光学系统的像质评价.pptx
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1、第九章第九章 光学系统的像质评价光学系统的像质评价光学系统成像质量的主要评价方法:光学系统成像质量的主要评价方法:瑞利(瑞利(ReyleighReyleigh)判断)判断和波前图和波前图 中心点亮度中心点亮度和能量包容图和能量包容图分辨率分辨率与点扩散函数与点扩散函数星点检测法和星点检测法和点列图点列图光学传递函数光学传递函数1 1、设计阶段设计阶段:通过大量计算对系统的成像情况进行仿真模拟。:通过大量计算对系统的成像情况进行仿真模拟。不考虑衍射不考虑衍射时,成像质量主要与系统像差大小有关,可利用几何光学方时,成像质量主要与系统像差大小有关,可利用几何光学方法,通过大量的光路追迹计算来评价成像
2、质量。法,通过大量的光路追迹计算来评价成像质量。考察对象考察对象有几何像差、波像差等。有几何像差、波像差等。存在衍射存在衍射时,提出了多种基于衍射理论的评价方法,如瑞利判断、点列时,提出了多种基于衍射理论的评价方法,如瑞利判断、点列图及绘制实际成像波面或光学传递函数曲线等。图及绘制实际成像波面或光学传递函数曲线等。像质像质评价的两个阶段评价的两个阶段 各种方法都有其优点、缺点和适用范围,要综合使用多种评价方法才各种方法都有其优点、缺点和适用范围,要综合使用多种评价方法才能客观、全面地反映成像质量。能客观、全面地反映成像质量。2 2、产品鉴定阶段产品鉴定阶段:样品加工装配后、大批量生产之前,通过
3、严格的实验来:样品加工装配后、大批量生产之前,通过严格的实验来检测其实际成像效果。检测其实际成像效果。考察方法有考察方法有分辨率检验、星点检验和光学传递函数测量等。分辨率检验、星点检验和光学传递函数测量等。1 1、光学特性光学特性:焦距、物距、像距、放大率、:焦距、物距、像距、放大率、入入瞳位置、瞳位置、入入瞳距离等。瞳距离等。2 2、成像质量成像质量:成像应该足够清晰,物像相似,变形要小。:成像应该足够清晰,物像相似,变形要小。光学系统成像性能的两种要求光学系统成像性能的两种要求 像差总是存在的,没有必要也不可能校正所有像差。对像质的评价像差总是存在的,没有必要也不可能校正所有像差。对像质的
4、评价要讨论光学系统所允许存在的剩余像差及像差公差的范围。要讨论光学系统所允许存在的剩余像差及像差公差的范围。像质评价的相对性像质评价的相对性光学系统的像差分析与计算光学系统的像差分析与计算 光学设计时,有两种观点:一种主张光学设计时,有两种观点:一种主张以像差理论为基础以像差理论为基础,根据对光学,根据对光学系统的质量要求,用像差表达式,特别是用三级像差表达式来求解光学系系统的质量要求,用像差表达式,特别是用三级像差表达式来求解光学系统的初始结构,然后计算光线并统的初始结构,然后计算光线并求出像差,对其结果进行分析求出像差,对其结果进行分析。若不符合。若不符合要光,可利用弯曲半径,更换玻璃、改
5、变光焦度分配等校正像差的手段,要光,可利用弯曲半径,更换玻璃、改变光焦度分配等校正像差的手段,进行像差平衡,直到获得满意的结果。若得不到满意的结果,则需重新求进行像差平衡,直到获得满意的结果。若得不到满意的结果,则需重新求解初始结构,而后再重复上述的过程,直到取得满意的结果。解初始结构,而后再重复上述的过程,直到取得满意的结果。另一种观点是从另一种观点是从现存的光学系统的结构现存的光学系统的结构中找寻适合于使用要求的结构中找寻适合于使用要求的结构,然后,然后计算光线,分析像差,计算光线,分析像差,采用弯曲半径,增加或减少透镜个数等校正采用弯曲半径,增加或减少透镜个数等校正像差的手段,消除和平衡
6、像差,直到获得满意的结果。这种方法需要计算像差的手段,消除和平衡像差,直到获得满意的结果。这种方法需要计算大量的光线,同时需要光学设计者有较丰富的设计经历和经验。大量的光线,同时需要光学设计者有较丰富的设计经历和经验。通常把二者结合起来通常把二者结合起来。第一节第一节 瑞利瑞利(Reyleigh)判断和波前图判断和波前图 瑞瑞利利判判断断是是根根据据成成像像波波面面相相对对理理想想球球面面波波的的变变形形程程度度来来判判断断光光学学系系统统的的成成像像质质量量。瑞瑞利利认认为为“实实际际波波面面与与参参考考球球面面波波之之间间的的最最大大波波像像差差不不超超过过/4/4时时,光学系统的成像质量
7、是良好的光学系统的成像质量是良好的”。优点优点:便于实际应用,因波像差与几何像差间的计算关系比较简单。:便于实际应用,因波像差与几何像差间的计算关系比较简单。不不足足:它它只只考考虑虑波波像像差差的的最最大大允允许许公公差差,没没有有考考虑虑缺缺陷陷部部分分在在整整个个波波面面面面积积中中所所占占的的比比重重。例例如如透透镜镜中中的的小小汽汽泡泡或或表表面面划划痕痕等等,可可能能在在某某一一局局部部会会引引起起很很大大的的波波像像差差,按按照照瑞瑞利利判判断断,这这是是不不允允许许的的。但但实实际际成成像像中中,局局部部极极小区域的缺陷对光学系统的成像影响并不明显。小区域的缺陷对光学系统的成像
8、影响并不明显。1 1、瑞利判断、瑞利判断2 2、波前图、波前图用现代计算机软件绘制而得的实际波面的变形程度图。用现代计算机软件绘制而得的实际波面的变形程度图。不不同同视视场场物物点点在在出出瞳瞳位位置置的的波波像像差差。上上为为灰灰度度图图,下下为为等等高高线线表表示示。设计者既能了解波面变形程度,也能了解变形的面积大小。设计者既能了解波面变形程度,也能了解变形的面积大小。瑞瑞利利判判断断是是一一种种较较严严格格的的像像质质评评价价方方法法,主主要要适适用用于于小小像像差差系系统统,如如望望远物镜、显微物镜、微缩物镜和制版物镜等对成像质量要求较高的远物镜、显微物镜、微缩物镜和制版物镜等对成像质
9、量要求较高的系统系统图图9-1 望远物镜波像差计算实例望远物镜波像差计算实例 瑞利判断是根据成像波面的变形程度来判断成像质量的,而中心点亮度是依据光学系统存在像差时,其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表示光学系统的成像质量的,比值用S.D来表示。当S.D0.8时,认为光学系统的成像质量是完善的,称斯托列尔准则。瑞利判断和中心点亮度是从不同角度提出来的像质评价方法,但研究表明,对一些常用的像差形式,当最大波像差为/4时,其中心点亮度约等于0.8,这说明上述二种评价成像质量的方法是一致的。斯托列尔准则同样是一种高质量的像质评价标准,它也只适用于小像差光学系统。但由于其计算相
10、当复杂,在实际中不便应用。第二节、中心点亮度和能量包容图第二节、中心点亮度和能量包容图1、中心点亮度、中心点亮度2 2、能量包容图、能量包容图 以高斯像点或能量弥散斑的中心为圆心画圆,随着半径的增大圆形区以高斯像点或能量弥散斑的中心为圆心画圆,随着半径的增大圆形区域内包含的像点能量也增多,称之为能量包容图。其中横坐标表示以高斯域内包含的像点能量也增多,称之为能量包容图。其中横坐标表示以高斯像点为中心的包容圆的半径,纵坐标表示该包容圆所包容的能量。虚线代像点为中心的包容圆的半径,纵坐标表示该包容圆所包容的能量。虚线代表只考虑衍射影响时的像点能量分布情况,实线则代表存在像差时像点的表只考虑衍射影响
11、时的像点能量分布情况,实线则代表存在像差时像点的实际能量分布情况。两条曲线越接近表明光学系统的像差越小,中心点亮实际能量分布情况。两条曲线越接近表明光学系统的像差越小,中心点亮度也越高。度也越高。中心点亮度指标表明中央亮斑损失了多少能量,而能量包容图完整中心点亮度指标表明中央亮斑损失了多少能量,而能量包容图完整地显示这些能量弥散到了什么位置,从而能获取更多信息,地显示这些能量弥散到了什么位置,从而能获取更多信息,同时适用于同时适用于大像差系统(如照相物镜)和小像差系统大像差系统(如照相物镜)和小像差系统。第三节第三节 分辨率与点扩散函数分辨率与点扩散函数 瑞瑞利利指指出出“能能分分辨辨的的二二
12、个个等等亮亮度度点点间间的的距距离离对对应应艾艾里里斑斑的的半半径径”,即即一一个个亮亮点点的的衍衍射射图图案案中中心心与与另另一一个个亮亮点点的的衍衍射射图图案案的的第第一一暗暗环环重重合合时时,这这二二个个亮亮点点则则能能被被分分辨辨。此此时时在在二二个个衍衍射射图图案案光光强强分分布布的的迭迭加加曲曲线线中中有有二二个个极极大大值值和和一一个个极极小小值值,极极大大值值与与极极小小值值之之比比为为1:0.7351:0.735,与与光光能能接接收收器器(如如眼眼睛睛或或照照相相底底板板)能能分分辨辨的的亮亮度度差差别别相相当当。若若二二亮亮点点更更靠靠近近时时,光光能能接接收收器器就就不不
13、能能再再分分辨辨出出它它们们是是分离开的二点了。分离开的二点了。分分辨辨率率是是反反映映光光学学系系统统能能分分辨辨物物体体细细节节的的能能力力,是是一一个个很很重重要要的的性性能能,也可以用作光学系统的成像质量评价方法。也可以用作光学系统的成像质量评价方法。1 1、分辨率、分辨率该方法的不完善性:该方法的不完善性:像差可降低光学系统的分辨率,故只适用于像差可降低光学系统的分辨率,故只适用于大像差光学系统大像差光学系统。检测结果与实际情况常存在差异。检测结果与实际情况常存在差异。用用于于分分辨辨率率检检测测的的鉴鉴别别率率板板为为黑黑白白相相间间的的条条纹纹,这这与与实实际际物物体体的的亮亮度
14、背景有着很大的差别;度背景有着很大的差别;照明条件和接收器不同时,同一光学系统检测结果也不相同。照明条件和接收器不同时,同一光学系统检测结果也不相同。分辨率不能完全体现分辨范围内分辨质量的好坏。分辨率不能完全体现分辨范围内分辨质量的好坏。因对比度反转有时会造成因对比度反转有时会造成“伪分辨现像伪分辨现像”。用用分分辨辨率率来来评评价价光光学学系系统统的的成成像像质质量量不不是是一一种种严严格格而而可可靠靠的的像像质质评评价价方方法法,但但由由于于其其指指标标单单一一,且且便便于于测测量量,在在光光学学系系统统的的像像质质检检测测中中得得到到了了广泛应用。广泛应用。用分辨率评价光学系统成像质量的
15、特点:用分辨率评价光学系统成像质量的特点:ISO12233 Test Chart(ISO12233标准分辨率测试卡标准分辨率测试卡)最新版解像力测试图最新版解像力测试图 Digital CINE Camera Resolution Chart(Digital CINE Camera Resolution Chart(数码电影模式分辨率测试卡数码电影模式分辨率测试卡)2 2、点扩散函数、点扩散函数(point spread function)光光学学系系统统输输入入物物为为一一点点光光源源时时其其输输出出像像的的光光场场分分布布,称称为为点点扩扩散散函函数数。在在数数学学上上点点光光源源可可用用
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