像質評價技術課件

周廣麗圖書館301像質評價應用光學像質評價光學CAD主要內容光學系統(tǒng)像質評價初級像差理論自動設計原理參考書:<工程光學>李林,北京理工大學出版社<工程光學>郁道銀,機械工業(yè)出版社<工程光學設計>蕭澤新,電子工業(yè)出版社<應用光學與光學設計基礎>遲澤英,東南大學出版社1.1概述1.2光學系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)、結構參數(shù)和特性參數(shù)1.3幾何像差的定義及計算1.4用波像差評價光學系統(tǒng)的成像質量1.5用光學傳遞函數(shù)評價系統(tǒng)像質第一章光學系統(tǒng)像質評價1.1概述1.光學系統(tǒng)的作用

把目標發(fā)出的光按儀器工作原理的要求改變它們的傳播方向和位置，送入儀器的接收器，從而獲得目標的改變信息，包括目標的幾何形狀、改變強弱等。2.對光學系統(tǒng)成像性能的要求：（1）光學性能：焦距、物距、像距、放大率等。（2）成像質量：像應該清晰，物像相似，變形要小。1.2光學系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)、結構參數(shù)和特性參數(shù)1.常用量的符號及符號規(guī)則與《應用光學》中相同。2.共軸光學系統(tǒng)的結構參數(shù)系統(tǒng)中每個曲面的形狀可表示為：c為曲面頂點的曲率；K為二次曲面系數(shù)；a4,a6,…a2n為高次曲面系數(shù)。不同的面形，對應不同的面形系數(shù)，例如:球面:K=1，a4=a6=…=a2n=0；二次曲面:K≠1，a4=a6=…=a2n=0。K值K<0K=00<K<1K=1K>1面形雙曲面拋物面橢球面球面扁球面二次曲面面型3.光學特性參數(shù)（1）物距L(2)物高y或視場角ω當物平面位于有限距離時,成像范圍用物高y表示;當物平面位于有限遠時,成像范圍用視場角ω表示.(3)物方孔徑角正弦sinU或光束孔徑高h

當物平面位于有限距離時,光束孔徑用軸上點邊緣光線和光軸夾角U的正弦sinU表示;當物平面位于無限遠時,光束孔徑用軸向平行光束的邊緣光線孔徑高h表示.(5)漸暈表示系統(tǒng)漸暈狀況的兩種方式:漸暈系數(shù)法每個通光孔的實際通光半徑建立系統(tǒng)的一般步驟建立初始結構輸入軟件評價系統(tǒng)質量好完成不好自動化修改查手冊查專利自己建1.3幾何像差的定義及計算幾何像差：通過對空間光線的追跡得到基礎：立體幾何正弦函數(shù)的級數(shù)展開為：1.軸上物點相同孔徑的光線，像距相同不同孔徑的光線，像距不同（1）軸上物點的單色像差

軸向球差：出射波面偏離球面波之差軸上點發(fā)出的同心光束經(jīng)光學系統(tǒng)各球面折射后不再為同心光束，不同孔徑角的光線交光軸于不同位置上，相對于理想像點的位置有不同的偏離。垂軸球差：a)球差的函數(shù)表達式：b)消球差的方法正透鏡產(chǎn)生負球差負透鏡產(chǎn)生正球差球差的分布式：在近軸區(qū)：每個面上的初級球差分布系數(shù)：SI=luni(i-i’)(i’-u)初級球差：習題：一個光學系統(tǒng)，已知其只包含初級和二級球差，更高級的球差可忽略不計。已知該系統(tǒng)的邊光球差δLm’=0，0.707帶光球差δL0.707’=-0.015，求：（1）表示出此系統(tǒng)的球差隨相對高度h/hm的展開式，并計算0.5和0.85帶光線的球差；（2）邊緣光的初級球差和高級球差；（3）最大的剩余球差出現(xiàn)在哪一高度帶上？數(shù)值是多少？（2）軸上物點的色差薄透鏡：波長的選取隨儀器所用的光能接收器的不同而改變：用人眼觀察的目視光學儀器采用C（656.28nm），D（589.30nm），F(xiàn)（486.13nm）3種波長。用感光底片接收的照相機鏡頭，采用C，D，G（435.83nm）3種波長。近軸位置色差：不同顏色光線理想像點之差。通常用C和F兩種波長光線的理想像平面間的距離來表示近軸位置色差，也稱為近軸軸向色差。當孔徑變大時

ΔLFC’(h)=LF’(h)-LC’(h)軸向色差2.軸外像點的像差軸上點：子午面與弧失面光線分布一樣軸外點：弧失光線對稱于子午面，子午面內光線光束的對稱性被破壞。（1）子午像差子午場曲XT’子午慧差KT’細光束子午場曲xt’軸外子午球差δLT’=XT’-xt’子午像差---跟物高有關隨著物高（視場）的增大，子午光線的不對稱性增大。子午像差跟孔徑有關---全孔徑子午像差跟孔徑有關---0.7孔徑子午像差跟孔徑有關---0.5孔徑子午像差跟孔徑有關---0.3孔徑子午像差跟孔徑有關-----慧差隨光束孔徑減少，迅速減到0場曲隨孔徑減少，最終不一定為0，而為定值-----細光束子午場曲?？偨Y（2）弧失像差弧失場曲XS’

弧失慧差KS’細光束弧失場曲xs’

軸外弧失球差δLS’=XS’-xs’弧失像差下為弧失光線對弧失像差與孔徑關系同子午像差，即：慧差隨光束孔徑減少，迅速減到0場曲隨孔徑減少，最終不一定為0，而為定值-----細光束弧失場曲。像散（3）主光線像差---畸變

畸變由主光線的球差產(chǎn)生，z為軸上點，其近軸像點位于z’，實際像點位于z’’?；?---種類垂軸放大率與視場有關，并非常數(shù)。正畸變：枕形畸變負畸變：桶形畸變垂軸色差：不同顏色光線的主光線和同一基準像面交點高度（即實際像高）之差。3.幾何像差的垂軸表示法幾何像差的另一種表示方法：用不同孔徑子午、弧失光線在理想像面上的交點和主光線在理想像面上的交點間的距離來表示。a)若兩者同號,肯定存在慧差b)若兩者異號,且δy’(-h,y)+δy’(h,y)=0,不存在慧差a)一般情況b)若弧失光線對交點在主光線上c)若δx’(-h,y)=0;δx’(h,y)=0,則場曲為0子午垂軸像差與幾何像差的關系4.Seidal像差理論Seidal像差理論(h,θ)為入瞳極坐標,y為物高(視場)第一項為球差,第二項為慧差第三項為像散和場曲,第四項為畸變.垂軸像差和獨立幾何像差與孔徑和視場的關系垂軸像差/獨立幾何像差h(次方)y’(次方)球差δL’30慧差KS’KT’21像散xts’12場曲xt’xs’12畸變δyz’031.4用波像差評價光學系統(tǒng)的成像質量實際波面和理想波面之間的光程差稱為波像差。AA‘如果最大波像差小于四分之一波長，則實際光學系統(tǒng)的質量與理想光學系統(tǒng)沒有顯著差別，這是長期以來評價高質量光學系統(tǒng)的一個經(jīng)驗標準，稱為瑞利標準。1.5用光學傳遞函數(shù)評價系統(tǒng)像質用MTF曲線來評價成像質量用MTF曲線的積分值來評價成像質量傳遞函數(shù)與離焦量的關系第二章、薄透鏡系統(tǒng)的初級像差理論2.1概述2.2薄透鏡系統(tǒng)的初級像差方程組2.3薄透鏡組像差的普遍性質2.4像差特性參數(shù)的P、W、C的規(guī)化2.5薄透鏡的和結構參數(shù)的關系2.6雙膠合透鏡組結構參數(shù)的求解2.7平行玻璃板的初級像差公式2.8光學系統(tǒng)消場曲的條件—petzval條件2.1概述2.薄透鏡的概念如果一個透鏡組的厚度和它的焦距比較可以忽略，這樣的透鏡組稱為薄透鏡組。由若干個薄透鏡組構成的系統(tǒng)，稱為薄透鏡系統(tǒng)（透鏡組之間的間隔可以是任意的）2.薄透鏡系統(tǒng)的初級像差方程組已知:φ1,φ2

,φ,d1,u,u’第一輔助光線:h1,h2第二輔助光線:hz1,hz2外部參數(shù)(與具體結構參數(shù)(r,d,n)無關)薄透鏡系統(tǒng)的初級像差方程組對薄透鏡組求和其中的參數(shù):對單透鏡求和像差方程組的用途可以得到薄透鏡組的像差性質已知像差的數(shù)值,反求結構參數(shù)2.3薄透鏡組像差的普遍性質2.3.1薄透鏡組的單色像差性質1.一個薄透鏡組只能校正兩種初級單色像差2.光闌位置對像差的影響（1）球差與hz無關，所以光闌位置對球差沒有影響。（2）慧差慧差與光闌位置有關。但球差為零時，慧差即與光闌位置無關。（3）像散像散與光闌位置有關，但球差、慧差都為零時，像散與光闌位置無關。（4）光闌和薄透鏡組重合時hz=0像散與透鏡組的結構無關，無法校正。（5）光闌和薄透鏡組重合時畸變?yōu)榱?。?）單透鏡的petzval場曲xp’對單透鏡組來說，xp’與結構無關。2.3.2薄透鏡組的色差性質1.一個薄透鏡組消除了軸向色差必然同時消除垂軸色差。2.薄透鏡組必須采用不同材料的玻璃組合消色差。3.消色差的條件和物體位置無關。2.4像差特性參數(shù)P,W,C的規(guī)化物距焦距入射高保持透鏡組的幾何形狀相似∞11（1）P,W對f’的規(guī)化薄透鏡系統(tǒng)的求解過程外形尺寸計算根據(jù)對系統(tǒng)的像差要求,列出初級像差方程組求解方程組得到系統(tǒng)中每個薄透鏡組的像差特性參數(shù)P,W,C經(jīng)過規(guī)化,求出求出每個透鏡組的結構參數(shù)2.5單透鏡的和結構參數(shù)的關系例：有一平凸透鏡，焦距f’=4000mm，玻璃材料為K9(n=1.5163，γ=64.1)用作平行光管物鏡，如下圖。通光口徑D=160，求該透鏡的初級球差、慧差和軸向色差。由表3-1用插值法得到n=1.5163時的P0，Q0值為：P0=2.05，Q0=-1.26由于透鏡為平凸形，并且凸面向前，所以C2=0，代入公式Q=C2