光学设计-2012光学系统设计 光学系统成像质量评价

光学系统成像质量评价,概述几何像差波像差分辨率点列图光学传递函数非成像系统质量评价,概述,光学系统的成像性能：1 、光学特性 包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等；2、成像质量 光学系统所成的像应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。成像质量评价方法分类：1、测量法2、计算法,轴上像点的单色像差球差,轴外像点的单色像差,(一)球 差 轴外球差和轴上球差的性质基本相同。在视场不大的情形下，轴外球差的大小和轴上球差也基本相等。 (二)彗 差 在斜光束中子午彗差和弧矢彗差一般都同时存在，并且弧矢彗差总比子午彗差小，大约等于子午彗差的三分之一。根据其中任意一个就能判断系统彗差的大小。如果光学系统只存在彗差，光束结构如图所示。,像点的形状,(三)像散 如果光学系统只存在像散，则子午光束和弧矢光束均分别交于主光线上的同一点。两交点的位置不重合，光束结构如图所示。整个光束形成两条焦线，分别称为“子午焦线”和“弧矢焦线”。,(四)场 曲 不能得到一个清晰的像平面，它实际上仍然要影响像平面上的清晰度。每一个像点在像平面上得到一个弥散圆。,(五)畸 变,介质的色散和光学系统的色差,用波像差评价光学系统的成像质量,在理想成像的情况下，对应的波面应该是一个以理想像点为中心的球面理想波面。如果光学系统成像不符合理想，存在几何像差，则对应的波面也不再是一个以理想像点为中心的球面。把实际波面和理想波面之间的光程差，作为衡量该像点质量 优劣的指标，称为波像差。波像差一般用来评价小像差评价光学系统。,分辨率,能被光学系统分辨开的两个物点(或像点)之间的最小距离，称为光学系统的分辨率或分辨本领。对大部分光学系统都应有分辨率的要求，它反映了光学系统分辨物体细微结构的能力，是评价光学系统的质量指标之一。它比较容易测量，被广泛应用于光学仪器质量检验中。,点列图,由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图(spot diagram).点列图忽略了衍射效应。实验和实用结果表明，在大像差系统的点列图中，点的分布能近似地代表点像的能量分布。因此，用点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。点列图来评价系统的像质是一种方便、易行、直观的方法。,计算机上的点列图,radius是均方根半径，GEO radius是几何(最大)半径。在计算机上的点列图是彩色的，不同颜色的点表示不同色光。使用点列图一方面要看点列图的大小，也要看点的分布，观察是什么像差影响成您质量。一般将均方根半径值看成与分辨率值相等,点列图,光学传递函数,把物平面分解成无穷多个物点，这只是讨论光学系统成像性质的一种方法。利用傅立叶分析的方法，还可以对物平面作另一种形式的分解。根据傅立叶级数和傅立叶变换的性质，我们知道，任意周期函数可以展开成傅立叶级数。例如图8-28(a)中的一个以P为周期的矩形周期函数，它就是与我们前面介绍的分辨率板相对应的光强度分布函数。可以把它分解为以下的博立叶级数,用光学传递函数评价系统的像质,由于光学传递函数能全面反映光学系统的成像性质，因此，可以用它来评价成像质量。除了共轴系统的轴上点而外，像点的弥散图形一般是不对称的，因此，不同方向上的光学传递函数也不相等。为了全面表示该像点在不同方向上的光学传递函数，必须用一个三维空间曲面来表示。为了简化，和前面研究几何像差的方法相似，我们用于午和弧矢两个方向上的光学传递函数曲线宋代表该像点的光学传递函数。实践证明，决定光学系统成像质量的主要是振幅传递函数，因此，一般只给出振幅传递函数曲线，而不考虑位相传递函数。,MTF,MTF,像差与孔径、视场的关系,孔径增大，宽光束像差大且难以校正。视场增大，轴外像差大且难以校正。球差、位置色差：与孔径有关彗差：与孔径、视场都有关像散、场曲：对细光束，与视场有关。对宽光束，与孔径、视场都有关。畸变：与视场有关。各种像差均可展开成孔径、视场的级数。光学设计：通过反复调整光学系统的参数，如半径、间隔、材料等，使光学系统的成像质量达到要求。,像素-分辨率-空间频率,例如，电视画面在水平方向的总扫描行数约为六百线，相当于三百线对（lp ）。如果采用一英寸的摄像管，画面尺寸约为15x 20mm，则摄像管画面在垂直方向上的像素数为 600分辨率为 15/600=0.025 (mm)空间频率为 300/15=20 (lp/mm)电视画面在垂直方向上的像素数、分辨率和空间频率？,例：测量光学传递函数 1. 对比度法；测量像的对比度来实现 2. 干涉法；求光瞳函数的自相关函数 3. FFT法；对线扩散函数或点扩散函数进行FFT 4、 。,分析,1、几何像差分类 （2+5）2、影响像差的因素 （视场、孔径、波长差）3、像差对像质的影响 （模糊、颜色失真、畸变）4、像质对系统性能的影响 （分辨率、瞄准精度、测量精度、真实感）5、像差理论的作用,光学系统的像差公差,可以作为评定设计质量的标准利用它可以制定合理的制造允差,非成像系统质量评价,照明光学系统分析照明光学系统，如柯拉照明和临界照明分析目的就是将光源发出按一定能量分布的光，通过光学系统改