像质评价概要

1、1、基于衍射理论的方法、基于衍射理论的方法适合于小像差系统适合于小像差系统2、基于几何光学的方法、基于几何光学的方法光路追迹计算光路追迹计算3、综合评价的方法、综合评价的方法光学传递函数光学传递函数实际波面实际波面和和参考球面波参考球面波之间的最大之间的最大波像差不超过波像差不超过/4时，此波面可看时，此波面可看作是无缺陷的。作是无缺陷的。 光学系统存在像差时，其成像衍射光学系统存在像差时，其成像衍射斑的中心亮度，和不存在像差时衍斑的中心亮度，和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比射斑的中心亮度之比 S.D. 0.8任一像点的整体能量分布情况 包容圆 包围圆能量：以像面上主光线或中心光线为中心，以

2、离开此点的距离为半径做圆，以落入次圆的能量和总能量的比值来表示.两个等亮度点间的距离艾里斑半径两个等亮度点间的距离艾里斑半径 ISO12233鉴别率板鉴别率板 色彩测试标板色彩测试标板 ColorChecker由一物点发出的许多条光线，经光学系由一物点发出的许多条光线，经光学系统成像后，与像面的交点不再集中于一统成像后，与像面的交点不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称之为点列图。弥散图形，称之为点列图。利用点的密集程度来衡量成像质量利用点的密集程度来衡量成像质量SpotDiagram由物面上一点发出的许多光线经过光学系统后，由于存在像差，

3、在像由物面上一点发出的许多光线经过光学系统后，由于存在像差，在像面上这些点不交于一点，而是形成一定范围的弥散图形，就称为点列面上这些点不交于一点，而是形成一定范围的弥散图形，就称为点列图。用点列图中点的密集程度来衡量成像的质量。图。用点列图中点的密集程度来衡量成像的质量。光线是以在光瞳（入瞳）上的一定分布来取样的。光线是以在光瞳（入瞳）上的一定分布来取样的。点列图的中心：相对参考图像（一般为近轴图像位置）进行计算光斑大小：到达图像上的光线相对于光点质心的距离所有光线取平均Root MeanSquaredSpotSize(RMS) 均方根误差：对所有孔径位置的光点大小2进行积分径向光点大小：波像

4、差波像差：实际波面和理想波面之间的光程差。实际波面和理想波面之间的光程差。光程差曲线光程差曲线(Optical Path Difference，OPD ) 对像差比较小的光学系统，波像差比几何像差对像差比较小的光学系统，波像差比几何像差更能反映系统的成像质量。更能反映系统的成像质量。 一般认为：最大波像差小于一般认为：最大波像差小于四分之一波长四分之一波长，则，则实际光学系统的质量与理想光学系统没有显著差别，实际光学系统的质量与理想光学系统没有显著差别，这是长期以来评价高质量光学系统的一个经验标准，这是长期以来评价高质量光学系统的一个经验标准，称为称为瑞利标准瑞利标准。 球差球差不同的几何像差

5、对应不同的波像差：不同的几何像差对应不同的波像差：彗差彗差像散像散不同波长、不同视场、不同孔径的光线到达高斯像面时，与近轴理想光线的光程差。左边为子午面情况，右边为弧矢面情况。不同波长、不同视场、不同孔径的光线到达高斯像面时，偏离高斯像点的距离。左边为子午面情况，右边为弧矢面情况。一个理想的几何物点，经过光学系统后，其像点的能量展开情况 指子午面或弧矢面内的几何线，经过光学系统后，其能量展开情况 材料特性；加工误差；安装误差光谱透过率分析整体能量透过率分析材质影响分析环境影响分析鬼像分析公差分析Tolerancing 公差分析Tolerancing Cooke Triplet f/4.5 To

6、lerance AnalysisModulation Transfer FunctionCumulative Probability (%)0.9720.8350.6980.5610.4240.287 0. 20 40 60 80 100On-Axis0.707FieldFull Field80% probability of Achieving 0.88 MTF for Field 1 -or-80% of built systemswill have about 0.88 MTF or better at Field 11、基于衍射理论的方法、基于衍射理论的方法适合于小像差系统适合于小像差

7、系统2、基于几何光学的方法、基于几何光学的方法光路追迹计算光路追迹计算3、综合评价的方法、综合评价的方法光学传递函数光学传递函数 几何像差曲线 -球差曲线 -彗差曲线 -像散和场曲曲线 -畸变曲线 -垂轴像差曲线一、一、 像差的图形输出像差的图形输出几何像差曲线 球差曲线 彗差曲线 像散和场曲 畸变 位置色差 倍率色差 纵坐标: 像平面主光线同当前光线的距离 横坐标: 光线在孔径光阑上的相对高度(或入瞳、出瞳) 垂轴像差曲线像差总结像差总结-球差球差垂直球差所产生的弥散斑：垂直球差所产生的弥散斑：像差总结像差总结-球差球差两点的连线与EY的交点代表彗差彗差很大像差总结像差总结-慧差慧差彗差很小

8、，此时的主要像差是像散像差总结像差总结-慧差慧差像差总结像差总结-像差像差Field Curverture像差总结像差总结-场曲场曲大畸变系统的应用像差总结像差总结-畸变畸变彩色弥散斑像差总结像差总结-位置色差位置色差像差总结像差总结-倍率色差倍率色差1、基于衍射理论的方法、基于衍射理论的方法适合于小像差系统适合于小像差系统2、基于几何光学的方法、基于几何光学的方法光路追迹计算光路追迹计算3、综合评价的方法综合评价的方法光学传递函数光学传递函数把物体看作是发光点的集合：把物体看作是发光点的集合：能量集中程度能量集中程度把物体看作是由各种频率的谱组成：把物体看作是由各种频率的谱组成：对比度的降低

9、和相位推移对比度的降低和相位推移 p对光学系统使用者来说，希望提高系统的分辨率，因此通常提出分辨率的指标p对于光学系统设计者来说，设计阶段无法计算出系统预期能达到的分辨率，只能计算出几何像差或波像差，像差越小，系统预期分辨率越高；但它们之间没有简单的数量关系，只能靠试制样品并测量得出分辨率。因此需要靠设计试制测试反复多次才能达到要求。p即便分辨率满足要求，也不能充分反映系统的成像质量，它反映的仅仅是系统能分辨的极限空间频率，并不能反映在可分辨的空间频率范围内所有频率的物像之间对比度和位相的变化。l光学传递函数是目前公认的最能充分反映系统实际成像质量的评价指标l能够全面、定量反映光学系统的衍射和

10、像差所引起的综合效应，并且可以根据光学系统的结构参数直接计算出来l在设计阶段就可以准确地预计到制造出来的光学系统的成像质量l按照几何光学的观点来近似计算地光学传递函数称为几何光学传递函数；根据波动光学按衍射效应计算的光学传递函数称为物理光学传递函数图像的合成与分解图像的合成与分解分解方法1. 把物面分解成无数个物点，分别通过系统成无数个像点，即函数，然后在像面上合成，就得到了像2. 傅立叶方法：将物面的光强度分布分解成频率，振幅和位相不同的余弦函数，分别通过光学系统以后，这些分布仍然是余弦函数，只是初位相和振幅发生了变化，再将这些余弦函数合成，即可得到像的分布 例如例如l振幅和空间频率的关系称

11、为振幅频谱函数l初位相和空间频率的关系称为位相频谱函数yyyyyI7cos715cos513cos31cos4)( 分解l周期函数l周期函数的频谱函数只是若干个不连续的离散点 分解分解l非周期函数l非周期函数的振幅频谱函数和位相频谱函数是连续函数光学传递函数的基础光学传递函数的基础l线性系统线性系统l如果光学系统使用非相干的单色光照明，近似为一线性如果光学系统使用非相干的单色光照明，近似为一线性系统，对于大多数光学系统，成像质量随物高的变化是系统，对于大多数光学系统，成像质量随物高的变化是比较小的，在一定范围内，可以看作是空间不变的比较小的，在一定范围内，可以看作是空间不变的)()()()(x

12、faxfaxfxfiiiiii则则l空间不变系统空间不变系统)()()()(axfaxfxfxfiiii则则光学传递函数的计算思路l一个光学系统成像，就是把物平面上的光强度分布图形转换成像平面的光强度分布图形。l利用傅立叶分析方法可以对这种转换关系进行研究，它把光学系统的作用看成是一个空间频率的滤波器，进而引出了光学传递函数l几何光学中，把任意物平面的强度分辨，看做是由无数个发光点组成的，也就是把物平面上的强度分布分解为无数个点，从数学上来说就是把强度分布分解为无数个 函数l在傅立叶分析光学中，把任意的强度分布函数，分解为无数个不同频率，不同振幅，不同初位相的余弦函数，称为余弦基元)2cos(

13、1)( Iyayl假设物平面输入的余弦基元为 像平面相应输出的余弦基元为物面的对比度为 像面的对比度为 )2cos(1) ( IyayaaIIII22minmaxminmaxK22minmaxminmaxaaIIIIKl像平面和物平面对比之比（振幅）称为振幅传递函数 像平面和物平面初位相之差称为位相传递函数二者统称为光学传递函数，用OTF()表示 )()(MTF)OTF(iPTFe)(PTFaa)(MTFl已知光学系统对指定共轭面的光学传递函数，这一对共轭面的成像性质就完全确定了。把像面余弦基元合成以后就是要求的像面图形。理想光学系统的振幅传递函数用光学传递函数评价系统成像质量l取不同像高的若干个像点，分别求 出它们的传递函数，分子午和弧矢 两个面用曲线表示l不同系统光学传递函数有不同标准l两个系统构成的组合系统，MTF 等于两分系统MTF值的乘积MTF()=MTF1()MTF2()第九讲第九讲像质评价像质评价MTF0.10.030IIIvMTF曲线曲线MTFMTF上图是一条MTF曲线，里面包含的信息有：MTF、空间频率和像高。 MTF可以近似理解为黑白线条的对比度，最大值为1； 空间频率的单位是lp/mm，200lp/mm表示1毫米距离内的黑白线对数； 不同颜色的曲线表示不同的像高，T和S分别表示法线和切线方面的MTF。补充说明：像面大小一般分两种表示