧なレンズと 2 つの実世界の例を比較しています:

ラインペアの頻度を上げる →

非常に高品質のカメラレンズ (回折限界に近い)

低品質のカメラ レンズ (回折限界から遠い)

理想的な回折限界レンズ (青い線) と実際のカメラ レンズの比較。
グラフの下の線のペアの図は、完全なレンズには当てはまりません。
マウスを各ラベルの上に移動します。高品質のレンズと低品質のレンズがどのように異なることが多いかを確認してください。

上の青い線は、完全な「回折制限」レンズの MTF 曲線を表しています。実世界のレンズで回折だけが制限されることはありませんが、ハイエンドのカメラ レンズは低品質のレンズよりもこの制限にはるかに近づく可能性があります。

ライン ペアは、多くの場合、頻度 (特定の単位長に収まるラインの数) の観点から説明されます。したがって、この周波数は通常、「LP/mm」、つまりミリメートル (mm) に集中するラインペア (LP) の数で表されます。あるいは、この周波数は線幅 (LW) で表される場合もあります。ここで、2 つの LW は 1 つの LP に相当します。

レンズが MTF の 50% 以上を失うことなく再現できる最高のライン周波数 (「MTF-50」) は重要な数値です。たとえば、MTF-50 が 50 LP/mm のハイエンド レンズは、MTF-50 が 20 LP/mm の低品質レンズよりもはるかにシャープに見えます (これらが同じカメラで使用されていると仮定すると、同じ絞り; これについては後で詳しく説明します)。

ただし、上記の MTF 対度数チャートは通常、レンズの比較方法ではありません。 (i) 最大解像度と (ii) おそらく 2 つの異なる回線周波数での MTF を知るだけでも、通常は十分な情報です。より重要なことは、画像の中心からの距離に応じて MTF がどのように変化するかを知ることです。

MTF は通常、画像の中心から遠くの角に至る線に沿って測定され、一定の線周波数 (通常は 10 ～ 30 LP/mm) で測定されます。これらの線は、中心から遠ざかる方向に平行 (矢状) か、この方向に垂直 (子午線) のいずれかです。以下の例は、これらの線がどのように測定され、フルフレーム 35mm カメラの MTF チャートに表示されるかを示しています:

メリディオナル (円形) ライン ペア

矢状 (放射状) ライン ペア

→ 中心からの距離 [mm]

画像の中心にあるディテールは事実上常に最も高い MTF を持ち、中心から離れた位置では MTF 値が次第に低くなることがよくあります。これが、カメラのレンズの角が事実上常に写真の最も柔らかく、品質の低い部分である理由です。矢状線と子午線が分岐する理由については後で説明します。

MTFチャートの読み方

これで、ズーム レンズと単焦点レンズの特性を比較することで、上記の概念をすべて実践できるようになりました。

Canon 16-35mm f/2.8L II レンズ
(ズームは 35mm に設定) Canon 35mm f/1.4L プライム レンズ

縦軸には以前の MTF 値があり、1.0 はライン ペアの完全な再現を表し、0 はライン ペアが互いに区別されなくなったことを表します。横軸は画像の中心からの距離で、21.6 mm は 35 mm カメラの端の角です。 1.6X トリミングされたセンサーの場合、13.5 mm を超えるものはすべて無視できます。さらに、フル フレーム センサーで約 18 mm を超えるものは、写真の隅にしか見えません。

注:1.5X センサーの場合、遠端は 14.2 mm、遠端は 11.9 mm です。
これらが画質に与える影響の詳細については、デジタル カメラのセンサー サイズに関するチュートリアルを参照してください。

上記の MTF チャートのさまざまな外観の線はすべて、最初は圧倒される可能性があります。重要なのは、それらを個別に見ることです。各線は、異なる条件下での個別の MTF を表しています。たとえば、レンズの絞り値が f/4.0 の場合の MTF 値を表す線と、f/8.0 の場合の MTF 値を表す線があります。 MTF チャートの読み方を理解する上での大きなハードルは、各線が何を指しているのかを理解することです。

上記の各行には、太さ、色、種類の 3 つの異なるスタイルがあります。これらのそれぞれが何を表しているかの内訳は次のとおりです:

線の太さ:	太字 → 10 LP/mm - 小規模なコントラスト 細字 → 30 LP/mm - 解像度または細部
線​​の色:	青 → f/8.0 の絞り 黒 → 絞り開放
線​​種:	破線 → 子午線 (同心) 線ペア 実線 → 矢状 (放射状) 線ペア

特定の線は太さ、色、種類を自由に組み合わせることができるため、上記の MTF チャートには合計 8 つの異なる種類の線があります。たとえば、太字、青、破線の曲線は、f/8.0 の絞りで子午線 10 LP/mm 線の MTF を表します。

黒い線 .これらは、暗い場所でレンズを使用している場合、急速な動きを止める必要がある場合、または浅い被写界深度が必要な場合に最も関連性があります。黒い線の MTF は、ほとんどの場合、最悪のシナリオになります (異常に小さいアパチャーを使用しない限り)。

上記の例では、残念ながら、上記のレンズのそれぞれで開放絞りが異なるため、黒い線は公正な比較ではありません (ズームの f/2.8 とプライムの f/1.4)。これが、単焦点レンズの黒い線が非常に悪く見える主な理由です。ただし、単焦点レンズにこのようなハンディキャップがあることを考えると、特に中央で 10 LP/mm、画像の端に向かって 30 LP/mm で、非常に見事に機能します。したがって、両方とも f/2.8 の場合、単焦点レンズがズーム レンズよりも性能が優れている可能性が非常に高くなりますが、上記のチャートだけに基づいて確実に判断することはできません.

青い線 .これらは、風景写真や、被写界深度とシャープネスを最大化する必要があるその他の状況に最も関連しています。また、青い線は常に同じ絞り値 (f/8.0) にあるため、比較にも役立ちます。

上記の例では、高周波数と低周波数の詳細 (30 と 10 LP/mm) の両方で、主レンズはすべての位置でより良い MTF を持っています。単焦点レンズの利点は、カメラの画像の外側の領域に向かってさらに顕著になります。

太い線と細い線 .太い線は「ポップ」または小規模なコントラストの量を表し、細い線はより細かいディテールまたは解像度を表します。多くの場合、太い線が優先されます。これは、ローカル コントラスト強調を実行した場合と同様に、画像がより立体的に見えることを意味するためです。

上記の例では、どちらのレンズも f/8.0 で同様のコントラストを持っていますが、ここでは単焦点レンズの方が少し優れています。ズームレンズは、F8.0と比較して、開放でほとんどコントラストを失いません。一方、単焦点レンズはf/8.0からf/1.4になるとかなりのコントラストを失いますが、これはおそらくf/1.4-f/8.0がf/2.8-f/8.0よりもはるかに大きな変化であるためです。 .

乱視:矢状線と子午線

破線と実線 .この時点で、おそらく疑問に思われるでしょう:なぜ矢状 ("S") 線と子午線 ("M") 線のペアの MTF を表示するのですか?これらは同じではありませんか？はい、画像の直接の中心では常に同一です。しかし、物事は中心から離れるほど面白くなります。破線と実線が発散し始めるときはいつでも、これはぼかしの量がすべての方向で等しくないことを意味します。この品質を低下させるアーティファクトは「乱視」と呼ばれます 、" 以下に示すように:

収差の種類を選択:

乱視:MTF in S> M

乱視:M> S の MTF

乱視なし:M=S の MTF

右の画像のラベルの上にマウスを移動して、乱視の効果を確認してください。
S =矢状線、M =子午線
注:技術的には、上の S の方がわずかに MTF が優れています。画像の中心に近いです。ただし、この例では、M と S が同様の位置にあると想定しています。

S の MTF が M よりも大きい場合、オブジェクトは主に画像の中心から放射状に伸びる線に沿ってぼやけます。上記の例では、これにより、白い点が画像の中心から外側に向かって縞模様になっているように見えます。まるでモーション ブラーがあるかのようです。同様に、M の MTF が S よりも大きい場合、オブジェクトは反対方向 (円形) にぼやけます。現在このチュートリアルを読んでいる多くの人は、乱視を矯正する眼鏡を使用しているかもしれません...

テクニカル ノート :広角レンズでは、M 線は S 線よりも MTF が低い可能性が高くなります。これは、これらが直線的な画像投影を維持しようとするためです。したがって、画角が広くなるにつれて、周辺に近い被写体は、画像の中心から遠ざかる方向に次第に伸びたり歪んだりします。したがって、大きなたる形の歪みを持つ広角レンズは、周辺のオブジェクトがそうでない場合よりも引き伸ばされることがはるかに少ないため、より優れた MTF を実現できます。ただし、これは通常、建築写真では受け入れがたいトレードオフです。

以前のキヤノンのズームレンズと単焦点レンズの MTF チャートでは、どちらのレンズも画像の端で顕著な非点収差を示し始めています。ただし、プライム レンズを使用すると、興味深いことが起こります。レンズを f/1.4 と f/8.0 で比較すると、非点収差のタイプが逆転します。 f/8.0 では、レンズは主に半径方向にぼやけますが、これはよくあることです。ただし、f/1.4 では主レンズは主に円形方向にぼやけますが、これはあまり一般的ではありません。

乱視はあなたの写真にとって何を意味しますか? おそらく、ユニークな外観以外の最大の意味は、標準の研ぎツールが意図したとおりに機能しない可能性があることです.これらのツールは、ぼかしがすべての方向で等しいと想定しているため、一部のエッジが過度にシャープになり、他のエッジはまだぼやけたままになる可能性があります。非点収差は、星やその他の点光源を含む写真でも問題になる可能性があります。これは、非対称のぼかしがより目立つようになるためです.

MTF と絞り:レンズの「スイート スポット」を見つける

レンズの MTF は通常、絞りが連続的に小さくなると増加し、次に中間の絞りで最大値に達し、最後に絞りが非常に小さくなると再び低下します。下の図は、高品質レンズのさまざまな絞りの MTF-50 を示しています。

最大 MTF に対応する絞りは、レンズのいわゆる「スイート スポット」です。これは、一般的に、この設定で画像が最高のシャープネスとコントラストを持つためです。フルフレームまたはトリミングされたセンサー カメラでは、このスイート スポットは通常、レンズに応じて f/8.0 から f/16 の間のどこかにあります。このスイート スポットの位置は、カメラのメガピクセル数にも依存しません。

テクニカル ノート :

• 大口径では、通常、解像度とコントラストは光収差によって制限されます。
  収差とは、不完全なレンズ設計により、画像内の点光源がカメラのセンサー上の点に収束しない場合に発生します。
• 小さな開口部では、通常、解像度とコントラストは回折によって制限されます。
  収差とは異なり、回折は光の散乱によって引き起こされる基本的な物理的制限であり、必ずしもレンズ設計の欠陥ではありません。
• したがって、高品質のレンズと低品質のレンズは、小さな絞り値で使用した場合に非常に似ています
  (フルフレームまたはトリミングされたセンサーの f/16-32 など)。
• 大口径レンズは、レンズの材料と技術がはるかに重要であるため、高品質のレンズが際立つ場所です。実際、完璧なレンズには「スイート スポット」さえありません。最適な絞りは、大きく開いたものです。

ただし、最適な絞り設定が撮影対象とは完全に無関係であると結論付けるべきではありません。画像の中心にあるスイート スポットは、画像の端や角が最もよく見える場所と一致しない場合があります。これには、多くの場合、さらに狭い開口部を使用する必要があります。さらに、これはすべて、被写体に完全に焦点が合っていることを前提としています。被写界深度外のオブジェクトは、F ストップがいわゆるスイート スポットよりも大きい場合でも、シャープネスが向上する可能性があります。

異なるカメラとレンズ ブランドの比較

MTF の概念の大きな問題は、標準化されていないことです。したがって、異なる MTF チャートを比較することは非常に難しく、場合によっては不可能ですらあります。たとえば、キヤノンとニコンの MTF チャートを直接比較することはできません。キヤノンは理論計算を使用し、ニコンは測定値を使用するためです。

ただし、独自の MTF テストを実行したとしても、問題が発生することはあります。 一般的な自己実行 MTF チャートは、実際にはカメラの光学システムの正味の合計 MTF を示しています — レンズ単体の MTF ではありません。この正味の MTF は、レンズ、カメラ センサー、および RAW 変換の結果と、シャープ化やその他の後処理を組み合わせた結果を表します。したがって、MTF の測定値は、測定に使用するカメラ、または RAW 変換に使用するソフトウェアの種類によって異なります。したがって、同じ方法論を使用して測定された MTF チャートを比較することだけが現実的です。

クロップ センサーとフル フレーム センサー .センサー サイズの異なるカメラ間で MTF チャートを比較する場合は、特に注意が必要です。たとえば、フル フレーム カメラの 30 LP/mm の MTF 曲線は、1.6X トリミング センサーの別の 30 LP/mm MTF 曲線と同等ではありません。トリミングされたセンサーは、同じサイズのプリントにするとさらに拡大されるため、公正な比較のために 48 LP/mm で曲線を表示する必要があります。

センサー サイズの多様性は、ミリメートルのような絶対単位を使用するのではなく、画像または画像の高さ (LP/PH または LP/IH) の観点からライン周波数をリストし始めた理由です。たとえば、1000 LP/PH のライン周波数は、カメラのセンサーのサイズに関係なく、特定の印刷サイズで同じ外観になります。メーカーが DX、EF-S、およびその他のトリミングされたセンサー レンズの MTF チャートを 10 および 30 LP/mm で表示し続ける理由の一部は、これにより MTF チャートの見栄えが良くなるためであると思われます。

機動部隊チャートの制限

MTF チャートはレンズの品質を説明するための非常に強力なツールですが、まだ多くの制限があります。実際、MTF チャートは以下について何も述べていません:

• 色の質と色収差
• 画像の歪み
• 口径食 (画像の端に向かう光の減衰)
• カメラ レンズ フレアの影響を受けやすい

さらに、機器の状態やカメラ技術などの他の要因が、MTF のわずかな違いよりも写真の品質に大きな影響を与えることがよくあります。これらの品質低下要因には、次のものが含まれる可能性があります。

• フォーカス精度
• 手ぶれ
• カメラのデジタル センサーのほこり (カメラ センサーのクリーニングに関するチュートリアルをご覧ください)
• レンズの微細な擦り傷、湿気、指紋、その他のコーティング

最も重要なことは、MTF チャートは驚くほど洗練された説明的なツールであり、それらを裏付ける優れた科学がたくさんありますが、最終的には、画面上または印刷物で画像を視覚的に検査することに勝るものはありません.結局のところ、写真は見るために作られているので、結局のところ、それが本当に重要なすべてです. MTF に基づいて別のレンズで画像がより良く見えるかどうかを判断するのは非常に難しい場合があります。これは、通常、コントラスト、解像度、非点収差、絞り、歪みなどの多くの競合する要因があるためです。レンズがこれらすべてで優れていることはめったにありません。同時に側面。同様の状況で異なるレンズを使用して撮影したショットの違いがわからない場合は、MTF の不一致はおそらく問題になりません。

最後に、1 つのレンズの MTF が実際に別のレンズよりも悪い場合でも、元の品質の差がそれほど大きくない限り、鮮明化とローカル コントラストの向上により、多くの場合、この欠点がプリントで認識されなくなります。