Che cosa è l’MTF (obiettivi)

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Come detto in un precedente articolo, la nitidezza di un’immagine è un parametro soggettivo, per cui è impossibile quantificare le prestazioni dell’obiettivo semplicemente guardando i dettagli di un’immagine. Per questo motivo, i produttori di obiettivi hanno scovato dei metodi oggettivi per misurare le prestazioni delle proprie lenti in laboratorio, soprattutto tramite simulazioni al computer.

Questi sistemi sono quindi confluiti all’interno di quella è che attualmente una misura standard per tutte le lenti, chiamata MTF, ovvero Modulation Transfer Function.

Dal momento che nessun obiettivo è perfetto nel trasmettere la luce, l’MTF è molto utile per quantificare la perdita sia del contrasto che della risoluzione.

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La maggior parte dei grafici MTF che si vedono in giro sono realizzati con un software specializzato che misura e simula le prestazioni dell’obiettivo, visualizzandone i risultati. Uno di questi software, per chi fosse interessato, è Imatest.

Uno dei vantaggi degli MTF è che sono in grado di fornire molte informazioni utili in un unico grafico:

  1. La Risoluzione della lente
  2. Contrasto della lente
  3. Astigmatismo e aberrazione cromatica laterale
  4. Campo di curvatura
  5. Lo spostamento di messa a fuoco

Questi parametri ci permettono di giudicare le qualità di una lente in maniera oggettiva, nonché di paragonare differenti prodotti dello stesso produttore in maniera rapida e precisa (vedremo successivamente perché non è possibile usare i grafici MTF per paragonare prodotti di differenti brand).

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In tutto questo, devo inoltre ricordare che vi sono alcuni parametri che non vengono forniti dall’MTF, ovvero:

  1. Distorsione
  2. Aberrazione cromatica longitudinale
  3. La riproduzione a colori
  4. Vignettatura
  5. Predisposizione ai flare

In pratica, l’MTF è ottimo per valutare alcune prestazioni delle lenti ma non forniscono il quadro completo di un’ottica (per decisione dei costruttori). Inoltre, per decisione sempre dei differenti costruttori, il grafico MTF di un’ottica a lunghezza focale variabile sarà sempre prodotto solo per i due estremi: nel caso di un obiettivo 70-200mm, troverete i grafici MTF solo per le lunghezze focali di 70 mm e 200 mm.

 Come viene misurato l’MTF

Come sapete, le prestazioni di una lente variano fortemente tra il suo centro e la parte periferica. La maggior parte delle lenti sono ottimizzate per performare al massimo al centro, il che costa nitidezza man mano che dal centro ci allontaniamo. Esistono degli obiettivi dal particolare disegno ottico in grado di non perdere troppa nitidezza nell’allontanarsi dal centro, ma stiamo parlando di rari esemplari dal costo notevole. Restando in un ambito professionale costoso, purtroppo, avremo sempre delle cadute di nitidezza apprezzabili.

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Considerata quindi come varia la nitidezza all’allontanarsi dal centro, i dati MTF sono estrapolati per più punti lungo il raggio della lente, in modo da coprire le varie differenze. Nel disegno di seguito è riportato l’insieme dei punti in cui il MTF è calcolato.

MTF

I punti rossi che si vedono nel grafico non sono punti (di seguito un ingrandimento) bensì un insieme di linee diagonali atte a valutare la bontà dell’obiettivo. Come si vede dal grafico, l’MTF viene calcolato (nel caso di un 24x36mm) a 5, 10, 15 e 20mm nel caso di un sensore FX, mentre nel caso di un obiettivo DX la misurazione si effettua a 3,6,9 e 12mm.

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mtf

Le linee più spesse sono utilizzate per misurare contrasto e sono tipicamente 10 linee per millimetro, mentre le linee sottili vengono utilizzate per misurare la risoluzione e sono tipicamente 30 linee per millimetro.

I gruppi di linee sono strategicamente posizionate a due angoli diversi: il primo dal centro della lente verso l’esterno, parallelo al raggio della lente (noto anche come “sagittale” o Sagital in inglese) e l’altro inclinato nella direzione opposta (anche noto come “Meridionale” o Meridional). Il motivo di questa particolare “trama” è da ricercarsi nelle aberrazioni degli obiettivi: alcune lenti sono ottime nel risolvere i dettagli in linee sagittali ma non meridionali e viceversa.

Una volta che un diagramma di prova con le linee sagittali e Meridoniali poste ad intervalli differenti è allineato correttamente di fronte alla lente, possono essere misurati sia il contrasto che la risoluzione della lente, valutando lo spessore della transizione dei gruppi di linea dal nero al bianco. Un obiettivo ad alta risoluzione con eccellente contrasto mostrerà chiaramente il confine tra i bianchi ed i neri e sarà possibile distinguere chiaramente le linee sottili. Al contrario, una lente a bassa risoluzione con difetti ottici mostrerà una transizione molto morbida da neri ai bianchi e le linee sottili appariranno molto sfocate fino a divenire una sola macchina grigia.

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Nell’esempio di seguito i differenti “stati” delle linee in funzione, appunto, di risoluzione e contrasto:

mtf

Le linee a sinistra sono abbinate ad un obiettivo perfetto, senza difetti ottici. Poiché tale obiettivo non esiste, ci sarà sempre una certa quantità di sfocatura visibile, che si incrementa dal centro verso i bordi. Ora, considerando anche le peggiori lenti moderne, difficilmente arriveremo ad avere una situazione come quella a destra per le linee spesse. Al contrario delle linee sottili che invece potrebbero essere confuse.

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Come leggere un grafico MTF

Passiamo adesso ai veri e propri grafici MTF. Come accennato prima, ogni produttore ha la sua metodologia nel visualizzare i dati MTF e nel definire la trama di test. Ciò significa che bisogna entrare nel dettaglio di ogni produttore per capire come interpretare i dati MTF.

mtf

Qui sopra è riportato un tipico grafico MTF di Nikon privo di dati. L’asse X (orizzontale) indica la distanza dal centro della lente verso la periferia. Il valore zero indica il punto morto, mentre 5, 10, 15 e 20 rappresentano la distanza in millimetri dal centro per una lente FX, ovvero per una reflex full frame (nel caso di una APS-C, i valori sarebbero 0, 3, 6, 9 e 12).

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L’asse Y (verticale) mostra la quantità di luce che una lente è in grado di trasmettere. I valori variano da 0 (0%) a 1 (100%). L’incremento è pari al 10%, ovvero per step di 0,1.

Come abbiamo detto in precedenza, l’MTF viene misurato per due gruppi di linee, in modo da misurare sia la risoluzione che il contrasto. Una lente perfetta avrebbe questo grafico (linea rossa per il contrasto e linea blu per la risoluzione):

mtf

Sappiamo che obiettivi perfetti non ne esistono, per cui aspettatevi sempre qualcosa del genere:

mtf

Esaminando la curva rossa (che indica il contrasto della lente), vediamo come l’obiettivo preso in esame ha un elevato contrasto al centro, contrasto che poi diminuisce gradualmente verso l’esterno. Scende bruscamente nel mezzo (a 10 millimetri) per poi tornare a migliorare e quindi cadere nuovamente all’allontanarsi dal centro. La Risoluzione (curva blu), nell’esempio, segue lo stesso andamento del contrasto. La natura “ondulata” della curva indica la presenza di curvatura di campo.

Come leggere i valori sull’asse Y?  In generale, il contrasto è tipicamente superiore rispetto alla risoluzione nei grafici MTF. Un valore superiore a 0,9 indica un contrasto eccellente, tra 0,7 e 0,9 è generalmente molto buono, tra 0,5 e 0,7 è nella media mentre è scadente al di sotto di 0,5. Per la risoluzione, ovviamente, queste cifre sono leggermente più basse.

Quello dell’esempio di prima è un grafico MTF molto semplice in quanto mostra solo due curve. Poiché le misurazioni MTF includono sia le linee sagittali che Meridionali, un tipico grafico MTF dovrebbe contenere almeno quattro linee:

mtf

Il grafico in questione mostra molti più dati e, analizzandolo, possiamo estrapolare quattro punti fondamentali:

  1. Risoluzione (30 linee / mm) sia sagittale che meridionale
  2. Contrasto (10 linee / mm) sia sagittale che meridionale
  3. Astigmatismo e aberrazione cromatica laterale
  4. Campo curvatura

Confrontando i due grafici (quello semplificato e quest’ultimo), si vede chiaramente come il secondo ha una migliore performance complessiva. Entrambe le linee rosse del contrasto ed entrambe le linee blu della risoluzione sono più alte e l’andamento delle quattro linee è migliore fino all’estremo del grafico (cioè della lente). All’estremo vi è un forte calo di risoluzione ma il contrasto rimane alto.

Occhio adesso alle coppie di linee continue e tratteggiate. Come si evince dalla legenda indicano i valori sagittali (continue) e meridionali (tratteggiate). Più le linee sono prossime tra loro, minore sarà la presenza di astigmatismo nella lente. La lente del grafico di sopra, quindi, non soffre quasi di astigmatismo essendo le linee molto prossime. Come si vede, però, le linee si separano a metà del raggio della lente, per cui è lecito aspettarsi, in quella posizione, un po’ di astigmatismo.

Inoltre, poiché la lente non curva su e giù per tutto il grafico, possiamo anche concludere che questa particolare lente non soffre di problemi di curvatura di campo ondulate come nell’esempio iniziale (il grafico semplificato).

 Come leggere i grafici MTF Nikon

Nikon ha fornito i dati MTF praticamente per tutti i suoi obiettivi, eccezion fatta per alcuni modelli molto datati (oltre i 10/15 anni). I dati presenti nei grafici MTF di Nikon presentano questi valori:

  1. Prestazioni dell’obiettivo alla massima apertura
  2. Prestazioni dell’obiettivo alle lunghezze focali più corte e più lunghe
  3. Contrasto e risoluzione per linee sagittali e Meridionali
  4. Astigmatismo e aberrazione cromatica laterale
  5. Campo curvatura

Il grafico di seguito è un MTF per l’obiettivo 50mm AF-S Nikkor f/1.8G:

mtf

Come si può vedere, il Nikon 50 millimetri f/1.8G ha un  contrasto abbastanza buono per entrambe le linee sagittali e meridoniali al centro della lente per l’apertura massima f/1.8. La risoluzione è anch’essa buona al centro e decade dolcemente verso l’esterno dove però è alquanto limitata. Non c’è quasi alcuna curva, segno che non vi è presenza di curvatura di campo. Le linee sagittali e meridionali si separano abbastanza vistosamente all’estremità per le 10 linee/mm (contrasto) ma molto più limitatamente per le 30 linee/mm (risoluzione): ciò significa che l’astigmatismo e l’aberrazione cromatica laterale è meno pronunciata sulle trame fini (30 linee/mm, appunto).

Come leggere i grafici MTF di Canon

Canon, come Nikon, ha prodotto questi grafici per la quasi totalità dei suoi obiettivi.  Come detto, non aspettatevi di vedere un grafico simile a quello Nikon, in quanto Canon usa altri parametri, a partire dalle prestazioni delle lenti a f/8. In soldoni, questo è possibile capire da un MTF di Canon:

  1. Prestazioni dell’obiettivo alla massima apertura f/8
  2. Prestazioni dell’obiettivo alle lunghezze focali più corte e più lunghe
  3. Contrasto e la risoluzione per linee sagittali e Meridionali
  4. Astigmatismo e aberrazione cromatica laterale
  5. Campo curvatura
  6. Spostamento della messa a fuoco

Di seguito il grafico MTF dell’obiettivo Canon EF 50mm f/1.8 II:

mtf

Il grafico MTF è più complesso di quello Nikon ma fornisce più informazioni.

Le linee spesse rappresentano misure di contrasto (10 linee/mm), mentre le linee sottili rappresentano la risoluzione (30 linee/mm). Le linee nere indicano le prestazioni alla massima apertura, mentre le linee blu mostrano le prestazioni a f/8. Le linee continue rappresentano la misurazione sagittale, mentre le linee tratteggiate rappresentano la misurazione Meridionali.

Diamo un’occhiata alla prestazioni dell’obiettivo: guardando le linee nere (che rappresentano il contrasto e la risoluzione dell’obiettivo alla massima apertura di f/1.8), si nota come il contrasto della lente sia molto buono in centro e che va peggiorando verso la periferia. La risoluzione è piuttosto mediocre e diminuisce ulteriormente verso gli angoli. Sia le linee sagittali e le linee Meridionali sono abbastanza vicine al centro ma si separano notevolmente alle estremità:  è presente un astigmatismo e aberrazione cromatica laterale pronunciata verso i bordi della lente. C’è inoltre un po’ di curvatura di campo, ma nulla di esagerato.

Osservando le prestazioni a f/8, la lente migliora notevolmente: il contrasto è eccellente dal centro verso l’esterno. Anche la risoluzione è molto buona, nonostante un minimo di curvatura di campo (le curve). La linea Meridionale rimane piuttosto piatta ma la sagittale scende bruscamente ai 17 mm.  Ciò si traduce in segni di astigmatismo e aberrazione cromatica laterale presenti verso l’esterno della lente, specie al limite della stessa.

Considerando che Canon fornisce sia i valori all’apertura più piccola e più grande (in questo caso f/1.8 e f/8), è possibile valutare anche eventuali problemi di messa a fuoco. Se la nitidezza peggiora con l’allontanarsi dal centro quando la lente viene ridotta in apertura, allora la lente soffre di problemi di spostamento di fuoco.

Prove al banco ottico e simulazione MTF

Quando i produttori testano le proprie lenti, di solito misurano le prestazioni della lente stessa priva della fotocamera (non avrebbe senso considerato i differenti modelli in commercio e la loro precoce anzianità: avremmo miriadi di grafici MTF). La mancanza di un corpo macchina viene sopperito con l’uso di un costoso banco ottico.

Ma non è finita: a parte pochi produttori quali Zeiss, Schneider e Leica, la maggior parte dei grafici MTF offerti dalle varie case sono grafici teorici: grafici MTF che mostrano solo le prestazioni “potenziali” di un obiettivo e non la sua effettiva prestazione nel mondo reale. Questo viene fatto in quanto non tutte le lenti dello stesso modello sono uguali: la tolleranza, per quanto minima, è una variabile che potrebbe modificare (di poco) i grafici di una lente rispetto ad una della stessa categoria.

Ma a questo punto, se i dati MTF sono teorici, a cosa si riferiscono? I grafici MTF sono sempre riferiti alla “migliore performance potenziale“: questo significa che, per poter ottenere delle prestazioni simili al MTF pubblicato, la copia della lente in nostro possesso dovrebbe essere prodotto in maniera perfetta, dal singolo elemento ottico fino alla singola vite. Una casistica impossibile.

Quindi, il grafico MTF non è la bibbia ma un valore prossimo a quello che realmente sarebbe ottenuto se analizzassimo la nostra lente.

Fonte: PhotographyLife.com