【光学知识】镜头的对比度和均匀度是什么

镜头的对比度和均匀度是什么

我相信大家在日常的摄影或者电脑的使用甚至是看电视的时候肯定都听过一些参数的名字，像对比度、均匀度、分辨率、畸变率等等，这些一般都是用来描述屏幕或者照片的参数。在我们的光学工业镜头中其实也会经常提到这些参数名称，但是其实这其中的一些参数跟日常中经常接触的那些概念还是很有不同的。今天就来给大家讲讲光学工业镜头中的对比度和均匀度。

一、对比度和杂散光

1、对比度

我们常说的对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，差异范围越大代表对比越大，差异范围越小代表对比越小。对比度对视觉效果的影响非常关键，一般来说对比度越大，图像越清晰醒目，色彩也越鲜明艳丽；而对比度小，则会让整个画面都灰蒙蒙的。如下图所示。

图1-1-1

而我们也经常会说镜头的对比度高低，但这其实与屏幕和图像的对比度有着一定的不同。想要使图像看起来轮廓分明，黑色细节需要显示为黑色，白色细节需要显示为白色，所以我们在镜头中聊对比度，主要是关注其还原现实形状和轮廓的能力。简单来讲，对比度越高的镜头在黑白交接处的过渡像素越少，对测量样品的准确度就越高。如果镜头的对比度较低的话，在物体的黑白交界处就会有不同深度的大量灰色像素，这些灰色像素往往会干扰视觉检测的精准度，使测试结果不准确。

图1-1-2

本图为差异较大的镜头对比度展示，左侧镜头产生的对比度级别为12.7%，右侧镜头产生的对比度级别为22.6%，可以看到左侧的图像基本上已经完全丢失了最深色的信息。

图1-1-3

本图为两款较接近的镜头对比，其中左侧镜头的对比度相对低一些，可以看到画面中黑白交界处过度像素较多，画面看上去“毛茸茸”的。

图1-1-4（黑白交接处的过度像素）

2、杂散光

镜头的对比度会受到很多方面的影响，可能是机械设计的问题也有可能使光路设计的问题，这里说一个常见的问题，那就是杂散光的影响。杂散光是一种在光学系统中有害光，也称为光学“噪声”。这些杂散光可能会对正常成像产生影响。随着对光学系统检测要求的不断提高，杂散光会影响光学系统的性能，降低成像对比度和图像质量，甚至影响信号。因此，分析和抑制杂散光的要求逐渐引起人们的关注，并成为光学系统中图像质量检测的必要环节之一。

杂散光可能是由有效孔径内的多次反射、机制反射或有效孔径外的光反射引起的重影或光斑。这些杂散光可能会影响正常成像，因此需要进行准确的分析和适当的处理。

常见的消杂散光的办法：

（1）更改光学类型，优化系统结构，或优化机械结构

（2）增加消杂光光栏

（3）用螺纹消杂光

图1-2-1

不止工业镜头，很多镜头都有消光螺纹，甚至现在的手机镜头也会有消光螺纹，主要原因是这种技术对加工工艺要求很低，效果又非常不错，可以说是性价比很高的一种手段。

（4）对镜筒内壁采用无光发黑氧化，或者喷无光漆，或贴消光绒毛。

图1-2-2，图中镜头为光虎TTL18.5-215-380CL

不止镜头，很多其他会参与光学系统的部件也会使用无光发黑氧化工艺，也是一种非常高性价比的方案。

图1-2-3

本图为使用点光源搭配光虎高倍率远心镜头拍摄的氧化发黑后的金属表面，可以看到周围图像的四周有暗角，在下一章中会详细解释这种现象

（5）使用合理的遮光罩

图1-2-4

（6）透镜镜片边缘涂黑处理

二、均匀度

接下来来说一个投影仪和镜头都会提到的参数——均匀度。在投影设备中。指的是投影仪影像最亮与最暗部分的差异值，一般说来，投影仪最亮的地方会是画面中央的部分，最暗的地方为画面的边缘；因此当均匀度越高，画面中央到边缘的一致性就越高，当均匀度越低，画面的明亮不一的情形也更严重，也就是说，均匀度是指从中心到边缘的亮度分布是否均匀。

而在镜头中，均匀度一般指无论是望远或望近，镜头中心的聚焦跟边缘的聚焦是基本相同的。成像均匀度主要由镜头决定，具有良好成像均匀度的镜头，无论在广角或是长焦端，镜头中心的聚焦跟边缘的聚焦基本相同的，没有明显的差别。而质量有问题的相机，照片上会出现中心比四周亮，也就是暗角现象，同时画面颗粒感明显，这也会严重影响视觉效果。

图2-1

本图中左侧镜头均匀度较低，拍摄的图像越靠近边缘越发黑。

除了镜头本身的质量外，打光也会影响到镜头成像的均匀度。在下图中可以看到普通远心镜头和同轴远心镜头拍摄效果的不同。

图2-2

光照均匀是同轴设计的优点，可以大幅度降低对于打光的难度，很多反光强烈的零件要是想用非同轴的光源去拍摄，就需要非常昂贵的光源，而使用同轴设计的光源就简单很多，甚至如果是同轴设计的镜头只需要简单的在镜头上插入一个点光源就可以让光照非常均匀。

图2-3同轴光源

图2-4同轴光源原理

图2-5同轴远心镜头，图为光虎OTL11.5-20-110CT

图2-6同轴远心镜头使用示意

【来源：光虎工业镜头内部培训资料】

「科普」镜头眩光的形成与消除

最近有关于大疆御3的眩光问题在各大视频平台持续发酵，各种摄影师众口不一，有的表示学习苹果不拍摄超大逆光场景就可以了，有的表示那么贵的设备还有这个问题是没有道理的事情。那么今天我们就来和大家聊一聊眩光问题，并且给大家科普一下目前各品牌对于抗眩光问题的处理办法。

眩光是如何产生的？

大家都知道镜头是由一系列的凹凸透镜组成的，光线在穿过单独的镜片时，会有一部分光被反射回去。被反射的光在镜片组之间来回反射后会有一部分光最终会透过镜片到达传感器，就会形成光斑。所以眩光的产生原因就是光在镜头内部反射和扩散造成的。

相对而言，镜片组越少的镜头因为反射面更少，所以抗眩光相对好做一点。而那些变焦比较大的镜头，因为镜片数太多，即使抗眩光技术一样，但表现肯定是会差一点。

某大变焦镜头眩光表现

某大光圈定焦镜头眩光表现

眩光是不是都是坏事？

显然，不全是坏事。眩光在实际效果方面分两大类，一类是我们比较常见的点状眩光。点状眩光在摄影师手上是一个能够增添画面表现力的工具，在不少科幻大片比如漫威电影中尤其的明显。甚至在不少风光作品中，我们还需要使用灯光工厂插件去增加点状眩光，提高画面整体的表现力。

某标准变焦镜头眩光表现

某变形宽荧幕镜头眩光表现

另一类则是镜片之间反射光扩散严重导致的画面反差降低，这在老镜头中非常常见而现代镜头基本上已经拍不出这样的效果了。不过有些工业使用的线扫描镜头因为工作环境原因不需要考虑逆光拍摄环境所以在改装安在相机上拍摄时会有逆光发雾的情况。

大疆精灵4Pro眩光表现

如何解决眩光问题？

眩光产生的原因是镜片之间的反射，那么尽可能保持透射的前提下消除反射就可以最大程度解决眩光问题。如何做到这点呢？依靠的就是镜片镀膜工艺和镜头筒的消光了。

用光波动理论可以得出，如果在玻璃和空气之间增加一些折射率不同的薄膜，由于光的干涉作用，透光量可以大大增加，透光量增加了也就直接意味着反射量降低了。

既然镜片做到了尽可能的不反光，接下来镜头筒也要跟上。所以各个品牌会用消光漆或者植绒的方式对镜头内部进行消光处理，这样才能够保证镜头有足够好的抗眩光表现。

当然还有个非常“苹果”的解决办法就是不拍逆光画面了。但摄影就是用光的艺术，不拍逆光和咸鱼有什么区别呢？

目前都有哪些镀膜工艺？

镀膜工艺可以大致分三个阶段。最先出现的是单层镀膜，1935年蔡司发明了世界上最早的单层镀膜技术，是一种使用化学方法加工的130 nm厚的氟化物。

之后在1971年，宾得将SMC超级多层镀膜实现了商品化，具备7层防反射膜。而之后推出的富士EBC电子束镀膜更是将层数加大到了14层。

如今镀膜技术又有了进步，日系厂商通过在镜片表面蒸镀小于可见光波长的纳米级楔形结构，控制入射光线折射率。尼康称之为纳米结晶镀膜，索尼称之为纳米AR镀膜，佳能称之为SWC镀膜。

目前主流的镀膜解决方案就是多层镀膜+纳米结晶镀膜一起使用，以做到尽可能的优秀效果。

目前各家抗眩光表现如何？

我认为点状眩光并不是很影响最终的表现力，而降低反差的雾化眩光几乎已经很难发现了。我用下来的感觉是尼康，索尼，腾龙，宾得在实际拍摄中效果是有着明显领先的，而其他日系品牌的大部分镜头也没有抗眩光问题。

使用腾龙18-400mmF/3.5-6.3 Di II VC HLD拍摄

而国产相机镜头在这几年里奋起直追，老蛙镜头虽然在几年前还逆光死，但现在的产品已经有了不错的抗眩光表现，永诺也给过我非常好的印象。

使用老蛙FFⅡ11mm F4.5 C-Dreamer拍摄

国产手机领域内卷激烈，目前最新产品都有了不错的抗眩光表现，值得肯定。

文章的最后我想聊聊我对大疆御3眩光问题的看法。首先大疆本身在抗眩光这个问题上做的一直都不是很好，从上面提到的精灵4Pro到御3，从X7云台配套的16mm定焦到50mm定焦，都有眩光问题。目前已经有可以做出优秀镀膜工艺的国产供应链厂商了，大疆没有做好属实可惜，

使用大疆御3拍摄

但大疆的眩光往往都是点状眩光，确实在前期更加容易进行规避，在部分拍摄中可以有更好的表现力，如果未来有特殊的附加镜片说不定能拍摄出更加具备电影感的画面。如果大疆能像老蛙那样知耻而后勇，我认为还是值得用户去相信的。

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