光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)

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1、第八章 光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià),8.1 概述 像質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：清晰、物像相似、變形小 像差：實(shí)際像與理想像之間的差異 像質(zhì)評(píng)價(jià)方法,系統(tǒng)制造完成后,系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,,分辨率檢驗(yàn),星點(diǎn)檢驗(yàn),,幾何光學(xué)方法,物理光學(xué)方法,,幾何方法：幾何像差、波像差、點(diǎn)列圖、幾何光學(xué)傳遞函數(shù) 物理方法：擴(kuò)散函數(shù)、相對(duì)中心光強(qiáng)、物理光學(xué)傳遞函數(shù),分辨率檢驗(yàn),分辨率板,空間頻率(lp/mm) 每毫米能分辨的線對(duì)數(shù),光學(xué)系統(tǒng)分辨率越高，能分辨的最小間隔越小，對(duì)應(yīng)的空間頻率越大。,星點(diǎn)檢驗(yàn) 使被測(cè)鏡頭對(duì)準(zhǔn)星點(diǎn)板成像,然后通過顯微鏡觀察圖像的形狀和大小,可迅速評(píng)定出鏡頭的成像質(zhì)量好壞。,8.2 介質(zhì)的色散和光學(xué)系統(tǒng)的色差,色

2、散：介質(zhì)對(duì)不同波長（顏色）的光具有不同的折射率。 介質(zhì)的中部色散：C光與F光的折射率之差代表介質(zhì)色散的大小,點(diǎn)物不能成點(diǎn)像，而得到不同位置的單色像，某一截面為彩色彌散斑。,軸向色差：不同顏色光線的像點(diǎn)沿光軸方向的位置之差。 現(xiàn)象：彩色光斑,垂軸色差：不同顏色光線的放大率不一樣，所成像的大小差異。 對(duì)軸外點(diǎn)來說，不同色光的焦距不等時(shí)，垂軸放大 率也不相等，因而有不同像高,用不同玻璃做成正透鏡和負(fù)透鏡，組合在一起就可消除色差。,8.3 單色像差,初級(jí)像差,像差類別,,一、球差 軸上物點(diǎn)發(fā)出的光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)以后，與光軸夾不同角度的光線交光軸于不同位置，在像面上形成一個(gè)圓形彌散

3、斑，這就是球差。,軸向球差,垂軸球差,接收屏在空間沿著主光軸移動(dòng)，接收到的彌散斑都是圓形的，位置不同，彌散斑的直徑也不同 。,利用正負(fù)透鏡的組合可以消除球差。,消除球差的方法： （1）配曲（利用透鏡形狀與球差的關(guān)系消除單透鏡的像差） 改變透鏡兩球面的曲率半徑可減小單透鏡的球差。 用配曲法不可能將一個(gè)透鏡的球差完全消除。 （2）組合（正負(fù)透鏡的組合，組合方式：膠合或分離） 凸透鏡的球差是負(fù)的，凹透鏡的球差是正的。兩者粘 合組成復(fù)合透鏡，可使某個(gè)高度h上的球差完全抵消。,（3）最簡(jiǎn)單的方法 在透鏡前加一個(gè)光闌只讓近軸光線通過。,說明： 不論采取什么措施，多復(fù)雜的系統(tǒng)，一般

4、都只能對(duì)某一非近軸環(huán)節(jié)消球差，而不能同時(shí)對(duì)各種孔徑角的環(huán)節(jié)消球差?？傆幸欢ǖ氖Ｓ嗲虿?。 主要包括,其它環(huán)帶的問題 高階球差問題,,8.4 軸外像點(diǎn)的單色像差 子午面: 由主光線和光軸決定的平面 子午光線：位于子午面內(nèi)的光線 弧矢面: 過主光線并與子午面垂直的平面 弧矢光線：弧矢面內(nèi)不交光軸的光線,弧矢慧差,子午慧差,一、彗差(粗光束) -----軸外物點(diǎn)發(fā)出的粗光束，經(jīng)系統(tǒng)后所成的像對(duì)主 光線失去對(duì)稱的一種像差。 子午彗差：上下光線經(jīng)系統(tǒng)后的交點(diǎn)BT對(duì)主光線的垂直于 光軸方向的偏離KT 子午光線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： （1）子午面光線經(jīng)系統(tǒng)成像仍在子午面內(nèi); （2）由于系統(tǒng)像差

5、的存在, 對(duì)稱于主光線兩側(cè)的“子午光 線對(duì)”, 經(jīng)系統(tǒng)后,交點(diǎn)不在主光線上,也不交在理想 像面上。,子午慧差,弧矢彗差：前后光線經(jīng)系統(tǒng)后的交點(diǎn)BS到主光線的垂直于 光軸方向的距離KS 弧矢面光線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 由于系統(tǒng)像差的存在,對(duì)稱于主光線兩側(cè)的弧矢光線對(duì)經(jīng)系統(tǒng)后交點(diǎn)必然在子午面上,但不在主光線上,也不在理想像面上。 正彗差：彗星頭朝向光軸 負(fù)彗差：彗星尾巴朝向光軸,弧矢慧差,彗差圖形,子午面內(nèi),弧矢面內(nèi),慧差討論： 物點(diǎn)離光軸越遠(yuǎn)，彗差越大 對(duì)給定的離軸物點(diǎn)，成像光束愈大，彗差愈大 與透鏡的形狀和物點(diǎn)的軸向位置有關(guān) 慧差消除方法： 滿足阿貝正弦條件的光學(xué)系統(tǒng)無彗差； 配曲，適當(dāng)選取

6、透鏡的曲率半徑（形狀）和位置因子； 采用正負(fù)透鏡的膠合，能同時(shí)校正球差和彗差。,二、像散 若把光闌縮到無限小，只允許沿主光線的無限細(xì)光束通過，則彗差不存在，但是有細(xì)光束的像散和場(chǎng)曲存在。 像散：光束的子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)不重合，兩者分開的距離。 寬光束像散 細(xì)光束像散 像散的大小隨物體離開光軸的高低不同而不同 由于對(duì)稱性，像散曲面為一旋轉(zhuǎn)拋物面,影響像散的因素： 與遠(yuǎn)光束相對(duì)于光軸的傾角有關(guān) 與f和n有關(guān) 消除像散的方法： 正負(fù)透鏡象散相反，膠合后可消除； 合理確定光闌位置，使T和S兩個(gè)拋物面重合為一個(gè)拋物面 P，這個(gè)面稱為佩茲伐（Pettzval）曲面。,三、場(chǎng)曲 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)象散完全消除時(shí)

7、，即處于Pettzval曲面狀態(tài)時(shí)，垂直于光軸的平面仍然不能為平面，則稱這種像場(chǎng)彎曲為場(chǎng)曲。 像場(chǎng)彎曲的效果是不論像面在任何平面位置，像總是一部分清晰，一部分不清晰。 子午寬光束場(chǎng)曲：子午寬光束的交點(diǎn)沿光軸方向到高斯像面 的距離 子午細(xì)光束場(chǎng)曲：軸外寬光束的交點(diǎn)與細(xì)光束的交點(diǎn)沿光軸方向的偏離稱為軸外子午球差。,場(chǎng)曲影響因素： 與焦面位置和物體高度有關(guān) 與n有關(guān) 與光闌位置有關(guān) 場(chǎng)曲消除方法： 加光闌，可以減小單透鏡場(chǎng)曲 例：照相物鏡在負(fù)彎月透鏡前加光闌 組合系統(tǒng)，復(fù)雜化系統(tǒng)，適當(dāng)選擇焦距和n 將探測(cè)器面彎曲以適應(yīng)場(chǎng)曲 例：大幅航空相機(jī),四、畸

8、變 以上幾種像差的共同特點(diǎn)是： 像點(diǎn)被彌散斑所代替，破壞了像的清晰程度。 畸變并不影響像的清晰程度，但影響像和物的幾何相似性。 當(dāng)孔闌位置移動(dòng)，球差的影響,不同視場(chǎng)的主光線與高斯像面交點(diǎn)高度不等于理想像高,其差別就是系統(tǒng)的畸變。,畸變 畸變僅是像的變形，不影響像的清晰度。 有些光學(xué)系統(tǒng)只對(duì)清晰度要求高，對(duì)變形的要求可以降低 畸變產(chǎn)生原因： 光學(xué)系統(tǒng)對(duì)共軛面上不同高度的物體有不同垂軸放大率所致。不是常數(shù)，而是物高y的函數(shù) 畸變分類： 桶形畸變（負(fù)畸變），隨物高y的增大而減小 鞍形畸變（正畸變）,,,桶形畸變,鞍形畸變,8.6 用波像差評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量 適用于高像質(zhì)要求的光學(xué)系

9、統(tǒng) 理想波面：在理想成像的情況下，和理想像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波面。 波像差：實(shí)際波面與理想波面之間的光程差。 評(píng)價(jià)像質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)系統(tǒng)最大波像差 ，成像完善的。 波色差：用C光和F光波面之間的光程差表示。,瑞利判據(jù),光學(xué)傳遞函數(shù),幾何像差、 波像差：主要用于設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量 星點(diǎn)法、分辨率：生產(chǎn)過程中檢驗(yàn)樣品的實(shí)際成像質(zhì)量 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，必須試制出實(shí)際的產(chǎn)品，通過分辨率檢驗(yàn)才能確定實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的的質(zhì)量 希望找到一種對(duì)設(shè)計(jì)和使用都適用的統(tǒng)一的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),一圖像分解與合成 把物平面分解成無窮多個(gè)物點(diǎn)，每個(gè)物點(diǎn)通過光學(xué)系統(tǒng)以后，在像面上形成一個(gè)彌散斑彌散斑累加得到像面 利用傅立葉變換的方法，

10、對(duì)物平面作另一種形式的分解 把物體看作是由各種頻率的譜組成，對(duì)物體的光場(chǎng)分布函數(shù)展開成傅立葉級(jí)數(shù)或傅立葉積分 空間頻率 振幅頻譜函數(shù)（對(duì)比度） 位相頻譜函數(shù) 把物面圖形分解成余弦基元來研究光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì),傳函測(cè)量要使用光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)試儀，下圖是一臺(tái)傳函測(cè)試儀，使用時(shí)只要將被測(cè)物鏡裝夾好，將光點(diǎn)調(diào)到最小，就可以得到這個(gè)物鏡光學(xué)傳遞函曲線圖,沒有象差時(shí)的歸一化頻率響應(yīng),m=0,有象差時(shí)的OTF的頻率響應(yīng)（球差1）,有象差時(shí)的OTF的頻率響應(yīng)（球差2）,有象差時(shí)的OTF的頻率響應(yīng)（球差3）,,,四、場(chǎng)曲,當(dāng)只存在場(chǎng)曲，整個(gè)光束交于一點(diǎn)，但交點(diǎn)和理想想點(diǎn)不重合。,,,,,,,孔徑光闌,五、畸變,物

11、平面上不同部分具有不同的垂軸放大率，使像與物不相似。,H實(shí)際光線高度,h近軸光線高度,,,,,,,畸變產(chǎn)生原因： 主光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)折射存在球差,畸變不影響像平面的清晰度。, 8-5 像差曲線,8-6 波像差,把實(shí)際波面和理想波面之間的光程差，作為衡量該想點(diǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo).,瑞利準(zhǔn)則：最大波像差小于四分之一波長，則系統(tǒng)質(zhì)量與理想光學(xué)系統(tǒng)沒有顯著差別。,衍射光斑的中央亮斑直徑：,分辨率:,8-7 理想光學(xué)系統(tǒng)的分辨率,,K=0.15,對(duì)比度 :,實(shí)際上, K=0.02時(shí)人眼就能分辨出兩個(gè)像點(diǎn)，此時(shí) d=0.85R,1) 望遠(yuǎn)鏡,以能分辨開的兩物點(diǎn)對(duì)望遠(yuǎn)物鏡的張角表示.,8-8 光學(xué)系統(tǒng)的分辨率,2) 照相物鏡,以像平面上每毫米內(nèi)能分辨開的線對(duì)數(shù)N表示.,光圈數(shù)：,3) 顯微物鏡,物平面上剛能分辨開的兩物體間的最短距離表示., 8-9 光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）,原理：將物面圖形分解為各種頻率的譜（將物的亮度分布函數(shù)展開為傅立葉級(jí)數(shù)），研究光學(xué)系統(tǒng)對(duì)各種空間頻率的亮度呈余弦分布目標(biāo)的傳遞能力。,前提條件：光學(xué)系統(tǒng)符合線性和空間不變性。,: 空間頻率,,,1<2,組合系統(tǒng)：,A ：組合系統(tǒng)（2+3）的分辨率,,