像质评价技术课件

周广丽图书馆301像质评价应用光学像质评价光学CAD主要内容光学系统像质评价初级像差理论自动设计原理参考书:<工程光学>李林,北京理工大学出版社<工程光学>郁道银,机械工业出版社<工程光学设计>萧泽新,电子工业出版社<应用光学与光学设计基础>迟泽英,东南大学出版社1.1概述1.2光学系统的坐标系统、结构参数和特性参数1.3几何像差的定义及计算1.4用波像差评价光学系统的成像质量1.5用光学传递函数评价系统像质第一章光学系统像质评价1.1概述1.光学系统的作用

把目标发出的光按仪器工作原理的要求改变它们的传播方向和位置，送入仪器的接收器，从而获得目标的改变信息，包括目标的几何形状、改变强弱等。2.对光学系统成像性能的要求：（1）光学性能：焦距、物距、像距、放大率等。（2）成像质量：像应该清晰，物像相似，变形要小。1.2光学系统的坐标系统、结构参数和特性参数1.常用量的符号及符号规则与《应用光学》中相同。2.共轴光学系统的结构参数系统中每个曲面的形状可表示为：c为曲面顶点的曲率；K为二次曲面系数；a4,a6,…a2n为高次曲面系数。不同的面形，对应不同的面形系数，例如:球面:K=1，a4=a6=…=a2n=0；二次曲面:K≠1，a4=a6=…=a2n=0。K值K<0K=00<K<1K=1K>1面形双曲面抛物面椭球面球面扁球面二次曲面面型3.光学特性参数（1）物距L(2)物高y或视场角ω当物平面位于有限距离时,成像范围用物高y表示;当物平面位于有限远时,成像范围用视场角ω表示.(3)物方孔径角正弦sinU或光束孔径高h

当物平面位于有限距离时,光束孔径用轴上点边缘光线和光轴夹角U的正弦sinU表示;当物平面位于无限远时,光束孔径用轴向平行光束的边缘光线孔径高h表示.(5)渐晕表示系统渐晕状况的两种方式:渐晕系数法每个通光孔的实际通光半径建立系统的一般步骤建立初始结构输入软件评价系统质量好完成不好自动化修改查手册查专利自己建1.3几何像差的定义及计算几何像差：通过对空间光线的追迹得到基础：立体几何正弦函数的级数展开为：1.轴上物点相同孔径的光线，像距相同不同孔径的光线，像距不同（1）轴上物点的单色像差

轴向球差：出射波面偏离球面波之差轴上点发出的同心光束经光学系统各球面折射后不再为同心光束，不同孔径角的光线交光轴于不同位置上，相对于理想像点的位置有不同的偏离。垂轴球差：a)球差的函数表达式：b)消球差的方法正透镜产生负球差负透镜产生正球差球差的分布式：在近轴区：每个面上的初级球差分布系数：SI=luni(i-i’)(i’-u)初级球差：习题：一个光学系统，已知其只包含初级和二级球差，更高级的球差可忽略不计。已知该系统的边光球差δLm’=0，0.707带光球差δL0.707’=-0.015，求：（1）表示出此系统的球差随相对高度h/hm的展开式，并计算0.5和0.85带光线的球差；（2）边缘光的初级球差和高级球差；（3）最大的剩余球差出现在哪一高度带上？数值是多少？（2）轴上物点的色差薄透镜：波长的选取随仪器所用的光能接收器的不同而改变：用人眼观察的目视光学仪器采用C（656.28nm），D（589.30nm），F（486.13nm）3种波长。用感光底片接收的照相机镜头，采用C，D，G（435.83nm）3种波长。近轴位置色差：不同颜色光线理想像点之差。通常用C和F两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也称为近轴轴向色差。当孔径变大时

ΔLFC’(h)=LF’(h)-LC’(h)轴向色差2.轴外像点的像差轴上点：子午面与弧失面光线分布一样轴外点：弧失光线对称于子午面，子午面内光线光束的对称性被破坏。（1）子午像差子午场曲XT’子午慧差KT’细光束子午场曲xt’轴外子午球差δLT’=XT’-xt’子午像差---跟物高有关随着物高（视场）的增大，子午光线的不对称性增大。子午像差跟孔径有关---全孔径子午像差跟孔径有关---0.7孔径子午像差跟孔径有关---0.5孔径子午像差跟孔径有关---0.3孔径子午像差跟孔径有关-----慧差随光束孔径减少，迅速减到0场曲随孔径减少，最终不一定为0，而为定值-----细光束子午场曲。总结（2）弧失像差弧失场曲XS’

弧失慧差KS’细光束弧失场曲xs’

轴外弧失球差δLS’=XS’-xs’弧失像差下为弧失光线对弧失像差与孔径关系同子午像差，即：慧差随光束孔径减少，迅速减到0场曲随孔径减少，最终不一定为0，而为定值-----细光束弧失场曲。像散（3）主光线像差---畸变

畸变由主光线的球差产生，z为轴上点，其近轴像点位于z’，实际像点位于z’’。畸变----种类垂轴放大率与视场有关，并非常数。正畸变：枕形畸变负畸变：桶形畸变垂轴色差：不同颜色光线的主光线和同一基准像面交点高度（即实际像高）之差。3.几何像差的垂轴表示法几何像差的另一种表示方法：用不同孔径子午、弧失光线在理想像面上的交点和主光线在理想像面上的交点间的距离来表示。a)若两者同号,肯定存在慧差b)若两者异号,且δy’(-h,y)+δy’(h,y)=0,不存在慧差a)一般情况b)若弧失光线对交点在主光线上c)若δx’(-h,y)=0;δx’(h,y)=0,则场曲为0子午垂轴像差与几何像差的关系4.Seidal像差理论Seidal像差理论(h,θ)为入瞳极坐标,y为物高(视场)第一项为球差,第二项为慧差第三项为像散和场曲,第四项为畸变.垂轴像差和独立几何像差与孔径和视场的关系垂轴像差/独立几何像差h(次方)y’(次方)球差δL’30慧差KS’KT’21像散xts’12场曲xt’xs’12畸变δyz’031.4用波像差评价光学系统的成像质量实际波面和理想波面之间的光程差称为波像差。AA‘如果最大波像差小于四分之一波长，则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，称为瑞利标准。1.5用光学传递函数评价系统像质用MTF曲线来评价成像质量用MTF曲线的积分值来评价成像质量传递函数与离焦量的关系第二章、薄透镜系统的初级像差理论2.1概述2.2薄透镜系统的初级像差方程组2.3薄透镜组像差的普遍性质2.4像差特性参数的P、W、C的规化2.5薄透镜的和结构参数的关系2.6双胶合透镜组结构参数的求解2.7平行玻璃板的初级像差公式2.8光学系统消场曲的条件—petzval条件2.1概述2.薄透镜的概念如果一个透镜组的厚度和它的焦距比较可以忽略，这样的透镜组称为薄透镜组。由若干个薄透镜组构成的系统，称为薄透镜系统（透镜组之间的间隔可以是任意的）2.薄透镜系统的初级像差方程组已知:φ1,φ2

,φ,d1,u,u’第一辅助光线:h1,h2第二辅助光线:hz1,hz2外部参数(与具体结构参数(r,d,n)无关)薄透镜系统的初级像差方程组对薄透镜组求和其中的参数:对单透镜求和像差方程组的用途可以得到薄透镜组的像差性质已知像差的数值,反求结构参数2.3薄透镜组像差的普遍性质2.3.1薄透镜组的单色像差性质1.一个薄透镜组只能校正两种初级单色像差2.光阑位置对像差的影响（1）球差与hz无关，所以光阑位置对球差没有影响。（2）慧差慧差与光阑位置有关。但球差为零时，慧差即与光阑位置无关。（3）像散像散与光阑位置有关，但球差、慧差都为零时，像散与光阑位置无关。（4）光阑和薄透镜组重合时hz=0像散与透镜组的结构无关，无法校正。（5）光阑和薄透镜组重合时畸变为零。（6）单透镜的petzval场曲xp’对单透镜组来说，xp’与结构无关。2.3.2薄透镜组的色差性质1.一个薄透镜组消除了轴向色差必然同时消除垂轴色差。2.薄透镜组必须采用不同材料的玻璃组合消色差。3.消色差的条件和物体位置无关。2.4像差特性参数P,W,C的规化物距焦距入射高保持透镜组的几何形状相似∞11（1）P,W对f’的规化薄透镜系统的求解过程外形尺寸计算根据对系统的像差要求,列出初级像差方程组求解方程组得到系统中每个薄透镜组的像差特性参数P,W,C经过规化,求出求出每个透镜组的结构参数2.5单透镜的和结构参数的关系例：有一平凸透镜，焦距f’=4000mm，玻璃材料为K9(n=1.5163，γ=64.1)用作平行光管物镜，如下图。通光口径D=160，求该透镜的初级球差、慧差和轴向色差。由表3-1用插值法得到n=1.5163时的P0，Q0值为：P0=2.05，Q0=-1.26由于透镜为平凸形，并且凸面向前，所以C2=0，代入公式Q=C2