工程光学教学-像质评价ppt课件

1、像点的能量分布图像点的能量分布图圆孔的夫琅和费衍射：圆孔的夫琅和费衍射： 根据几何光学，平行光经过根据几何光学，平行光经过球面凸透镜后将会聚于透镜焦球面凸透镜后将会聚于透镜焦平面上一点。但实际上，由于平面上一点。但实际上，由于光的波动性，平行光经过小圆光的波动性，平行光经过小圆孔后也会产生衍射现象，称为孔后也会产生衍射现象，称为圆孔的夫琅和费衍射。圆孔的圆孔的夫琅和费衍射。圆孔的夫琅和费衍射图样为一个圆形夫琅和费衍射图样为一个圆形的亮斑称为艾里斑），在艾的亮斑称为艾里斑），在艾里斑的周围还有一组明暗相间里斑的周围还有一组明暗相间的同心圆环。的同心圆环。由于光学仪器中所用的孔径光阑、透镜的边框等

2、都由于光学仪器中所用的孔径光阑、透镜的边框等都相当于一个透光的圆孔，所以圆孔的夫琅和费衍射相当于一个透光的圆孔，所以圆孔的夫琅和费衍射对光学系统的成像质量有直接影响。对光学系统的成像质量有直接影响。D22. 1R610. 0sin1 艾里斑光强约占总光强的艾里斑光强约占总光强的84% ，而其，而其1级暗环的级暗环的角宽度即艾里斑半角宽度满足角宽度即艾里斑半角宽度满足式中式中R、D为小圆孔的为小圆孔的半径和直径。半径和直径。由于圆孔衍射现象的限制，光学仪器的分辨能力有由于圆孔衍射现象的限制，光学仪器的分辨能力有一个最高的极限。下面通过光学仪器分辨本领的讨论，一个最高的极限。下面通过光学仪器分辨本

3、领的讨论，说明为什么有一个分辨极限，并给出分辨极限的大小。说明为什么有一个分辨极限，并给出分辨极限的大小。当两个物点当两个物点S1、S2很靠近时设很靠近时设S1、S2光强相等），光强相等），两个艾里斑将互相重叠而无法分辨。两个艾里斑将互相重叠而无法分辨。对一个光学仪器来说，若一个点光源产生的艾里斑的中对一个光学仪器来说，若一个点光源产生的艾里斑的中央刚好与另一个点光源产生的艾里斑的央刚好与另一个点光源产生的艾里斑的1级暗环相重合，级暗环相重合，这时两个艾里斑重合部分的光强约为单个艾里斑中央光这时两个艾里斑重合部分的光强约为单个艾里斑中央光强的强的80%左右，一般人眼刚好能分辨出这是两个光点的左

4、右，一般人眼刚好能分辨出这是两个光点的像。因此，满足上述条件的两个点光源恰好能被该光学像。因此，满足上述条件的两个点光源恰好能被该光学仪器所分辨。这一条件称为瑞利分辨判据。仪器所分辨。这一条件称为瑞利分辨判据。 )D22. 1arcsin(1 D22. 1 22. 1D1R 恰能分辨时两光源发出的光线对透镜光心的夹角恰能分辨时两光源发出的光线对透镜光心的夹角 称为最小分辨角，用称为最小分辨角，用表示。由上讨论可知，最小分表示。由上讨论可知，最小分辨角辨角等于艾里斑的半角宽度等于艾里斑的半角宽度1：尤其当尤其当1 0时，最小分辨角又可近似表示为时，最小分辨角又可近似表示为最小分辨角的倒数称为光学

5、系统的分辨本领最小分辨角的倒数称为光学系统的分辨本领或称分辨率），用或称分辨率），用R表示：表示：5. 光学传递函数光学传递函数 前面几种都是基于把物体看做是发光点的集合前面几种都是基于把物体看做是发光点的集合,并以一并以一点成像时的能量集中程度来表征光学系统的成像质量的。点成像时的能量集中程度来表征光学系统的成像质量的。 光学传递函数评价光学系统的成像质量，是基于把物光学传递函数评价光学系统的成像质量，是基于把物体看做是由各种频率的谱组成的，也就是把物体都的光体看做是由各种频率的谱组成的，也就是把物体都的光场分布函数展开成傅立叶级数或傅立叶积分的形式。场分布函数展开成傅立叶级数或傅立叶积分的

6、形式。 若把光学系统看成是线性不变的系统，那么物体经过若把光学系统看成是线性不变的系统，那么物体经过光学系统成像，可视为物体经过光学系统传递后，其传光学系统成像，可视为物体经过光学系统传递后，其传递效率不变，但对比度下降，相位发生推移，并在某一递效率不变，但对比度下降，相位发生推移，并在某一频率截至，即对比度为零。这种对比度的降低和相位推频率截至，即对比度为零。这种对比度的降低和相位推移是随频率不同而不同的，其函数关系我们称之为光学移是随频率不同而不同的，其函数关系我们称之为光学传递函数传递函数(Optical transfer functionOTF)。光学传递函数用于定量地评价光学系统的成

7、像质量光学传递函数用于定量地评价光学系统的成像质量始于始于20世纪世纪50 年代之后年代之后. 1962年英国霍普金斯年英国霍普金斯H.H.Hopkins ）将光学传递）将光学传递函数用于光学设计。函数用于光学设计。 1946 年年, 法国杜费法国杜费(PMDeffieux)发表了题为发表了题为一书一书,该书以傅立叶变换该书以傅立叶变换为数学手段为数学手段,从一个全新的角度来理解光学系统的成从一个全新的角度来理解光学系统的成像过程像过程. 同时也自然地引入了一个新的评价像质的指同时也自然地引入了一个新的评价像质的指标标,即光学传递函数即光学传递函数,它是仿照电路信号传递系统而得它是仿照电路信号

8、传递系统而得到到. PMDeffieux 把光学系统看作是一个信号传递系统把光学系统看作是一个信号传递系统,被被成像的景物为该系统的成像的景物为该系统的“输入输入”,而像面上的光强分布为而像面上的光强分布为该系统的该系统的“输出输出”. 为了研究为了研究“输入与输入与“输出的关系输出的关系,他他首先把物面光强分布分解成许多大小不一、方向各异的首先把物面光强分布分解成许多大小不一、方向各异的余弦型光强分布余弦型光强分布,即所谓的傅立叶分解。即所谓的傅立叶分解。然后他认为系统在传递这些余弦型光强分布的成分时然后他认为系统在传递这些余弦型光强分布的成分时,将分别对它们施加不同程度的影响将分别对它们施加不同程度的影响,最后经受了这些影最后经受了这些影响的各余弦型的光强分布在像面上又叠加起来响的各余弦型的光强分布在像面上又叠加起来,即所谓即所谓傅立叶综合傅立叶综合,构成像面上的光强分布构成像面上的光强分布. 由此可知由此可知,系统的作用最终归结为系统对各余弦型光强系统的作用最终归结为系统对各余弦型光强分布的影响情况分布的影响情况,而而OTF正是定量地反映这种影响的函正是定量地反映这种影响的函数数. 光学传递函数是反应物体不同频率成分的传递能力的。光学传递函数是反应物体不同频率成分的传递能力的。一般来说，一般来说，高频部分反