光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)

光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)第一頁，共五十頁，2022年，8月28日分辨率檢驗(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。第二頁，共五十頁，2022年，8月28日星點(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。第三頁，共五十頁，2022年，8月28日8.2介質(zhì)的色散和光學(xué)系統(tǒng)的色差色散：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CdFlFlCyFyc第四頁，共五十頁，2022年，8月28日

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。第五頁，共五十頁，2022年，8月28日軸向色差：不同顏色光線的像點(diǎn)沿光軸方向的位置之差?，F(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。第六頁，共五十頁，2022年，8月28日8.3單色像差

初級(jí)像差像差類別第七頁，共五十頁，2022年，8月28日一、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)圓形彌散斑，這就是球差。近軸像平面軸向球差垂軸球差第八頁，共五十頁，2022年，8月28日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。第九頁，共五十頁，2022年，8月28日消除球差的方法：（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。第十頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）最簡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①其它環(huán)帶的問題②高階球差問題第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日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第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日一、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。第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日子午慧差第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日弧矢彗差：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：彗星尾巴朝向光軸第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日弧矢慧差第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日彗差圖形子午面內(nèi)弧矢面內(nèi)第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日慧差討論：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。第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日二、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)拋物面第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日影響像散的因素：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。第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日三、場(chǎng)曲當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)象散完全消除時(shí)，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。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日?qǐng)銮绊懸蛩兀号c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)第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日四、畸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?；儾⒉挥绊懴竦那逦潭?，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。第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日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。β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），β隨物高y的增大而減小鞍形畸變（正畸變）第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日桶形畸變鞍形畸變第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日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)第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日光學(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)第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日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，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)第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日傳函測(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)傳遞函曲線圖第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日沒有象差時(shí)的歸一化頻率響應(yīng)m=0第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日有象差時(shí)的OTF的頻率響應(yīng)（球差1）第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日有象差時(shí)的OTF的頻率響應(yīng)（球差2）第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日有象差時(shí)的OTF的頻率響應(yīng)（球差3）第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日四、場(chǎng)曲y/hzP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。理想像面孔徑光闌第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日H’>h’,H’<h’(枕形畸變)(桶形畸變)五、畸變物平面上不同部分具有不同的垂軸放大率，使像與物不相似。第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日H’—實(shí)際光線高度h’—近軸光線高度物高畸變?nèi)胪儺a(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。第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日§8-5像差曲線第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日§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)量優(yōu)劣的指標(biāo).幾何像差波像差實(shí)際波面理想波面瑞利準(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。第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日衍射光斑的中央亮斑直徑：分辨率:§8-7理想光學(xué)系統(tǒng)的分辨率第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日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第四十五頁，共五十頁，2022年，8月28日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)：第四十六頁，共五十頁，2022年，8月28日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.第四十七頁，共五十頁，2022年，8月28日§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