光学系统成像质量评价课件.ppt

1、第八章第八章 光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价8.1 概述概述像质评价标准：像质评价标准：清晰、物像相似、变形小像差：像差：实际像与理想像之间的差异像质评价方法像质评价方法系统制造完成后系统制造完成后系统设计阶段系统设计阶段分辨率检验分辨率检验星点检验星点检验几何光学方法几何光学方法物理光学方法物理光学方法几何方法：几何方法：几何像差、波像差、点列图、几何光学传递函数物理方法物理方法：扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数分辨率检验分辨率检验 分辨率板分辨率板 空间频率空间频率(lp/mm)每毫米能分辨的线对数光学系统分辨率越高，能分辨的最光学系统分辨率越高，能分辨的最小间隔越小，对

2、应的空间频率越大。小间隔越小，对应的空间频率越大。星点检验星点检验 使被测镜头对准星点板成像,然后通过显微镜观察图像的形状和大小,可迅速评定出镜头的成像质量好坏。8.2 介质的色散和光学系统的色差介质的色散和光学系统的色差色散：色散：介质对不同波长（颜色）的光具有不同的折射率。介质的中部色散介质的中部色散：C光与F光的折射率之差代表介质色散的大小CdFlFlCyFyczFyzCy 点物不能成点像点物不能成点像，而得到不同位置的单色像，某一截面为彩色弥散斑。轴向色差：轴向色差：不同颜色光线的像点沿光轴方向的位置之差。现象：彩色光斑CFFClllzCzFFCyyy垂轴色差：垂轴色差：不同颜色光线的

3、放大率不一样，所成像的大小差异。对轴外点来说，不同色光的焦距不等时，垂轴放大 率也不相等，因而有不同像高用不同玻璃做成正透镜和负透镜，组合在一起就可消除色差。用不同玻璃做成正透镜和负透镜，组合在一起就可消除色差。8.3 单色像差单色像差 初级像差初级像差像差类别像差类别UUUtansin1cosU.1523tan.!4!21cos.!5!3sin534253UUUUUUUUUUU一、球差一、球差 轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。近轴像近轴像平面平面lLLjULTtan轴向球差轴向球差垂轴球差垂轴球差 接收屏在空

4、间沿着主光轴移动，接收到的弥散斑都是圆形的，位置不同，弥散斑的直径也不同。利用正负透镜的组合可以消除球差。利用正负透镜的组合可以消除球差。消除球差的方法：消除球差的方法：（1）配曲）配曲（利用透镜形状与球差的关系消除单透镜的像差）改变透镜两球面的曲率半径可减小单透镜的球差。用配曲法不可能将一个透镜的球差完全消除。（2）组合）组合（正负透镜的组合，组合方式：胶合或分离）凸透镜的球差是负的，凹透镜的球差是正的。两者粘 合组成复合透镜，可使某个高度h上的球差完全抵消。（3）最简单的方法）最简单的方法 在透镜前加一个光阑只让近轴光线通过。在透镜前加一个光阑只让近轴光线通过。说明：不论采取什么措施，多复

5、杂的系统，一般都只能对某一非近轴环节消球差，而不能同时对各种孔径角的环节消球差。总有一定的剩余球差。主要包括 其它环带的问题 高阶球差问题8.4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差 子午面子午面:由主光线和光轴决定的平面 子午光线子午光线：位于子午面内的光线 弧矢面弧矢面:过主光线并与子午面垂直的平面 弧矢光线弧矢光线：弧矢面内不交光轴的光线弧矢慧差弧矢慧差子午慧差子午慧差一、彗差一、彗差(粗光束)-轴外物点发出的粗光束，经系统后所成的像对主 光线失去对称的一种像差。子午彗差：子午彗差：上下光线经系统后的交点BT对主光线的垂直于 光轴方向的偏离KT子午光线的结构特点子午光线的结构特点：（1）

6、子午面光线经系统成像仍在子午面内;（2）由于系统像差的存在,对称于主光线两侧的“子午光 线对”,经系统后,交点不在主光线上,也不交在理想 像面上。子午慧差子午慧差弧矢彗差弧矢彗差：前后光线经系统后的交点BS到主光线的垂直于 光轴方向的距离KS弧矢面光线的结构特点弧矢面光线的结构特点:由于系统像差的存在,对称于主光线两侧的弧矢光线对经系统后交点必然在子午面上,但不在主光线上,也不在理想像面上。正彗差正彗差：彗星头朝向光轴负彗差：负彗差：彗星尾巴朝向光轴弧矢慧差弧矢慧差彗差图形彗差图形子午面内子午面内弧矢面内弧矢面内慧差讨论：慧差讨论：物点离光轴越远，彗差越大对给定的离轴物点，成像光束愈大，彗差愈

7、大与透镜的形状和物点的轴向位置有关慧差消除方法：慧差消除方法：满足阿贝正弦条件的光学系统无彗差；配曲，适当选取透镜的曲率半径（形状）和位置因子；采用正负透镜的胶合，能同时校正球差和彗差。二、像散二、像散 若把光阑缩到无限小，只允许沿主光线的无限细光束通过，则彗差不存在，但是有细光束的像散和场曲存在。像散：像散：光束的子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的距离。宽光束像散细光束像散像散的大小随物体离开光轴的高低不同而不同由于对称性，像散曲面为一旋转抛物面影响像散的因素：影响像散的因素：与远光束相对于光轴的倾角有关与f和n有关消除像散的方法消除像散的方法：正负透镜象散相反，胶合后可消除；合理确定光阑

8、位置，使T和S两个抛物面重合为一个抛物面 P，这个面称为佩兹伐（Pettzval）曲面。tstsxxx三、场曲三、场曲 当一个系统象散完全消除时，即处于Pettzval曲面状态时，垂直于光轴的平面仍然不能为平面，则称这种像场弯曲为场曲。像场弯曲的效果是不论像面在任何平面位置，像总是一部分清晰，一部分不清晰。子午宽光束场曲子午宽光束场曲：子午宽光束的交点沿光轴方向到高斯像面 的距离子午细光束场曲：子午细光束场曲：轴外宽光束的交点与细光束的交点沿光轴方向的偏离称为轴外子午球差。场曲影响因素：场曲影响因素：与焦面位置和物体高度有关与n有关与光阑位置有关场曲消除方法：场曲消除方法：加光阑，可以减小单透

9、镜场曲 例：照相物镜在负弯月透镜前加光阑组合系统，复杂化系统，适当选择焦距和n将探测器面弯曲以适应场曲 例：大幅航空相机四、畸变四、畸变以上几种像差的共同特点是以上几种像差的共同特点是：像点被弥散斑所代替，破坏了像的清晰程度。畸变并不影响像的清晰程度，但影响像和物的几何相似性。畸变并不影响像的清晰程度，但影响像和物的几何相似性。当孔阑位置移动，球差的影响,不同视场的主光线与高斯像面交点高度不等于理想像高,其差别就是系统的畸变。畸变畸变畸变仅是像的变形，不影响像的清晰度。有些光学系统只对清晰度要求高，对变形的要求可以降低畸变产生原因畸变产生原因：光学系统对共轭面上不同高度的物体有不同垂轴放大率所

10、致。不是常数，而是物高y的函数畸变分类：畸变分类：桶形畸变（负畸变），随物高y的增大而减小鞍形畸变（正畸变）桶形畸变桶形畸变鞍形畸变鞍形畸变8.6 8.6 用波像差评价光学系统的成像质量用波像差评价光学系统的成像质量 适用于高像质要求的光学系统理想波面：理想波面：在理想成像的情况下，和理想像点对应的波面。波像差：波像差：实际波面与理想波面之间的光程差。评价像质标准评价像质标准：当系统最大波像差 ，成像完善的。波色差波色差：用C光和F光波面之间的光程差表示。4瑞利判据瑞利判据光学传递函数几何像差、波像差：主要用于设计阶段评价系统的设计质量星点法、分辨率：生产过程中检验样品的实际成像质量光学系统设

11、计完成以后，必须试制出实际的产品，通过分辨率检验才能确定实际光学系统的的质量希望找到一种对设计和使用都适用的统一的像质评价指标一图像分解与合成 把物平面分解成无穷多个物点，每个物点通过光学系统以后，在像面上形成一个弥散斑弥散斑累加得到像面 利用傅立叶变换的方法，对物平面作另一种形式的分解 把物体看作是由各种频率的谱组成，对物体的光场分布函数展开成傅立叶级数或傅立叶积分 空间频率 振幅频谱函数（对比度）位相频谱函数把物面图形分解成余弦基元来研究光学系统的成像性质 传函测量要使用光学传递函数测试仪，下图是一台传函测试仪，使用时只要将被测物镜装夹好，将光点调到最小，就可以得到这个物镜光学传递函曲线图

12、 没有象差时的归一化频率响应没有象差时的归一化频率响应m=0有象差时的有象差时的OTFOTF的频率响应的频率响应（球差（球差1 1）有象差时的有象差时的OTFOTF的频率响应的频率响应（球差（球差2 2）有象差时的有象差时的OTFOTF的频率响应的频率响应（球差（球差3 3）y/hzPxP,0tsptsxxxx 当只存在场曲，整个光束交于一点，当只存在场曲，整个光束交于一点，但交点和理想想点不重合。但交点和理想想点不重合。ACBAB1B1B理想理想像面像面孔径孔径光阑光阑Hh,Hh(枕形畸变枕形畸变)(桶形畸变桶形畸变)物平面上不同部分具有不同的垂轴物平面上不同部分具有不同的垂轴放大率，使像与

13、物不相似。放大率，使像与物不相似。100%hHqhH实际光线高度实际光线高度h近轴光线高度近轴光线高度物高物高畸变畸变BzBz入瞳入瞳zBhH畸变产生原因畸变产生原因：主光线经光学系统折射存在球差主光线经光学系统折射存在球差畸变不影响像平面的清晰度。畸变不影响像平面的清晰度。8-5 像差曲线像差曲线8-6 波像差波像差 把实际波面和理想波面之间的光程差，把实际波面和理想波面之间的光程差，作为衡量该想点质量优劣的指标作为衡量该想点质量优劣的指标.几何像差几何像差实际波面实际波面理想波面理想波面瑞利准则：最大波像差瑞利准则：最大波像差小于小于四分之一波长四分之一波长，则，则系统质量与理想光学系系统

14、质量与理想光学系统没有显著差别。统没有显著差别。maxsin22.12UnR衍射光斑的中央亮斑直径：衍射光斑的中央亮斑直径：1S2SRdmaxsin61.0UnRd分辨率分辨率:Rd dRdRminmaxminmaxIIIIKK=0.15对比度对比度:实际上实际上,K=0.02时人眼就能分辨时人眼就能分辨出两个像点，此时出两个像点，此时 d=0.85R1)望远镜望远镜D22.1以能分辨开的两物点对望远物镜的张角表示以能分辨开的两物点对望远物镜的张角表示.Dnm014,555 8-8 光学系统的分辨率光学系统的分辨率2)照相物镜照相物镜FN22.11以像平面上每毫米内能分辨开的线对数以像平面上每

15、毫米内能分辨开的线对数N表示表示.1500555,(/)nm Nlp mmF如果光圈数：光圈数：fFD3)显微物镜显微物镜 物平面上刚能分辨开的两物体间的物平面上刚能分辨开的两物体间的最短距离表示最短距离表示.NA61.0 8-9 光学传递函数（光学传递函数（OTF）原理原理：将物面图形分解为各种频率的谱（将物：将物面图形分解为各种频率的谱（将物的亮度分布函数展开为傅立叶级数），研究光的亮度分布函数展开为傅立叶级数），研究光学系统对各种空间频率的亮度呈余弦分布目标学系统对各种空间频率的亮度呈余弦分布目标的传递能力。的传递能力。前提条件前提条件：光学系统符合线性和空间不变性。：光学系统符合线性和空间不变性。OTFMTF:调制传递函数调制传递函数PTF:相位传递函数相位传递函数iPTFOTFMTF eKMTFK像物PTFMTF1.00.0:空间频率空间频率MTF成像质量成像质量MTFst707.01.0MTFts0.11.01 12 2物物像像光学光学系统系统光学光学系统系统1 1 2 2m接收器的接收器的阈值曲线阈值曲线Am截止频率截止频率,0mMTF组合系统：组合系统：12()MTFMTF MTFA：组合系统（：组合系统（2+3）的分辨率）的分辨率