第九章像質(zhì)評價與像差公差課件分解

第九章像質(zhì)評價與像差公差課件分解第一頁，編輯于星期日：點二十一分。第1頁，共24頁。§9-1瑞利判斷和中心點亮度由前面知識，在不考慮衍射現(xiàn)象影響時，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量主要與系統(tǒng)的像差大小有關(guān)，因此設(shè)計任何光學(xué)系統(tǒng)時都必須考慮像差的校正。但任何光學(xué)系統(tǒng)都不可能也沒必要把所有像差都校正掉，因此存在剩余像差及其公差，有必要提出光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評價方法。一、瑞利判斷瑞利認(rèn)為“實際波面與參考球面波之間的最大波像差不超過λ/4時，此波面可看作是無缺陷的”，即瑞利判斷。它依據(jù)成像波面相對理想球面波的變形程度來判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的。并給出最大波像差公差：W<λ/4時，成像質(zhì)量是良好的。2第二頁，編輯于星期日：點二十一分。第2頁，共24頁。優(yōu)點：便于實際應(yīng)用。只要計算出幾何像差曲線，再對其積分就可得到波像差，即可判斷成像的優(yōu)劣。同時還可用它求出幾何像差的公差。缺點：不夠嚴(yán)密，沒有考慮局部缺陷在整個波面面積中的分量。適用范圍：是一種較為嚴(yán)格的像質(zhì)評價方法，適用于小像差光學(xué)系統(tǒng)，如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等對像質(zhì)要求較高的系統(tǒng)。二、中心點亮度依據(jù)：光學(xué)系統(tǒng)存在像差時，其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時衍射斑的中心亮度之比來表示光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的。即斯托列爾準(zhǔn)則：S.D≥0.8時，認(rèn)為像質(zhì)是完善的。缺點：計算復(fù)雜，不便實際應(yīng)用。3第三頁，編輯于星期日：點二十一分。第3頁，共24頁。優(yōu)點：在評價成像質(zhì)量上和瑞利判斷一致。適用范圍：也是一種高質(zhì)量的像質(zhì)評價方法，只適用于小像差光學(xué)系統(tǒng)。4第四頁，編輯于星期日：點二十一分。第4頁，共24頁?！?-2分辨率分辨率是反映光學(xué)系統(tǒng)能分辨物體細(xì)節(jié)的能力，是光學(xué)系統(tǒng)的一個很重要的性能，因此可用其來評價光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。表述為：能分辨的兩個等亮度亮點間的距離對應(yīng)艾里斑的半徑，即一個亮點的衍射圖案中心與另一個亮點的衍射圖案的第一個暗環(huán)重合時，這兩個亮點能被分辨開。5第五頁，編輯于星期日：點二十一分。第5頁，共24頁。能被分辨開的兩個衍射圖案中的光強(qiáng)極大值與極小值之比為1：0.735，與接收器能分辨的亮度相當(dāng)，可見分辨率的大小還與接收器分辨率有關(guān)。由衍射理論知，光學(xué)系統(tǒng)的最小分辨角為：入瞳直徑第一暗環(huán)半徑對應(yīng)的出瞳中心張角該評價方法不很完善，存在的缺點：①像差可降低光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，但小像差光學(xué)系統(tǒng)，其實際分辨率受像差的影響很小，不宜用分辨率來評價象質(zhì)；而在大像差光學(xué)系統(tǒng)中，分辨率與系統(tǒng)的像差有關(guān)，常用分辨率作為成像質(zhì)量指標(biāo)。②用于分辨率檢測的鑒別板，由于照明條件和接收器的不同，其檢測結(jié)果也不同，有時可能認(rèn)為像質(zhì)較好，有時認(rèn)為較差。6第六頁，編輯于星期日：點二十一分。第6頁，共24頁。③對照相物鏡等作分辨檢測時，有時會出現(xiàn)“偽分辨現(xiàn)象”，即在某一組條紋時已不能被分辨，但對更密一組的條紋反而可以分辨，這是因為對比度反轉(zhuǎn)造成的。因此分辨率作為像質(zhì)評價方法也不是一種嚴(yán)格而可靠的評價方法。優(yōu)點：指標(biāo)單一。便于測量，在像質(zhì)檢測中得到廣泛應(yīng)用。適用范圍：大像差光學(xué)系統(tǒng)。7第七頁，編輯于星期日：點二十一分。第7頁，共24頁。§9-3點列圖在幾何光學(xué)中，由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，由于像差的存在，使其與像面不再集中于一點，而是形成一個分布在一定范圍內(nèi)的彌散斑，稱為點列圖。利用點的密集程度來衡量光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的方法，稱為點列圖法。利用光線追跡法可精確表示出點物體的成像情況，即將入瞳的一半分成大量的等面積小單元，并把發(fā)自物點且穿過每一個小面元中心的光線，認(rèn)為是代表通過光瞳的光能量。利用光線追跡就可求出在像面上的點子分布密度。因此光線越多，像面上點子數(shù)越多，越能反映出像面上的光強(qiáng)度分布情況。8第八頁，編輯于星期日：點二十一分。第8頁，共24頁。利用點列圖法來評價像質(zhì)時，通常是利用集中30%以上的點或光線所構(gòu)成的圖形區(qū)域作為其實際有效彌散斑，其直徑的倒數(shù)即為系統(tǒng)的分辨率。優(yōu)點：簡便易行，形象直觀。缺點：計算量大，需借助計算機(jī)。適用范圍：大像差光學(xué)系統(tǒng)。光瞳面上面元選取方法9第九頁，編輯于星期日：點二十一分。第9頁，共24頁?！?-4光學(xué)傳遞函數(shù)不管是瑞利判斷、中心點亮度還是分辨率、點列圖法來評價像質(zhì)，都是基于將物體看作是發(fā)光點，并以一點成像時的能量集中程度來表征光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。利用光學(xué)傳遞函數(shù)來評價像質(zhì)，是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成的，即把物體的光場分布函數(shù)分解為付氏級數(shù)或付氏積分的形式。物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，可認(rèn)為物體傳遞效果是頻率不變，但對比度和相位發(fā)生改變。這種對比度的降低和相位推移是隨頻率不同而不同的，其函數(shù)關(guān)系稱為光學(xué)傳遞函數(shù)。該函數(shù)既與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān)，又與光學(xué)系統(tǒng)的衍射效果有關(guān)，因此用該法來評價像質(zhì)更客觀、更可靠。一般來說光學(xué)傳遞函數(shù)是由不同頻率的分量組成，高頻反映物體的細(xì)節(jié)傳遞情況，低頻反映物體的輪廓傳遞情況。10第十頁，編輯于星期日：點二十一分。第10頁，共24頁。一、利用MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）曲線來評價像質(zhì)MTF是表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對比度（或振幅）的衰減程度。當(dāng)某一頻率的對比度下降為0時，表明該頻率的光強(qiáng)分布無亮度變化，表明頻率被截止。顯然I的截止頻率較小，但曲線I在低頻部分的值較曲線II大很多。表明：在低頻部分，曲線I的MTF值大于曲線II，即光學(xué)系統(tǒng)I具有較高的分辨率，且有較高的對比度。但在高頻部分，光學(xué)系統(tǒng)II具有較高的分辨率。11第十一頁，編輯于星期日：點二十一分。第11頁，共24頁。二、利用MTF曲線的積分值來評價像質(zhì)理論證明：像點中心點亮度值=MTF曲線所圍的面積。顯然MTF所圍面積越大，表明光學(xué)系統(tǒng)傳遞的信息量越多，其成像質(zhì)量越好，圖象越清晰。MTF曲線所圍面積兩曲線所圍面積曲線I為光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線，曲線II為接收器的分辨率極值曲線。兩曲線所圍面積越大，表明系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，其交點F為光學(xué)系統(tǒng)和接收器共同使用時的極限分辨率。12第十二頁，編輯于星期日：點二十一分。第12頁，共24頁。§9-5其他像質(zhì)評價方法瑞利判斷和中心點亮度由于要求嚴(yán)格，僅適用于小像差系統(tǒng)；分辨率和點列圖法，由于主要考慮像差對成像質(zhì)量的影響，僅適用于大像差系統(tǒng)，不適用于像差校正到衍射極限的小像差系統(tǒng)；光學(xué)傳遞函數(shù)雖同時適用于大像差系統(tǒng)和小像差系統(tǒng)，但僅考慮系統(tǒng)對物體不同頻率成分的傳遞能力，也不能全面評價一個成像系統(tǒng)的所有性能。因此，對任何光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)評價需要使用多種評價方法。但這些方法都可以歸結(jié)為基于幾何光學(xué)和基于衍射理論的方法兩類。一、基于幾何光學(xué)的方法在計算機(jī)技術(shù)成熟之前，一般像質(zhì)評價多是基于幾何光學(xué)原理。如通過近軸光路計算得到高斯像點位置及其他理想?yún)?shù)；通過實際光路計算獲得各種像差值或繪制各種像差曲線。13第十三頁，編輯于星期日：點二十一分。第13頁，共24頁?，F(xiàn)代光學(xué)設(shè)計中還經(jīng)常使用：光程差曲線和像差特征曲線。14第十四頁，編輯于星期日：點二十一分。第14頁，共24頁。二、基于衍射理論的方法對像質(zhì)要求非常高的光學(xué)系統(tǒng)，其像差一般要校正到衍射極限，此時用幾何方法得不到正確的評價，需用基于衍射理論的評價方法。除瑞利判斷、光學(xué)傳遞函數(shù)等方法外，基于衍射理論的像質(zhì)評價方法還有點擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù)。點擴(kuò)散函數(shù)是指一個理想的幾何物點，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后其像點的能量展開情況。線擴(kuò)散函數(shù)是指子午面或弧矢面內(nèi)的幾何線，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的能量展開情況。通常用快速傅立葉變換進(jìn)行近似處理。15第十五頁，編輯于星期日：點二十一分。第15頁，共24頁。點擴(kuò)散函數(shù)16第十六頁，編輯于星期日：點二十一分。第16頁，共24頁。線擴(kuò)散函數(shù)子午面情況弧午面情況17第十七頁，編輯于星期日：點二十一分。第17頁，共24頁。三、其他需要評價的成像質(zhì)量所有的像質(zhì)評價方法都沒有考慮光學(xué)元件的材料特性及加工、安裝誤差對成像質(zhì)量的影響?，F(xiàn)代光學(xué)設(shè)計須在加工前對這些因素進(jìn)行全面的評價和分析，以仿真出真實的成像效果。①材料方面任何光學(xué)材料都有不同程度的光譜透過率、制作精度以及熱脹冷縮效應(yīng)等，它們對成像質(zhì)量都有重要影響。且任何透射介質(zhì)的表面都會反射部分光能，這些被反射的光沿著非期望路徑到達(dá)像面后，會形成鬼像，影響成像質(zhì)量。一般可通過光路追跡進(jìn)行模擬。現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計軟件大多具備光譜分析、透過率分析、材質(zhì)分析、鬼像分析等功能。18第十八頁，編輯于星期日：點二十一分。第18頁，共24頁。②加工精度與安裝精度方面為避免出現(xiàn)對誤差特別敏感的情況，在設(shè)計時應(yīng)通過光路追跡進(jìn)行仿真分析。如微弱改變一個或幾個折射面的曲率半徑（等效于加工誤差），觀察像差是否急劇變化；微弱改變一個或幾個元件的位置（相當(dāng)于安裝誤差），觀察像差是否急劇變化。還可通過分析各誤差對成像質(zhì)量的影響，反過來對加工誤差和安裝誤差進(jìn)行合理分配，在保證成像質(zhì)量的同時降低加工成本和安裝成本（公差分析）。19第十九頁，編輯于星期日：點二十一分。第19頁，共24頁。§9-6光學(xué)系統(tǒng)的像差公差像差的存在是必然的，一般來說光學(xué)系統(tǒng)不可能也沒必要消除全部像差。可以用波像差的允許值作為幾何像差公差，但一般限于評價望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等小像差系統(tǒng)。對于其他系統(tǒng)的像差公差則是根據(jù)長期設(shè)計和實際使用要求而得出的。一、望遠(yuǎn)物鏡和顯微物鏡的像差公差這類物鏡應(yīng)保證軸上物點和近軸物點有很好的成像質(zhì)量。因此須校正好球差、色差和正弦差。①球差公差邊緣孔徑處的球差公差為：20第二十頁，編輯于星期日：點二十一分。第20頁，共24頁。②彗差公差根據(jù)經(jīng)驗?。孩凵罟疃⑼h(yuǎn)目鏡和顯微目鏡的像差公差這類目鏡的視場角較大，應(yīng)校正好軸外像差。①子午彗差公差②弧矢彗差公差③像散公差21第二十一頁，編輯于星期日：點二十一分。第21頁，共24頁。④場曲公差像散和場曲都應(yīng)在眼睛的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，允許有2~4D⑤畸變公差⑥倍率色差公差目鏡的倍率色差常用目鏡焦平面上的倍率色差與目鏡焦距的比值來表示：22第二十二頁，編輯于星期日：點二十一分。第22頁，共24頁。三、照相物鏡的像差公差照相物鏡屬于大孔徑、大視場的光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)校正全部像差。對一般的照相物鏡，其