第八章光学系统成像质量评价

1、第八章第八章 光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价Chapter 5: Evaluations for optical image systems8-1 Introduction8-1 Introductionn 对光学系统的要求对光学系统的要求一阶一阶 要求要求三阶三阶 要求要求有效焦距和后焦距F-数像距像面大小主平面位置顶点到主平面间距离入瞳尺寸和位置出瞳尺寸和位置拉格朗日不变量球差最小弥散斑位置和大小彗差像散平均焦点位置和大小匹兹瓦曲率畸变波前方差斯特列尔比需要的二次曲线常数决定成像决定成像特性特性决定成像决定成像好坏好坏n 评估光学系统的像差评估光学系统的像差对制作完成的光学系统进

2、行测量评估对制作完成的光学系统进行测量评估在设计过程中对光学系统进行评估在设计过程中对光学系统进行评估8-1 Introduction分辨率检验、星点检验分辨率检验、星点检验几何像差、波像差、点列图、光学传递函数、斯特列尔比等几何像差、波像差、点列图、光学传递函数、斯特列尔比等n 分辨率检验分辨率检验8-1 Introduction分辨率：分辨率：光学系统所能分辨的最小间隔光学系统所能分辨的最小间隔(/mm)的倒数的倒数(lp/mm)空间频率：空间频率：)lp/mm(1n 分辨率检验分辨率检验8-1 Introduction分辨率：分辨率：光学系统所能分辨的最小间隔光学系统所能分辨的最小间隔(

3、/mm)的倒数的倒数(lp/mm)空间频率：空间频率：)lp/mm(1m5lp/mm200n 星点检验星点检验8-1 Introduction8-2 介质的色散和光学系统的色差介质的色散和光学系统的色差cn n 色散色散红色光红色光紫色光紫色光速度快速度快速度慢速度慢折射率小折射率小折射率大折射率大色散色散：两种不同颜色光线折射率之差称为该介质对这两种色光的色散：两种不同颜色光线折射率之差称为该介质对这两种色光的色散2112nnn中部色散中部色散CFFCnnnF656.3nmC486.1nmFraunhofer wavelength2111) 1(1rrnf8-2 介质的色散和光学系统的色差介

4、质的色散和光学系统的色差n 色散色散CFdnnn1d587.6nm阿贝数阿贝数8-2 介质的色散和光学系统的色差介质的色散和光学系统的色差n 玻璃图玻璃图8-2 介质的色散和光学系统的色差介质的色散和光学系统的色差2111) 1(rrnfCFdCFFClll轴向色差轴向色差FlCl8-2 介质的色散和光学系统的色差介质的色散和光学系统的色差CFdCFFCyyy垂轴色差垂轴色差FyCydytanfy8-3 轴上像点的单色像差轴上像点的单色像差球差球差通常的带光划分：通常的带光划分：0； 0.3；0.5；0.7071；0.85；1.0RR222RRR222RRRRR7071. 028-3 轴上像点

5、的单色像差轴上像点的单色像差球差球差球差（球差（Spherical aberration）:lLLm最小弥散圆最小弥散圆8-3 轴上像点的单色像差轴上像点的单色像差球差球差通常使用带光通常使用带光:0；0.7071；1.00 . 1lLL带光带光 L8-3 轴上像点的单色像差轴上像点的单色像差球差球差球差欠校正球差欠校正0L球差过校正球差过校正0L8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差BZChief rayMMMeridian SurfaceSagittal SurfaceDDB8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n Meridian aberrationsBMMTBZTXTKt

6、Btx LTX子午场曲子午场曲子午彗差子午彗差TK细光束子午场曲细光束子午场曲tx轴外子午球差轴外子午球差tTTxXL场曲场曲: Field curvature 彗差彗差: ComaChief ray8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n Sagittal aberrationsBDDSBZSXSKsBsx LSX弧矢场曲弧矢场曲弧矢彗差弧矢彗差SK细光束弧矢场曲细光束弧矢场曲sx轴外弧矢球差轴外弧矢球差sSSxXLChief ray8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n Sagittal aberrations31TSKK8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n 小视场

7、大孔径小视场大孔径正弦差正弦差: 定义为彗差与像高的比值在像高趋于零时的极限定义为彗差与像高的比值在像高趋于零时的极限. 用用SC表示表示 lim0yKSCSy 1sinsin11zzlLlluUuUSCn 小孔径小孔径0, , , KLKLSSTT, stxx轴外像差由轴外像差由决定决定8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n AstigmatismsttsxxxChief raysBtB子午焦线子午焦线弧矢焦线弧矢焦线 sxtx平均场曲平均场曲: 把子午焦线把子午焦线(焦焦点点)和弧矢焦线和弧矢焦线(焦点焦点)的中的中点到理想像平面的距离作点到理想像平面的距离作为系统实际场曲大小的度

8、为系统实际场曲大小的度量量.2stxxx8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n Astigmatism8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n Astigmatism00000STsStTstKKxXxXxx若若BZMMDDB8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n DistortionBMMZChief rayImage0yzy畸变畸变: 0yyyzz正常正常正畸变正畸变:鞍形畸变鞍形畸变负畸变负畸变:桶形畸变桶形畸变000yyyyzz8-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差n Aberrations 球差球差: spherical aberration 彗差彗差:

9、coma 场曲场曲: field curvature 像散像散: astigmatism 畸变畸变: distortion 轴向色差轴向色差: axial chromatism 垂轴色差垂轴色差: lateral chromatism 轴上点像差轴上点像差: 球差、轴向色差球差、轴向色差轴外点像差轴外点像差: 彗差、场曲、像散、畸彗差、场曲、像散、畸变、垂轴色差变、垂轴色差单色像差单色像差: 球差、彗差、场曲、像散、畸变球差、彗差、场曲、像散、畸变色差色差: 轴向色差、垂轴色差轴向色差、垂轴色差8-5 几何像差的曲线表示几何像差的曲线表示n 像差的曲线表示像差的曲线表示8-5 几何像差的曲线表

10、示几何像差的曲线表示n 像差的曲线表示像差的曲线表示8-5 几何像差的曲线表示几何像差的曲线表示n Spot diagramzyyyZ8-5 几何像差的曲线表示几何像差的曲线表示n Encircled energyzyyyZ8-6 用波像差评价光学系统的成像质量用波像差评价光学系统的成像质量实际波面实际波面理想波面理想波面波像差波像差8-7 理想光学系统的分辨率理想光学系统的分辨率n 圆孔衍射圆孔衍射maxsin22. 12UnR8-7 理想光学系统的分辨率理想光学系统的分辨率n 瑞利判据瑞利判据maxsin61. 0UnR8-7 理想光学系统的分辨率理想光学系统的分辨率n 对比度对比度: c

11、ontrast 在邻近区域内在邻近区域内, 光强极大值和极小值之差与极大值和极小值之和的光强极大值和极小值之差与极大值和极小值之和的比值比值, 用用K表示表示.minmaxminmaxIIIIK8-7 理想光学系统的分辨率理想光学系统的分辨率n 斯特列尔比斯特列尔比: Strehl Ratio 有像差的衍射图样中心强度与无像差的衍射中有像差的衍射图样中心强度与无像差的衍射中心强度之比心强度之比aberrationnonaberrationIIRatioStrehl8-8 各类光学系统分辨率的表示方法各类光学系统分辨率的表示方法n 望远镜分辨率望远镜分辨率 maxsin61. 0Unytanff

12、y f2sinmaxfDUmaxUD22. 11n对于人眼最灵敏的对于人眼最灵敏的555nmD140 y8-8 各类光学系统分辨率的表示方法各类光学系统分辨率的表示方法n 照相系统分辨率照相系统分辨率 DnfR22. 12sinmaxfDUmaxsin61. 0UnR1nDfFFR22. 1照相物镜的分辨率用每毫米能够照相物镜的分辨率用每毫米能够分辨的线对数分辨的线对数N表示表示,它等于它等于R的的倒数倒数FRN22. 111nm555mmlpFN/15008-8 各类光学系统分辨率的表示方法各类光学系统分辨率的表示方法n 显微物镜分辨率显微物镜分辨率 maxsin61. 0UnR设显微物镜能分