工程光学基础6.ppt

1、第六章 像质评价,2011.3,概述,一、对系统成像性能的要求： 1、光学特性 焦距，物距，像距，放大率，入瞳位置，入瞳距离等； 解决这些问题：利用前面所学应用光学的知识,2、成像质量 足够清晰，物像相似，变形要小 解决这些问题：利用光学设计的知识,2011.3,二、成像质量评价的方法,1、光学系统实际制造完成后对其进行实际测量,分辨率检验： 分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔,空间频率：的倒数 ，单位：lp/mm,星点检验 一个物点通过光学系统成像后，根据弥散斑的大小和能量分布的情况，可以评判系统的成像质量,2011.3,分辨率检验时所采用的图案：,2011.3,分辨率检验时所采用的图

2、案：,2011.3,星点检验 衍射受限系统的夫朗和斐衍射图,2011.3,星点检验 衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布,2011.3,星点检验 衍射受限系统：子午面内的等强度线,2011.3,2、设计阶段的评价方法,几何光学方法：几何像差，波像差，点列图，几何光学传递函数,物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传递函数,2011.3,61 介质的色散和光学系统的色差,一、介质的色散,波长 速度 折射率,红光 长 快 小,紫光 短 慢 大,n1-n2 色散,色散: 介质对两种不同颜色光线（用波长 和 表示)的折射率之差,2011.3,色散: 某一种介质对两种不同颜色光线（用波长 和 表

3、示)的折射率之差,中部色散: 某一种介质对F（486.13nm）光和C光(656.28nm)的折射率之差,2011.3,二、色差,1、什么叫色差？,2、色差的表示方法,轴向色差：,不同颜色像点沿光轴方向的位置之差,2011.3,F红,F黄,F紫,通常用C、F光像平面的间距表示轴向色差,2011.3,垂轴色差： 不同颜色像对应大小之差,一般也用C、F 光在同一基准像面的像高之差表示。,2011.3,62 轴上像点的单色像差：球差,一、球差的定义,A1,A 0,不同孔径光线对理想像点的位置之差,2011.3,二、球差的表示方法,大口径边缘光线对距系统最后一面的距离,近轴（理想）像点位置,符号规则：

4、由理想像点计算到实际光线交点,2011.3,三、存在球差时的像点形状,最小弥散圆,2011.3,弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面,6-3 轴外像点的单色像差,子午面：主光线和光轴决定的平面,2011.3,一.子午像差,子午光线对,子午光线对交点,子午光线对交点与理想像平面不重合,同样，子午光线对交点与主光线不重合,2011.3,子午场曲: 子午光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3)hm,子午彗差：子午光线对交点到主光线的距离,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3),2011.3,细光束子午场曲：子午细光线对交点到理想像面的距

5、离,轴外子午球差 ：子午宽光束交点到细光束交点的距离,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3)hm,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3),2011.3,二.弧矢像差,弧矢光线对,弧矢光线对交点,弧矢光线对交点与理想像平面不重合,同样，弧矢光线对交点与主光线不重合,2011.3,弧矢场曲: 弧矢光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3)hm,弧矢彗差：弧矢光线对交点到主光线的距离,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3),2011.3,细光束弧矢场曲：弧矢细光线对交点到理想像面的距离,轴外弧矢球

6、差 ：弧矢宽光束交点到细光束交点的距离,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3)hm,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5, 0.3),2011.3,正弦差：彗差与像高的比值,像散：,畸变：成像光束的主光线的实际像高和理想像高之差,平均场曲：,2011.3,像点形状及特性,最小弥散圆,2011.3,2011.3,像差形状及特性,二.彗差 弧矢彗差大约等于子午彗差 的三分之一 光学系统有彗差时像点的 形状如彗星,2011.3,三.像散,像差形状及特性,子午焦线 弧矢焦线,在子午焦线处，得到水平焦线 在弧矢焦线处，得到垂直焦线 在两焦线之间，为椭圆,四.场曲 若存在场曲

7、，像面不是平面，是一个曲面,2011.3,五.畸变,像的大小和理想想高不等 畸变不影响像的清晰 只影响像的变形 如果实际像高小于理想像高：桶形畸变 如果实际像高大于理想像高：鞍形畸变 畸变和视场的三次方成正比,2011.3,垂轴像差,子午垂轴像差,2011.3,弧矢垂轴像差,2011.3,64 几何像差的曲线表示,2011.3,举例：计算如图所示系统的像差系统光学特性为L= =-18 h=10 系统的主要近轴参数为f=40.111 lF=28.269 y=13.42,2011.3,轴上点像差,1.0h 0.85h 0.7h 0.5h 0.3h 0.0h L 0.01632 -0.03319 -

8、0.04516 -0.03377 -0.01451 0 SC -0.00048 -0.00036 -0.00026 -0.00014 -0.00005 0 Lg 0.08203 0.02128 0.00262 0.00808 0.02416 0.03704 LC 0.05059 0.00044 -0.01213 -0.001440.01740 0.03169 LgC 0.03143 0.02084 0.01476 0.00952 0.00676 0.00535,2011.3,轴外细光束像差, 1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 yz -0.11120-0.07304-0.04409-0.

9、01634-0.00363 xt -0.06395-0.018260.00068 0.00605 0.00373 xs -0.03940-0.05270 -0.05038 -0.03363 -0.01390 Xts -0.024550.03444 0.05106 0.03968 0.01763 ygC 0.00445-0.00241-0.00565-0.00655-0.00484,2011.3,轴外宽光束像差, 1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 LT1h 0.394840.37338 0.31459 0.19827 0.08993 KT1h -0.00666 -0.00857 -0.0

10、0941-0.00647-0.00595 LT7h 0.110690.09554 0.06942 0.02327-0.01802 KT7h -0.01040 -0.00878-0.00712-0.00448-0.00278 LS1h 0.63399 0.45824 0.32002 0.16716 0.07041 KS1h -0.03192-0.02101-0.01343-0.00601-0.00258,2011.3,子午垂轴像差,+1.0h +0.85h +0.7h +0.5h +0.3h0 -0.3h -0.5h -0.7h -0.85h -1.0h 1.0 0.070630.01823-0

11、.00285-0.00980-0.006480.0.00082-0.00390-0. 01795-0.03942-0.08394 0.85 0.076170.025180.00411-0.00423-0.003080.-0.000154-0.00700-0 .02166-0.04446-0.09331 0.7 0.067670.022990.00485-0.00224-0.001560.-0.00207-0.00663-0. 01908-0.03976-0.08650 0.5 0.044790.012510.00065-0.00252-0.001060.-0.00132-0.00319-0.

12、00961-0.02306-0.05772 0.3 0.01795-0.00056-0.00532-0.00389-0.001170.-0.000160.00062-0.0 0024-0.00701-0.02984 0 0.00420-0.00720-0.00809-0.00425-0.001090.0.001090.004250 .008090.00720-0.00420,2011.3,弧矢垂轴像差,1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 yszs yszs yszs yszs yszs 1.0h -0.03192 0.14715 -0.021010.10156 -0.013430.068

13、14 -0.006010.03407 -0.002580.01450 yszs yszs yszs yszs yszs 0.85h -0.02228 0.07163 -0.014700.04467 -0.009430.02574 -0.004350.00747 -0.00186-0.00231 yszs yszs yszs yszs yszs 0.7h -0.01525 0.03248 -0.010110.01698 -0.006530.00679 -0.00311-0.00215 -0.00134-0.00628 yszs yszs yszs yszs yszs 0.5h -0.00763

14、0.00675 -0.005100.00070 -0.00333-0.00257 -0.00164-0.00447 -0.00072-0.00456 yszs yszs yszs yszs yszs 0.3h -0.00276 -0.00066 -0.00186-0.00258 -0.00122-0.00317 -0.00061-0.00277 -0.00027-0.00183,2011.3,像差曲线,2011.3,垂轴像差曲线,2011.3,理想成像：球面波 波像差 实际波面和理想波 面之间的光程差,65 用波像差评价光学系统的成像质量,2011.3,用波像差评价光学系统的成像质量,0 1

15、2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 -1.479-1.470-1.436 9 -1.444-1.454-1.480-1.506-1.499 8 -1.165-1.186-1.246-1.334-1.433-1.503-1.479 7 -0.820-0.844-0.917-1.034-1.186-1.350-1.480-1.494 6 -0.507-0.530-0.601-0.722-0.893-1.101-1.318-1.480-1.479 5 -0.271-0.290-0.351-0.461-0.625-0.844-1.101-1.350-1.503 4 -0.120-0.134-0

16、.181-0.271-0.416-0.625-0.893-1.186-1.433-1.499 3 -0.040-0.049-0.081-0.149-0.271-0.461-0.722-1.034-1.334-1.506 2 -0.008-0.013-0.032-0.081-0.181-0.351-0.601-0.917-1.246-1.480-1.436 1 -0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.470 0 0.000-0.001-0.008-0.040-0.120-0.271-0.507-0.820-1.

17、165-1.444-1.479 -1 -0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.470 -2 -0.008-0.013-0.032-0.081-0.181-0.351-0.601-0.917-1.246-1.480-1.436 -3 -0.040-0.049-0.081-0.149-0.271-0.461-0.722-1.034-1.334-1.506 -4 -0.120-0.134-0.181-0.271-0.416-0.625-0.893-1.186-1.433-1.499 -5 -0.271-0.290-

18、0.351-0.461-0.625-0.844-1.101-1.350-1.503 -6 -0.507-0.530-0.601-0.722-0.893-1.101-1.318-1.480-1.479 -7 -0.820-0.844-0.917-1.034-1.186-1.350-1.480-1.494 -8 -1.165-1.186-1.246-1.334-1.433-1.503-1.479 -9 -1.444-1.454-1.480-1.506-1.499 -10-1.479-1.470-1.436,2011.3,2011.3,66 理想光学系统的分辨率,理想光学系统的分辨率：完全没有像差，

19、成像符合理想的光学系统所能分辨的最小间隔,通常把衍射光斑中央亮斑作为物点通过理想光学系统的衍射像。,2011.3,中央亮斑直径,由于衍射像有一定大小，如果两个像点之间距离太短，就无法分辨两个像点，我们把两个衍射像点之间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的衍射分辨率。,2011.3,由于衍射像有一定大小，如果两个像点之间距离太短，就无法分辨两个像点，我们把两个衍射像点之间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的衍射分辨率。,2011.3,瑞利判据：两像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑半径,理想光学系统衍射分辨率公式,对比度：,2011.3,瑞利判据 道斯判据 斯派罗判据,2011.3,67 各类

20、光学系统分辨率的表示方法,一、望远镜分辨率,用能分辨开的两物点对物镜张角表示,2011.3,望远镜分辨率测量,2011.3,二、照相系统分辨率,用像平面上每毫米能分辨开的线对数N表示,2011.3,照相系统分辨率测量,2011.3,三、显微镜分辨率,用物平面上刚能分辨开的两个物体间的最短距离 表示,2011.3,68 光学传递函数,一、概述,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 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。

21、因此需要靠设计试制测试反复多次才能达到要求。 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。,2011.3,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 能够全面、定量反映光学系统的衍射和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 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 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,2011.3,图像的合成与分

22、解,分解方法 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,2011.3,例如,振幅和空间频率的关系称为振幅频谱函数,初位相和空间频率的关系称为位相频谱函数,2011.3,分解,周期函数,周期函数的频谱函数只是若干个不连续的离散点,2011.3,分解,非周期函数,非周期函数的振幅频谱函数和位相频谱函数是连续函数,2011.3,光学传递函数的基础,线性系统,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比较小的，在一定范围内，可以看作是空间不变的,空间不变系统,2011.3,二、光学传递函数的计算思路,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。,利