第三章-波像差、光學系統(tǒng)像差容限與像質評價-p課件

第三章波像差、光學系統(tǒng)像差容限與像質評價江西理工大學邱鑫1PPT課件3.1波像差3.2光學系統(tǒng)的像差容限3.3光學系統(tǒng)質量評價簡介總概要2PPT課件3.1.1波像差的定義（2）波像差的定義實際波面與理想波面在出瞳處相切時，兩波面間的光程差?！锢硐氲某錾洳ǎ呵蛎娌ā飳嶋H的出射波:偏離球面波（1）物理意義軸上點A以單色光成像存在球差A'M交理想波面于M，即為波差。3.1波像差（以理想波面為基準，右負左正）3PPT課件3.1.2軸上點的波像差及其與球差的關系球差相當?shù)牟ㄏ癫顬橐評'2為縱坐標，以δL'為橫坐標的球差曲線與縱軸所圍面積的一半

當物方無窮遠時，討論（1）當僅有初級量時以波長為單位時，邊緣處波像差最大。移動接收面，以接收面為基準，則球差將改變，波像差曲線隨之改變——稱之為離焦。不離焦時，高斯面上達不到瑞利判據(jù)(波像差小于1/4波長)，離焦可望達到瑞利判據(jù)。4PPT課件（2）當有初級和二級球差時當當對邊光校正球差時，0.707帶光有最大剩余球差。若離焦，使圖中三部分面積相同，則應軸向離焦

此時顯然，同樣滿足瑞利判據(jù)，允許的剩余球差要大得多。5PPT課件（3）若再有三級以上球差，則像差平衡的原則是：盡可能離焦后有多個大小相等、符號相反的小面積以下動畫是一個實際光學系統(tǒng)成像質量隨離焦量變化的情況6PPT課件3.1.4參考點移動產(chǎn)生的波像差、焦深（depthoffocus）由：軸向離焦垂軸離焦當光學系統(tǒng)為理想系統(tǒng)時，高斯面上波像差為零。若像面移動，則可按上式計算新的W。若瑞利判據(jù),則可認為該系統(tǒng)仍為理想系，這時焦深為由上可得：焦深與像方孔徑角有關，孔徑越大，焦深越小。例：則：所以7PPT課件3.1.5色差的波像差表示波色差幾何像差波像差WD波像差WC波像差WFW—某一孔徑帶的光線與近軸光線的光程之差。DD為F與C的中間光程8PPT課件

-----像差校正到什么程度的像差是允許的？（根據(jù)使用條件）3.2.1小像差系統(tǒng)（如目視光學儀器）（1）波色差（2）球差①當U很小，所以離焦后②當U有一定大小，使邊光球差為零，0.707帶光有最大剩余球差作離焦:（邊光不一定恰好校正到零，允許殘余1倍焦深）要求:最大剩余波像差3.2光學系統(tǒng)的像差容限——瑞利判據(jù)：9PPT課件（3）正弦差弧矢彗差（4）像散（5）像面彎曲：在人眼調節(jié)范圍之內(nèi)（6）畸變（7）倍率色差：3.2.2大像差系統(tǒng)（如攝影物鏡）——應校正全部像差此時不可用瑞利判據(jù)，而要求：畸變2-4%要求觀察著看不出明顯的像變形。以上是小視場系統(tǒng)容限，以下是大視場系統(tǒng)容限10PPT課件3.3光學系統(tǒng)質量評價（1）用于設計階段評價的有：幾何像差、波像差、瑞利判斷和點列圖、傳遞函數(shù)；（2）用于產(chǎn)品鑒定階段：分辨率檢驗、星點檢驗和光學傳遞函數(shù)測量等。一般認為最大波像差小于四分之一波長，則系統(tǒng)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)質量的一個經(jīng)驗標準，稱為瑞利（LordRayleigh）準則；顯微物鏡、望遠物鏡應達到這種要求。瑞利判斷:11PPT課件球差曲線縱坐標是孔徑，橫坐標是球差（色球差），使用這個曲線圖，一要注意球差的大小，二要注意曲線的形狀特別是代表幾種色光的幾條曲線之間的分開程度，如果單根曲線還可以，但是曲線間距離很大，說明系統(tǒng)的位置色差很嚴重。3.3.1球差曲線12PPT課件這一般是由兩個曲線圖構成圖中左邊的是像散場曲曲線，右邊的是畸變，不同顏色表示不同色光，T和S分別表示子午和弧矢量，同色的T和S間的距離表示像散的大小，縱坐標為視場，左圖橫坐標是場曲，右圖是畸變的百分比值。細光束場曲反映了不同視場點的細光束像點離開像面的位置變化，初級細光束場曲跟視場的平方成正比，其對成象的影響，是使一平面物體成一彎曲像面。細光束像散反映了子午和弧矢細光束像點（或子午與弧矢彎曲像面）的不重合而分開的軸向距離。3.3.2軸外細光束像差曲線(FieldCurvature/Distortion)（1）

幾何意義：（2）像差分析：13PPT課件3.3.3光線像差（RayAberration）RayAberration:像面（XOY面）上的X分量像差EX（Xaberration）和Y分量像差EY（Yaberration）隨光線孔徑高(PX、PY)之間的變化曲線。在子午面（YOZ面）內(nèi)，某一物點發(fā)出不同孔徑高的光線，經(jīng)過鏡頭系統(tǒng)后，光線均在子午面內(nèi)，光線坐標中PX=0，PY從0－1變化，因此離開主光線在像面上交點的位置表示只有Y分量（Y-aberration），X-aberration均為0，即TanFan（子午光扇圖）只有Y-aberration，只有EY~PY關系曲線圖。（1）意義：注意：14PPT課件15PPT課件16PPT課件3）如果工作波長是一光譜段，每一視場的Rayaberration曲線中每一幅圖有三根曲線，反映波長序號為1,2,3的Rayaberration數(shù)據(jù)。這樣Rayaberration曲線中，1,3波長的曲線與EY軸的交點之差反映垂軸色差的大小。隨著視場的變化，可以清楚垂軸色差的變化。由Rayaberration圖可以看出幾何像差存在時的綜合彌散情況，還可以看出其他獨立幾何像差的大?。海?）像差分析：1）原點處曲線的斜率可以反映軸向像差分量，諸如球差、場曲、離焦的大小，圖中表明目前初始結構的場曲較大；2）曲線邊緣孔徑（±1.0）處的Y-aberration之和，能夠反映慧差大小；17PPT課件3.3.4光程差圖（Opticalpath）顯示的光瞳歸一化坐標（PX,PY）為橫軸的光程差曲線，相當于一維波差曲線，縱軸為光程差，以主光線所走過的光程為基準。反映光瞳像差。表示實際主光線與光瞳面交點，離開高斯主光線與光瞳面交點的距離，一般用占光瞳半徑的百分數(shù)表示，圖表示一初始結構的光瞳像差曲線，由該圖看出，由于物位于子午面內(nèi)，在子午面內(nèi)存在明顯的光瞳像差，表示軸外光瞳偏心。此時，如不消除光瞳像差，會影響各種軸外像差值的精確計算。（1）意義：（2）像差分析：18PPT課件19PPT課件這些點的分布能夠近似地代表點像的能量分布。所以點列圖中點的密集程度反映光學系統(tǒng)成像質量的優(yōu)劣。由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學系統(tǒng)后，因像差使其與像面的交點不再集中于同一點，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形。3.3.5點列圖（StopDiagrams）而Rayaberration僅能反映子午、弧矢面內(nèi)光線造成像的彌散情況，幾何點列圖則能反映任一物點發(fā)出的充滿入瞳的光錐，在像面上的交點彌散情況。（1）定義：（2）意義：20PPT課件21PPT課件

使用點列圖的評價像質，除了觀察點列圖形狀外，一般還使用兩個指標，即:RMSRadius與GEORadius，單位一般仍為μm。前者表示點列圖彌散的實際幾何半徑。有時如僅有兩根光線與像面交點散的厲害，而其他光線分布比較集中，即RMSRadius較小，而GEORadius較大，仍認為像質比RMSRadius值較大時好一些。（3）像差分析：22PPT課件標準點列圖（Standard）、離焦點列圖（ThroughFocus）（4）種類：23PPT課件光學傳遞函數(shù)理論的基本出發(fā)點是將物面圖形分解成各種頻率的譜，也就是將物的亮度分布函數(shù)展開為傅立葉級數(shù)（物函數(shù)為周期函數(shù)）或傅立葉積分（物函數(shù)是非周期函數(shù)）研究光學系統(tǒng)對各種空間頻率的亮度呈余弦分布目標的傳遞能力。3.3.6傳遞函數(shù)（1）光學傳遞函數(shù)概述24PPT課件（2）光學傳遞函數(shù)的基本出發(fā)點物體被看作是亮度的一種分布形式，不同物體有不同的亮度分布。任何一種亮度分布可以認為是所有頻率余弦分布按某種比例的疊加。光學系統(tǒng)分別將各種余弦分布的目標進行成像，像面上各種余弦分布的像按照相應的比例進行疊加形成了物體的像。（3）光學傳遞函數(shù)的理論實質調制傳遞函數(shù)MTF：一定空間頻率下像的對比度與物的對比度之比。能反映不同空間頻率、不同對比度的傳遞能力。一般而言，高頻傳遞函數(shù)反映了物體細節(jié)傳遞能力，低頻傳遞函數(shù)反映物體輪廓傳遞能力，中頻傳遞函數(shù)反映對物體層次的傳遞能力。25PPT課件（4）MTF曲線圖1）不同色的曲線表示不同視場的復色光（白光）MTF曲線，2）T和S分別表示子午和弧矢方向，3）最上方黑色的曲線是衍射極限。4）橫坐標是空間頻率lp/mm（每毫米線對），縱坐標是對比度，最大是1。5）曲線越高，表明成像質量越好。26PPT課件（5）利用MTF評價成像質量ⅰ.MTF曲線越高越好MTF曲線越高說明曲線與坐標軸所圍面積越大，鏡頭能傳遞的信息量就越多，成像質量就越好。ⅱ.MTF曲線越平直越好曲線越平直,說明邊緣與中間一致性越好。ⅲ.S曲線與T曲線越重合越好ⅳ.低頻(<10lp/mm)代表鏡頭反差特性ⅴ.高頻(>30lp/mm)代表鏡頭分辨率特性27PPT課件例：這種評價方法的優(yōu)點是測試方便，判斷迅速，適用于生產(chǎn)線?？蓞⒖迹?s/blog_5e125dcf0100k88i.html28PPT課件3.3.7分辨率根據(jù)物理光學中圓孔衍射原理可以求得：衍射光斑的中央亮斑集中了全部能量的80％以上，其中第一亮環(huán)的最大強度不到中央亮斑最大強度的2％。由于衍射像有一定的大小，如果兩個像點之間的距離太短，就無法分辨出這是兩個像點。我們把兩個衍射像間所能分辨的最小間隔稱為理想光學系統(tǒng)的衍射分辨率。29PPT課件兩個像點間能夠分辨的最短距離約等于中央亮斑的半徑R，如圖所示。從上式得到優(yōu)點：指標單一，便于測量。缺點：不夠嚴格、可靠，表現(xiàn)在以下三點：（1）只適用于大像差光學系統(tǒng)小像差光學系統(tǒng)幾乎只與相對孔徑有關。（2）與實際物體有很大差別照明條件和接收器的不同，檢測結果也不同。（3）存在偽劣分辨率現(xiàn)象即分辨率鑒別中已無法分辨某一組條紋，但卻能分辨更密的一組條紋。30PPT課件31PPT課件評價像質的方法主要有瑞利(Reyleigh)判斷法、中心點亮度法、分辨率法、點列圖法和光學傳