第5章光学系统象质检验与评价1

1、第五章光学系统象质检验与评价 §5-1星点检验一、 星点检验原理为克服物体上各点成像后弥散斑的作用，用以各点经过光学系统成像，观察其弥散斑，如果有误差及像差，弥散斑变形，利用人眼对此变形及亮度的变化，检验出象差这种方法称为星点检验。黑暗背景上有一个亮点（对被检系统而言，点的几何像小于弥散斑半径即可认为是一个点）人很容易区分光能的变化，如果衍射形状改变，则更灵敏，可达十分之一波长。 二、 星点检验装置1、 平行光管部分；聚光镜、星点、物镜平行光管口径大于待检物镜入瞳直径径且物镜像质较好光源选用发射连续光谱且亮度大的灯星点大小：星点允许的最大角直径应等于被检系统艾利斑第一暗环的角半径的二

2、分之一如图 例：如果若不用平行光管则可直接将星点放置于距物镜前节点的距离20倍焦距处则例：待检物镜口径D=70mm 焦距，由得星点大衬度不好、星点小衬度好但太小图形暗不易观察2、 被检系统支持部分能自动定心或带偏心调整装置，以保证被测物镜和平行光管光轴显微镜光轴重合3、 显微镜部分根据弗朗和费衍射理论知道，一个光学系统对一个无限远的点光源成像其实质是在其光瞳面上衍射的结果，在焦平面上衍射相的振幅分布就是光瞳面上的振幅分布函数（通常称为瞳函数）的傅里叶变换，光强分布是振幅模的平方。对于一个理想光学系统而言，瞳函数是一个实函数，而且是一个常数，代表一个理想平面波或球面波，因为星点象的光强分布仅取决

3、于光瞳的形状,对于圆形光瞳所有理想光学系统焦面内星点象的光强分布就是圆函数的傅里叶变换模的平方。式中对于实际光学系统由于像差误差的影响、是瞳函数变为复数型电光强分布变形，通过这种变形可以观察到象差。能量分布II0备注083.78%01中央级大1.22000第一极小1.6357.22%0.0175第一极大2.23300第二极小2.6792.77%0.0042第二极大3.23800第三极小3.6691.46%0.0016第三极大1) 显微物镜数值孔径保证出射光束能全部进入观察显微镜,说以保证NA>2) 显微镜的放大率已能分辨第一和第二两环为准则两环在被检焦面上距离K2533805076337

4、60经显微镜后两衍射环象能为人眼鉴别取则取则显微镜的放大倍率 取则若取则3) 平面光学零件或望远镜用前置镜接受除对前置镜的象质又要求外要求入瞳直径大于望远镜出瞳,与显微镜的选折相似平面零件,取得§5-2分辨率检验分辨率所获得的被测系统相职信息不如星点多灵敏度不如星点高，但比较直观定量。根据衍射理论理想光学系统的最小分辨角值与入瞳大小有关，只有在象差比较大时分辨率才会随像差的变化有较明显的变化，如照相物镜。分辨率与象的清晰度没有必然的联系，有时甚至会出现矛盾。一、 分辨率的概念 考察不同间距的两发光点在象面上两衍射象可被分辨与否就能定量的反应光学系统的成像质量。两个靠得很近的光点的艾利

5、班，重叠取得的光强相对于艾利班中心最大光强的对比度K应大于人眼的对比灵敏度有三种判据 中央亮斑光能为83.76%,第一亮环为7.22，第二亮环为2.77，第三亮环为1.46当两园盘靠近时光能叠加分开两靠近物点的能力为鉴别率如图1） 瑞利判断：两衍射斑之间的中心距刚好等于第一衍射暗环半径，K15 两衍射斑之间的光强的最小值为最大值的73.52） 道斯判据： K2.6 两衍射斑之间的合光强的最小值为1.013最大为1.045 3） 斯派罗判据： K0 两衍射斑之间的合光强值为1.118 二、 光学系统的理想分辨率的计算 1、 望远镜以物方刚能分辨开的两个发光点的角距离表示以望远物镜后焦面上两衍射斑

6、的中心距对物镜后主点的张角表示 K=15% 用于系统K=2.6% 用于零件2、 显微镜， ，由正玄条件即K2.6时的 ，n提高可提高分辨率 (浸油物镜)3、 照相物镜K2.6， F三、 波像差与分辨率关系可认为为理想分辨率四、 分辨率图案1、 栅格式分辨率图案每块25组，每组线条宽度以值比递减2、 辐射状分辨率图案 3、 塔式分辨率图案：照相物镜照相时的分辨率五、 光学系统分辨率的测量1、 望远系统望远系统的物镜为孔径光阑又为入瞳所以分辨率由物镜决定目镜起放大作用设计时只考虑物镜分辨率。但由于加工装配，及材料误差故测量时不仅要对物镜进行单独测量外还要测定系统的分辨率。1） 直接观察要求：（1）

7、平行光管复消色，口径比被测系统口径大。（2）人眼极限分辨角为如望远系统放大倍率若系统分辨率时无法测量。（3）被测系统出瞳直径应小于人眼瞳孔直径否则无法测量2）附加以辅助前置镜观察前置镜的要求与星点检验是相同入瞳大于被检仪器的出瞳，出瞳小于人眼瞳孔直径注意：（1）光轴重合（2）被检系统目镜视度为零（3）检验视场中心分辨率（4）四个方向均能分清 （5）不一定线条分得很开只要认出四个方向上的线条数即可（6）分辨率拌均匀照明2、物镜分辨率1） 望远物镜栅格状分辨率板辐射状分辨率板 注意：(1）平行光管物镜大于被测物镜孔径被测物镜尽量靠近平行光管以减小杂光的影响平行光管套一个比被检物镜稍大一点的光阑K217325433542759(2)显微物镜 数值孔径和放大率根据被测物镜相对孔径选择,(3)光轴基本重合3)照相物镜综合分辨率 N照相物镜的目视分辨率底片的分辨率(1) 目视分辨率a) 轴上点分辨率b) 轴外点分辨率数值孔径和放大率根据被测物镜相对孔径选择条数即可行单独测量外还要测定系统的分辨率绕物镜后主点转动显微镜后移轴外分辩率子午，弧矢实际上对子午光束有效口径变小变大所以注意事项：（1）平行光管口径大于被检物镜口径在检验各视场的分辨率时应保证平行光管的光束充满被测物物镜入瞳。（2）平行光管象质尽量好，焦距比被测物镜答两倍以上。（3）显微镜