CALIDAD DE LENTE:MTF, RESOLUCIÓN Y CONTRASTE

La calidad de la lente es más importante ahora que nunca, debido a la cantidad cada vez mayor de megapíxeles que se encuentran en las cámaras digitales de hoy. Con frecuencia, la resolución de sus fotos digitales en realidad está limitada por la lente de la cámara, y no por la resolución de la cámara en sí. Sin embargo, descifrar gráficos MTF y comparar la resolución de diferentes lentes puede ser una ciencia en sí misma. Este tutorial ofrece una descripción general de los conceptos y términos fundamentales que se utilizan para evaluar la calidad de las lentes. Como mínimo, esperemos que te haga pensar dos veces sobre lo que es importante al comprar tu próxima cámara digital o lente.

RESOLUCIÓN Y CONTRASTE

Es probable que todos estén familiarizados con el concepto de resolución de imagen, pero desafortunadamente, a menudo se pone demasiado énfasis en esta métrica única. La resolución solo describe cuánto detalle es capaz de capturar una lente, y no necesariamente la calidad del detalle que es. capturado. Por lo tanto, otros factores suelen contribuir mucho más a nuestra percepción de la calidad y nitidez de una imagen digital.

Para entender esto, echemos un vistazo a lo que le sucede a una imagen cuando pasa a través de la lente de una cámara y se graba en el sensor de la cámara. Para simplificar las cosas, utilizaremos imágenes compuestas de líneas alternas en blanco y negro ("pares de líneas"). Más allá de la resolución de su lente, estas líneas, por supuesto, ya no se distinguen:

	→		→
Pares de líneas de alta resolución		Lente		Pares de líneas sin resolver

Ejemplo de pares de líneas que son más pequeños que la resolución de una lente de cámara.

Sin embargo, algo que probablemente no se entienda tan bien es lo que sucede con otras líneas más gruesas. Aunque todavía están resueltos, estos se deterioran progresivamente tanto en contraste como en claridad de los bordes (ver nitidez:resolución y agudeza) a medida que se vuelven más finos:

	→		→
Líneas progresivamente más finas		Lente		Progresivamente menos contraste y definición de bordes

Para dos lentes con la misma resolución, la calidad aparente de la imagen estará determinada principalmente por qué tan bien conserva cada lente el contraste a medida que estas líneas se vuelven progresivamente más estrechas. Sin embargo, para hacer una comparación justa entre lentes, necesitamos establecer una forma de cuantificar esta pérdida en la calidad de la imagen...

MTF:FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE MODULACIÓN

Una función de transferencia de modulación (MTF) cuantifica qué tan bien se conservan las variaciones de brillo regionales de un sujeto cuando pasan a través de la lente de una cámara. El siguiente ejemplo ilustra una curva MTF para una lente perfecta*:

Frecuencia creciente del par de líneas →
Extremo derecho =Resolución máxima/Límite de difracción.

Nota:El espacio entre las líneas blancas y negras se ha exagerado para mejorar la visibilidad.
La curva MTF asume una apertura circular; otras formas de apertura producirán resultados ligeramente diferentes.

*Un objetivo perfecto es aquel cuyo detalle está limitado únicamente por la difracción.
Consulte el tutorial sobre difracción en fotografía para conocer los antecedentes de este tema.

Un MTF de 1,0 representa una preservación perfecta del contraste, mientras que valores inferiores a este significan que se pierde cada vez más contraste, hasta un MTF de 0, donde los pares de líneas ya no se pueden distinguir en absoluto. Este límite de resolución es una barrera inevitable con cualquier lente; solo depende de la apertura de la lente de la cámara y no está relacionado con la cantidad de megapíxeles. La siguiente figura compara una lente perfecta con dos ejemplos del mundo real:

Aumento de la frecuencia del par de líneas →

Lente de cámara de muy alta calidad (cerca del límite de difracción)

Lente de cámara de baja calidad (lejos del límite de difracción)

Comparación entre una lente ideal con difracción limitada (línea azul) y lentes de cámara del mundo real.
La ilustración del par de líneas debajo del gráfico no se aplica a la lente perfecta.
Mueva el mouse sobre cada una de las etiquetas para ver cómo difieren a menudo las lentes de alta y baja calidad.

La línea azul de arriba representa la curva MTF para una lente de "difracción limitada" perfecta. Ninguna lente del mundo real está limitada solo por la difracción, aunque las lentes de cámara de gama alta pueden acercarse mucho más a este límite que las lentes de menor calidad.

Los pares de líneas a menudo se describen en términos de su frecuencia:el número de líneas que caben dentro de una unidad de longitud determinada. Por lo tanto, esta frecuencia generalmente se expresa en términos de "LP/mm", el número de pares de líneas (LP) que se concentran en un milímetro (mm). Alternativamente, a veces esta frecuencia se expresa en términos de anchos de línea (LW), donde dos LW equivalen a un LP.

La frecuencia de línea más alta que una lente puede reproducir sin perder más del 50 % de la MTF ("MTF-50") es un número importante porque se correlaciona bien con nuestra percepción de la nitidez. Una lente de gama alta con un MTF-50 de 50 LP/mm parecerá mucho más nítida que una lente de menor calidad con un MTF-50 de 20 LP/mm, por ejemplo (suponiendo que se usen en la misma cámara y al mismo tiempo). misma apertura; más sobre esto más adelante).

Sin embargo, el gráfico anterior de MTF versus frecuencia no es normalmente cómo se comparan las lentes. Conocer solo (i) la resolución máxima y (ii) la MTF en quizás dos frecuencias de línea diferentes suele ser información más que suficiente. A menudo, lo que más importa es saber cómo cambia el MTF según la distancia desde el centro de la imagen.

La MTF generalmente se mide a lo largo de una línea que sale del centro de la imagen y llega a una esquina lejana, para una frecuencia de línea fija (generalmente 10-30 LP/mm). Estas líneas pueden ser paralelas a la dirección que se aleja del centro (sagital) o perpendiculares a esta dirección (meridional). El siguiente ejemplo muestra cómo se pueden medir y mostrar estas líneas en un gráfico MTF para una cámara de fotograma completo de 35 mm:

Pares de líneas Meridionales (Circulares)

Pares de líneas sagitales (radiales)

→ Distancia desde el centro [mm]

Los detalles en el centro de una imagen prácticamente siempre tendrán el MTF más alto, y las posiciones más alejadas del centro a menudo tendrán valores de MTF progresivamente más bajos. Esta es la razón por la cual las esquinas de las lentes de las cámaras son prácticamente siempre la parte más suave y de menor calidad de sus fotos. Discutiremos por qué las líneas sagitales y meridionales divergen más adelante.

CÓMO LEER UN GRÁFICO MTF

Ahora finalmente podemos poner en práctica todos los conceptos anteriores al comparar las propiedades de una lente de zoom con una lente fija:

Objetivo Canon 16-35 mm f/2.8L II
(zoom fijado en 35 mm) Objetivo primario Canon 35 mm f/1.4L

En el eje vertical, tenemos el valor MTF de antes, donde 1.0 representa la reproducción perfecta de pares de líneas y 0 representa pares de líneas que ya no se distinguen entre sí. En el eje horizontal, tenemos la distancia desde el centro de la imagen, siendo 21,6 mm la esquina más alejada en una cámara de 35 mm. Para un sensor recortado de 1,6X, puede ignorar todo lo que esté más allá de 13,5 mm. Además, cualquier cosa que supere los 18 mm con un sensor de fotograma completo solo será visible en las esquinas extremas de la foto:

Nota:Para un sensor de 1,5X, la esquina más alejada está a 14,2 mm y el borde más alejado a 11,9 mm.
Consulte el tutorial sobre los tamaños de los sensores de las cámaras digitales para obtener más información sobre cómo afectan estos a la calidad de la imagen.

Todas las líneas de aspecto diferente en los gráficos MTF anteriores pueden ser abrumadoras al principio; la clave es mirarlos individualmente. Cada línea representa un MTF separado bajo diferentes condiciones. Por ejemplo, una línea puede representar valores MTF cuando la lente tiene una apertura de f/4.0, mientras que otra puede representar valores MTF en f/8.0. Un gran obstáculo para comprender cómo leer un gráfico MTF es aprender a qué se refiere cada línea.

Cada línea de arriba tiene tres estilos diferentes:grosor, color y tipo. Aquí hay un desglose de lo que representa cada uno de estos:

Grosor de línea:	Negrita → 10 LP/mm:contraste a pequeña escala Fina → 30 LP/mm:resolución o detalles finos
Color de línea:	Azul → Apertura en f/8.0 Negro → Apertura completamente abierta
Tipo de línea:	Pares de líneas punteadas → Meridionales (concéntricas) Pares de líneas sólidas → Sagitales (radiales)

Dado que una línea determinada puede tener cualquier combinación de grosor, color y tipo, el gráfico MTF anterior tiene un total de ocho tipos diferentes de líneas. Por ejemplo, una curva en negrita, azul y discontinua describiría la MTF de las líneas meridionales de 10 LP/mm en una apertura de f/8,0.

Líneas negras . Estos son más relevantes cuando usa su lente con poca luz, necesita congelar un movimiento rápido o necesita poca profundidad de campo. El MTF de líneas negras casi siempre será el peor de los casos (a menos que use aperturas inusualmente pequeñas).

En el ejemplo anterior, las líneas negras desafortunadamente no son una comparación justa de manzanas con manzanas, ya que una apertura amplia es diferente para cada uno de los lentes anteriores (f/2.8 en el zoom vs f/1.4 en el principal). Esta es la razón principal por la que las líneas negras parecen mucho peores para la lente principal. Sin embargo, dado que la lente principal tiene tal desventaja, funciona de manera admirable, especialmente a 10 LP/mm en el centro y a 30 LP/mm hacia los bordes de la imagen. Por lo tanto, es muy probable que el objetivo fijo supere al objetivo zoom cuando ambos estén en f/2,8, pero no podemos asegurarlo basándonos únicamente en los gráficos anteriores.

Líneas azules . Estos son más relevantes para la fotografía de paisajes u otras situaciones en las que necesita maximizar la profundidad de campo y la nitidez. También son más útiles para las comparaciones porque las líneas azules siempre deben estar en la misma apertura:f/8.0.

En el ejemplo anterior, la lente principal tiene una mejor MTF en todas las posiciones, tanto para detalles de alta como de baja frecuencia (30 y 10 LP/mm). La ventaja de la lente principal es aún más pronunciada hacia las regiones exteriores de la imagen de la cámara.

Líneas en negrita o finas . Las líneas en negrita describen la cantidad de "pop" o contraste a pequeña escala, mientras que las líneas finas describen detalles más finos o resolución. Las líneas en negrita suelen ser una prioridad, ya que los valores altos pueden significar que sus imágenes tendrán un aspecto más tridimensional, similar a lo que sucede cuando se realiza una mejora de contraste local.

En el ejemplo anterior, ambas lentes tienen un contraste similar en f/8.0, aunque la lente principal es un poco mejor aquí. La lente de zoom apenas pierde contraste cuando se usa completamente abierta en comparación con f/8.0. Por otro lado, la lente principal pierde bastante contraste al pasar de f/8.0 a f/1.4, pero esto probablemente se deba a que f/1.4-f/8.0 es un cambio mucho mayor que f/2.8-f/8.0 .

ASTIGMATISMO:LÍNEAS SAGITALES VS. MERIDIONALES

Líneas discontinuas frente a líneas sólidas . En este punto, probablemente se esté preguntando:¿por qué mostrar el MTF para los pares de líneas sagitales ("S") y meridionales ("M")? ¿Estos no serían lo mismo? Sí, en el centro directo de la imagen siempre son idénticos. Sin embargo, las cosas se vuelven más interesantes progresivamente más lejos del centro. Siempre que las líneas discontinuas y continuas comiencen a divergir, significa que la cantidad de desenfoque no es igual en todas las direcciones. Este artefacto que reduce la calidad se denomina "astigmatismo ," como se ilustra a continuación:

Seleccione el tipo de aberración:

Astigmatismo:MTF en S> M

Astigmatismo:MTF en M> S

Sin astigmatismo:MTF en M=S

Mueva el mouse sobre las etiquetas de la imagen a la derecha para ver el efecto del astigmatismo.
S =líneas sagitales, M =líneas meridionales
Nota:técnicamente, la S de arriba tendrá un MTF ligeramente mejor porque está más cerca del centro de la imagen; sin embargo, para los propósitos de este ejemplo, asumimos que M &S están en posiciones similares.

Cuando el MTF en S es mayor que en M, los objetos se ven borrosos principalmente a lo largo de las líneas que irradian desde el centro de la imagen. En el ejemplo anterior, esto hace que los puntos blancos parezcan una raya hacia afuera desde el centro de la imagen, casi como si tuvieran un desenfoque de movimiento. Del mismo modo, los objetos se ven borrosos en la dirección opuesta (circular) cuando el MTF en M es mayor que en S. Muchos de los que están leyendo este tutorial en este momento podrían incluso estar usando anteojos que corrigen el astigmatismo...

Nota técnica :Con lentes gran angular, es mucho más probable que las líneas M tengan una MTF más baja que las líneas S, en parte porque estas intentan preservar una proyección de imagen rectilínea. Por lo tanto, a medida que el ángulo de visión se vuelve más amplio, los sujetos cercanos a la periferia se estiran/distorsionan progresivamente más en direcciones que se alejan del centro de la imagen. Por lo tanto, una lente gran angular con una distorsión de barril significativa puede lograr una mejor MTF ya que los objetos en la periferia se estiran mucho menos de lo que lo harían de otra manera. Sin embargo, esto suele ser una compensación inaceptable con la fotografía de arquitectura.

En los gráficos de MTF para el zoom de Canon frente a la lente principal de antes, ambas lentes comienzan a exhibir un astigmatismo pronunciado en los bordes de la imagen. Sin embargo, con la lente principal, sucede algo interesante:el tipo de astigmatismo se invierte al comparar la lente en f/1.4 versus f/8.0. En f/8.0, la lente se desenfoca principalmente en la dirección radial, lo cual es una ocurrencia común. Sin embargo, con f/1.4, la lente principal se desenfoca principalmente en una dirección circular, lo cual es mucho menos común.

¿Qué significa el astigmatismo en tus fotos? Probablemente la mayor implicación, además de la apariencia única, es que las herramientas de afilado estándar pueden no funcionar como se espera. Estas herramientas asumen que el desenfoque es igual en todas las direcciones, por lo que es posible que acabe agudizando demasiado algunos bordes, mientras que otros quedan borrosos. El astigmatismo también puede ser problemático con fotos que contienen estrellas u otras fuentes de luz puntuales, ya que esto hará que el desenfoque asimétrico sea más evidente.

MTF Y APERTURA:ENCONTRAR EL "PUNTO DULCE" DE UNA LENTE

La MTF de una lente generalmente aumenta para aperturas cada vez más estrechas, luego alcanza un máximo para aperturas intermedias y finalmente vuelve a disminuir para aperturas muy estrechas. La siguiente figura muestra el MTF-50 para varias aperturas en una lente de alta calidad:

La apertura correspondiente al MTF máximo es el llamado "punto ideal" de una lente, ya que las imágenes generalmente tendrán la mejor nitidez y contraste en esta configuración. En una cámara de fotograma completo o con sensor recortado, este punto ideal suele estar entre f/8,0 y f/16, según el objetivo. La ubicación de este punto óptimo también es independiente de la cantidad de megapíxeles en su cámara.

Notas técnicas :

• En aperturas grandes, la resolución y el contraste suelen estar limitados por las aberraciones de luz.
  Una aberración se produce cuando el diseño imperfecto de la lente hace que una fuente de luz puntual en la imagen no converja en un punto del sensor de la cámara.
>
• En aperturas pequeñas, la resolución y el contraste suelen estar limitados por la difracción.
  A diferencia de las aberraciones, la difracción es un límite físico fundamental causado por la dispersión de la luz y no es necesariamente una falla del diseño de la lente.
>
• Por lo tanto, los lentes de alta y baja calidad son muy similares cuando se usan con aperturas pequeñas
  (como f/16-32 en un sensor recortado o de cuadro completo).
• Las aperturas grandes son donde los lentes de alta calidad realmente se destacan, porque los materiales y la ingeniería del lente son mucho más importantes. De hecho, una lente perfecta ni siquiera tendría un "punto ideal"; la apertura óptima sería simplemente abierta de par en par.

Sin embargo, uno no debe concluir que la configuración de apertura óptima es completamente independiente de lo que se está fotografiando. El punto óptimo en el centro de la imagen puede no corresponder con el lugar donde los bordes y las esquinas de la imagen se ven mejor; esto a menudo requiere ir a una apertura aún más estrecha. Además, todo esto supone que su sujeto está perfectamente enfocado; es probable que los objetos fuera de la profundidad de campo mejoren en nitidez, incluso cuando su número f sea más grande que el llamado punto óptimo.

COMPARACIÓN DE DIFERENTES MARCAS DE CÁMARAS Y LENTES

Un gran problema con el concepto MTF es que no está estandarizado. Por lo tanto, comparar diferentes gráficos MTF puede ser bastante difícil y, en algunos casos, incluso imposible. Por ejemplo, los gráficos MTF de Canon y Nikon no se pueden comparar directamente, porque Canon usa cálculos teóricos mientras que Nikon usa mediciones.

Sin embargo, incluso si uno realizara sus propias pruebas MTF, aún tendría problemas. Un gráfico típico de MTF autoejecutable en realidad representa el total neto de MTF del sistema óptico de su cámara — y no el MTF de la lente solo. Este MTF neto representa el resultado combinado de la lente, el sensor de la cámara y la conversión RAW, además de cualquier afilado u otro procesamiento posterior. Por lo tanto, las mediciones de MTF variarán según la cámara que se utilice para la medición o el tipo de software utilizado en la conversión RAW. Por lo tanto, solo es práctico comparar gráficos MTF que se midieron utilizando metodologías idénticas.

Sensores de fotograma completo frente a recortados . Se debe tener mucho cuidado al comparar gráficos MTF entre cámaras con diferentes tamaños de sensor. Por ejemplo, una curva MTF de 30 LP/mm en una cámara de fotograma completo no es equivalente a una curva MTF diferente de 30 LP/mm en un sensor recortado de 1,6X. En su lugar, el sensor recortado necesitaría mostrar una curva de 48 LP/mm para una comparación justa, porque el sensor recortado se amplía más cuando se convierte en una impresión del mismo tamaño.

La diversidad de tamaños de sensores es la razón por la que algunos han comenzado a enumerar la frecuencia de línea en términos de la imagen o la altura de la imagen (LP/PH o LP/IH), en lugar de usar una unidad absoluta como un milímetro. Una frecuencia de línea de 1000 LP/PH, por ejemplo, tiene la misma apariencia en un tamaño de impresión determinado, independientemente del tamaño del sensor de la cámara. Uno podría sospechar que parte de la razón por la que los fabricantes siguen mostrando gráficos MTF a 10 y 30 LP/mm para DX, EF-S y otras lentes de sensor recortadas es porque esto hace que sus gráficos MTF se vean mejor.

LIMITACIONES DEL GRÁFICO MTF

Si bien los gráficos MTF son una herramienta extremadamente poderosa para describir la calidad de una lente, todavía tienen muchas limitaciones. De hecho, un gráfico MTF no dice nada sobre:

• Calidad de color y aberraciones cromáticas
• Distorsión de imagen
• Viñetas (caída de luz hacia los bordes de una imagen)
• Susceptibilidad al destello de la lente de la cámara

Además, otros factores, como el estado de su equipo y la técnica de su cámara, a menudo pueden tener un impacto mucho mayor en la calidad de sus fotos que las pequeñas diferencias en el MTF. Algunos de estos factores que reducen la calidad pueden incluir:

• Precisión de enfoque
• Sacudida de cámara
• Polvo en el sensor digital de su cámara (consulte el tutorial sobre la limpieza del sensor de la cámara)
• Microabrasiones, humedad, huellas dactilares u otras capas en la lente

Lo que es más importante, a pesar de que los gráficos MTF son herramientas increíblemente sofisticadas y descriptivas, con mucha buena ciencia para respaldarlas, en última instancia, nada es mejor que simplemente inspeccionar visualmente una imagen en la pantalla o en una impresión. Después de todo, las imágenes están hechas para mirar, así que eso es todo lo que realmente importa al final del día. A menudo puede ser bastante difícil discernir si una imagen se verá mejor en otra lente en función de un MTF, porque generalmente hay muchos factores en competencia:contraste, resolución, astigmatismo, apertura, distorsión, etc. Rara vez una lente es superior en todos estos aspectos al mismo tiempo. Si no puede diferenciar entre disparos con diferentes lentes utilizados en situaciones similares, entonces las discrepancias de MTF probablemente no importen.

Finalmente, incluso si el MTF de una lente es realmente peor que el de otra, la mejora de la nitidez y el contraste local a menudo puede hacer que esta desventaja sea imperceptible en una impresión, siempre que la diferencia de calidad original no sea demasiado grande.