應用光學課件：ch8 光學系統(tǒng)成像質(zhì)量評價

1、第八章,光學系統(tǒng)成像質(zhì)量評價,8-1 概述,對于光學系統(tǒng)的性能要求 光學特性：焦距、物像距、放大率、入曈位置、入曈距離等 成像質(zhì)量：像的清晰程度、物像是否相似、變形要小等 本章的主要研究內(nèi)容：成像質(zhì)量,像差（Aberration）,像差（Aberration） ：光學系統(tǒng)所成的實際像與理想像之間的差異。 單色光像差 球差（Spherical aberration) 慧差（Coma） 像散（Astigmatism） 場曲（Field curvature） 畸變（Distortion） 色差（Chromatic aberration） 軸向色差（Axial chromatic aberration

2、） 垂軸色差（Chromatic difference of magnification）,成像質(zhì)量的評價方法,第一類：在光學系統(tǒng)實際制造完成以后對其進行實際測量。 分辨率法、星點法 第二類：在光學系統(tǒng)設計階段通過計算就能評定系統(tǒng)的質(zhì)量。 幾何光學方法 幾何像差、波像差、點列圖、幾何光學傳遞函數(shù) 物理光學方法 點擴散函數(shù)、相對中心光強、物理光學傳遞函數(shù),分辨率法,分辨率：光學系統(tǒng)成像時，所能分辨的最小間隔。,1951 USAF resolution target,Number of Line Pairs / mm in USAF Resolving Power Test Target 1951

3、,8-2 光學系統(tǒng)的色差,軸向色差：不同顏色光線的像點沿光軸方向的位置之差稱為軸向色差。 通常用C（656.28nm）、F（486.13nm）兩種波長光線的像平面間的距離表示軸向色差，有：,I,II,III,垂軸色差：不同顏色光線的像的大小差異稱為垂軸色差。 通常用C（656.28nm）、F（486.13nm）兩種光線在同一像平面（通常為D光的理想像平面）上的像高之差表示。,色差現(xiàn)象與消除方法,選用低色散材料，如人工螢石晶體(CaF2)，大大減少色差 采用不同折射、色散特性的鏡片組合，也可以消除色差。,8-3 軸上像點的單色像差 球差,球差：不同孔徑光線對理想像點的距離稱為球差。,符號規(guī)則：光

4、線聚焦點在理想像點右方為正，左方為負。 通常用1.0，0.85，0.707，0.5，0.3孔徑的球差來描述整個光束的結(jié)構(gòu)。,球差的大小與物點位置和成像光束的孔徑角有關(guān)。 球差的消除： 利用正、負透鏡組合，可以消除球差。 非球面透鏡,球差的消除,8-4 軸外像點的單色像差,子午面（Meridional） 通過光軸外物點的主光線和光軸的平面。 弧矢面（Sagittal） 過主光線和子午面成直角的面。,子午像差,子午像差,子午場曲：子午光線對交點BT離理想像平面的軸向距離XT 。表示此光線對交點與理想像平面的偏離程度。 子午慧差：光線對交點BT離開主光線的垂直距離KT 。表示此光線對交點偏離主光線的

5、程度，即子午光線相對于主光線不對稱的程度。 細光束子午場曲：當光束的寬度趨于零，其交點Bt離理想像平面的軸向距離xt。 軸外子午球差：不同寬度子午光線對的子午場曲和細光束子午場曲之差。表示了細光束與寬光束交點前后位置的差。,弧矢像差,弧矢像差,弧矢場曲：弧矢光線對交點BS離理想像平面的軸向距離XS 。表示此光線對交點與理想像平面的偏離程度。 弧矢慧差：光線對交點BS離開主光線的垂直距離KS 。表示此光線對交點偏離主光線的程度，即弧矢光線相對于主光線不對稱的程度。 細光束弧矢場曲：當光束的寬度趨于零，其交點Bs離理想像平面的軸向距離xs。 軸外弧矢球差：不同寬度弧矢光線對的弧矢場曲和細光束弧矢場

6、曲之差。表示了細光束與寬光束交點前后位置的差。,慧差,彌散光斑的形狀呈彗星形，即由中心到邊緣拖著一個由細到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端寬大、暗淡、模糊 。,慧差,在斜光束中，子午慧差和弧矢慧差一般同時存在，且弧矢慧差總比子午慧差小，大約等于子午慧差的1/3。 慧差的大小既與孔徑有關(guān)，又與視場有關(guān)。 對于某些小視場、大孔徑的光學系統(tǒng)，一般采用正弦差 慧差與像高的比值來代替系統(tǒng)的慧差。,象散,軸外點的子午細光束會聚點與弧矢細光束的會聚點處于不同的位置，引起這種現(xiàn)象的像差，稱為象散。,象散,象散反映了主光線周圍的細光束偏離同心光束的程度 象散是一種軸外像差，其大小僅與視場有關(guān)。,場曲,當垂直于光

7、軸的物平面經(jīng)光學系統(tǒng)后不成像在同一象平面內(nèi)，而在一以光軸為對稱的彎曲表面上，這種成像缺陷稱為場曲。 場曲也是與孔徑無關(guān)的一種像差，其大小僅與視場有關(guān)。,畸變,畸變是指物體所成的象在形狀上的變形。 畸變不影響象的清晰度，只影響物象的相似性。 畸變分桶形畸變和枕形畸變兩種。 畸變與相對孔徑無關(guān)，僅與視場有關(guān)。,8-5 幾何像差的曲線表示,光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù) 光路計算 各種幾何像差的數(shù)值 幾何像差曲線,幾何像差曲線,幾何像差曲線,8-6 用波像差評價光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量,什么是波像差？ 實際波面和理想波面之間的光程差。,波像差 幾何像差 波面和光線存在著互相垂直的關(guān)系，幾何像差和波像差之間存在著一定的對

8、應關(guān)系。 瑞利（Lord Rayleigh）準則 最大波像差小于四分之一波長，則系統(tǒng)質(zhì)量與理想光學系統(tǒng)沒有顯著差別。,8-7 理想光學系統(tǒng)的分辨率,幾何光學：光線 物理光學：光波,點物,點像,點物,彌散斑,衍射,光源,極大,極小,極大,夫朗和費衍射,衍射分辨率,瑞利判據(jù),8-8 各類光學系統(tǒng)分辨率的表示方法,望遠鏡分辨率 能分辨開的兩物點對望遠物鏡的張角表示。,物鏡的光束口徑D以 mm 為單位。,，角度以秒為單位,照相系統(tǒng)分辨率 以像平面上每毫米內(nèi)能分辨開的線對數(shù) N 表示。,式中F稱為物鏡的光圈數(shù)，即 。 1/F稱為相對孔徑，即 。,顯微物鏡分辨率 物平面剛能分辨開的兩物體間最短距離表示。

9、在顯微鏡中 ，NA 稱為顯微物鏡的數(shù)值孔徑。,8-9 光學傳遞函數(shù),光學系統(tǒng)是一個空間不變的線性系統(tǒng)。,假定每個彌散斑的形狀相同，其光強度與相應物點的光強度成正比。這樣的系統(tǒng)我們稱為空間不變的線性系統(tǒng)。,物面,分解,物點,光學系統(tǒng),彌散斑,合成,像面,物面強度分布,分解,光學系統(tǒng),合成,像面強度分布,光學傳遞函數(shù)理論的出發(fā)點,余弦基元,余弦分布,物平面上強度按余弦函數(shù)分布的余弦基元，通過光學系統(tǒng)以后，在像面上也是余弦分布，但是，兩者的初位相和振幅都將發(fā)生變化。,光學傳遞函數(shù)（MTF）,光學傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function） 測定光學系統(tǒng)對比度再現(xiàn)比的一種評估方法