第九章像质评价与像差公差分析.ppt

1、第9章光学系统的画质评价和像差公差、9-1瑞利判定和中心点亮度9-2点列图9-4光学传递函数9-5其他画质评价方法9-6光学系统的像差公差、2，9-1瑞利判定和中心点亮度，在不考虑衍射现象的影响的情况下，光学系统的成像质量主要是系统的像差的大小但是，任何光学系统都不需要校正所有的像差，因此存在剩馀像差及其公差，有必要提出光学系统的成像品质的评价方法。 另一方面，瑞利判定为“实际的波面和参照球面波之间的最大波面像差不超过/4时，该波面视为没有缺陷”。 根据成像波面相对于理想球面波的变形程度来判断光学系统的成像品质。 当给出最大波面像差公差： W/4时，成像质量良好。 3、优点：实用方便。 如果计算几何像差曲线，对其进行积分，就能获得波面像差，判断成像的优劣。 也可以计算几何像差的公差。 缺点：不严格，不考虑局部缺陷在整个波面面积上的分量。 适用范围：是一种比较严格的画质评价方法，适用于显微镜、望远镜等对画质要求高的系统。 二、中心点亮度在光学系统中存在像差的情况下，通过该成像衍射光斑的中心亮度与不存在像差时的衍射光斑的中心亮度之比，表示光学系统的成像品质。 也就是说，失速基准： S.D0.8时，画质被认为是完美的。 缺点：计算复杂，不实用。 4、优点：在评价图像质量方面与瑞利判定一致。 适用范围：是高画质的画质评价方法，只能适用于小像差光学系统。 5、9-2分辨率、分辨率反映了光学系统识别物体细节的能力，是光学系统的重要性能，因此可以评价光学系统的成像质量。 可识别的两个等亮度亮点间的距离对应于爱丽丝光斑的半径，即，当一个亮点的衍射图案的中心与另一个亮点的衍射图案的第一暗化重叠时，表现为能够识别这两个亮点。 6、能识别的两种衍射图案中的光强度的极大值和极小值的比为1:0.735，相当于受光器能识别的亮度，可见分辨率的大小也与受光器的分辨率有关。 从衍射理论可以看出，光学系统的最小分辨率是：与入光瞳直径、第一暗环半径对应的出光瞳中心张角，该评价方法不太完善，像差可以降低光学系统的分辨率，但小像差光学系统实际的分辨率很少受到像差的影响，不应该用分辨率来评价画质分辨率检查用鉴别板根据照明条件和受光器的不同，检查结果也不同，所以有时觉得画质好，有时觉得不好。 识别照片、物镜等时，可能会发生“假识别现象”。 也就是说，某一组的条纹变得不能识别，但能够反过来识别更密的组的条纹，是因为对比度反转了。 因此，分辨率作为画质的评价方法也不是严格且可靠性高的评价方法。 优点：指标单一。 容易测量，广泛应用于图像质量检测。 适用范围：大像差光学系统。 8，9-3点列图是在几何光学中，从一点发出的很多光线通过光学系统成像后，由于像差的存在，不能集中在像面和一点上，形成分布在一定范围的分散斑，称为点列图。 利用点的密集度测定光学系统的成像品质的方法被称为点列图表法。 可以利用光线追踪法正确地表现点物体的成像状况，即把入光瞳的一半分成多个等面积小单元，把从物体点发出并通过各小单元的中心的光线认为代表通过光瞳的光能。利用光线追踪可以求出像面上的想法分布密度。 因此，光线越多，像面上的想法数越多，越能反映像面上的光强度分布。 9、使用点图案法评价画质时，通常把收集了30%以上点和光线的图案区域作为实际的有效扩散斑来利用，其直径的倒数是系统的分辨率。 优点：简单易用，形象直观。 缺点：计算量大，必须借计算机。 适用范围：大像差光学系统。 光瞳面上的元选择方法、10、9-4光学传递函数是基于尽管用瑞利判定、中心点亮度、分辨率、点图案法来评价画质，但仍将物体视为发光点，用一点成像时的能量集中度来表现光学系统的成像品质。 使用光学传递函数来评估图像质量是基于将物体视为由不同频率的频谱构成，即将物体的光场分布函数分解为傅立叶级数或傅立叶积分的形式。 物体通过光学系统成像，物体的传输效果被认为频率不会变化，但是对比度和相位会发生变化。 这样的对比度的降低和相位变化因频率而不同，其函数关系被称为光学传递函数。 由于该函数与光学系统的像差和光学系统的衍射效果双方有关，所以使用该方法对画质进行更客观、更可靠的评价。 通常，光学传递函数包括不同频率的分量，高频反映物体的细节的传输状况，而低频反映物体的轮廓的传输状况。 另外，使用MTF (调制传递函数)曲线来评估画质MTF表示在将各种频率的正弦强度分布函数成像于光学系统之后，其对比度(或振幅)的衰减程度。 某频率的对比度下降到0时，表示该频率的光强度分布没有亮度变化，表示频率被截止。 虽然I的截止频率很小，但曲线I的低频部分的值远远大于曲线II。 在低频部分中，曲线I的MTF值大于曲线II，即，光学系统I具有高分辨率，并且具有高对比度。 但是，在高频部分，光学系统II具有高分辨率。 用12、2、MTF曲线的积分值评价画质理论：像点中心点亮度值=MTF曲线包围的面积。 MTF所包围的面积越大，从光学系统传递的信息量越多，成像质量越好，图像越清晰。 另外，被MTF曲线包围的面积、被两曲线包围的面积，曲线I是光学系统的MTF曲线，曲线II是接收器的分辨率极值曲线。 两条曲线包围的面积越大，表示系统的成像质量越好，其交点f是并用光学系统和光接收器时的极限分辨率。 另外，13、9-5其他画质评价方法、瑞利判定和中心点亮度要求严格，因此，仅适用于小像差系统的分辨率和点图表法，主要考虑到像差对成像品质的影响，因此，只能适用于大像差系统，不能适用于像差被校正到衍射极限的小像差系统的光学传输适用于大像差系统和小像差系统两者，但仅考虑物体对不同频率分量的传递能力，不能全面评价一个成像系统的所有性能。 因此，对任何光学系统的画质评价都需要很多的评价方法。 但是，这些方法可以归纳为两种：几何光学和基于衍射理论的方法。 另一方面，基于几何光学的方法在计算机技术成熟之前，一般的画质评估多基于几何光学原理。 通过近轴光路计算得到的高斯像点位置及其他理想参数通过实际光路计算求出各种像差值，或绘制各种像差曲线。 14、现代光学设计中经常使用光路差曲线和像差特征曲线。 基于衍射理论的方法对图像质量要求非常高的光学系统，其像差一般要校正到衍射极限。 在这种情况下，用几何学方法不能得到正确的评价，需要基于衍射理论的评价方法。 除瑞利判定、光学传递函数等方法外，基于衍射理论的画质评价方法还包括扩散函数和线扩散函数。 点扩散函数是理想的几何学点，通过光学系统后该像点的能量扩大的状况。线扩散函数是子午面或弧矢面内的几何线，通过光学系统后的能量展开。 通常，用快速傅立叶变换进行近似处理。 16、点扩散函数、17、线扩散函数、子午面状况、弧午面状况、18、3及其他要评价的成像质量的所有画质评价方法都不考虑光学元件的材料特性或加工、安装误差对成像质量的影响。 现代光学设计在加工前要全面评价和分析这些因素，模拟真实的图像效果。 材料对任何光学材料都有一定程度的光谱透射率、制作精度、热膨胀和收缩效果等，对图像质量有重要的影响。 此外，当光能的一部分被反射在任何透射介质的表面上，并且这些反射的光沿着不希望的路径到达图像面时，形成重影，从而影响图像形成质量。 一般可以通过光路跟踪进行模拟。 现代的光学设计软件多具有光谱分析、透射率分析、材质分析、重影分析等功能。 为了避免对加工精度和安装精度特别敏感的情况的发生，在设计时通过光路跟踪进行模拟分析。 如果使一个或多个折射面的曲率半径(相当于加工误差)微弱地变化，则观察像差是否急剧变化，使一个或多个元件的位置(相当于安装误差)微弱地变化，观察像差是否急剧变化。 通过分析各误差对成像质量的影响，反而可以合理分配加工误差和安装误差，在保证成像质量的同时，降低加工成本和安装成本(公差分析)。 20，9-6光学系统的像差公差、像差的存在是必然的，一般光学系统不需要消除所有像差。 可以将波面像差的容许值用作几何像差公差，但一般仅限于望远镜和显微镜等评价小像差的系统。 其他系统的像差公差基于长期设计和实际使用要求。 另一方面，望远和显微物镜的像差公差等物镜必须在轴上的物点和近轴物点保证良好的成像质量。 因此，必须校正好球差、色差、签名差。 球面像差公差在边缘开口部的球面像差公差：21、彗形像差公差根据经验：色差公差、二、望远目镜和显微目镜的像差公差等目镜的视场角大，因此必须校正轴外像差。 原始彗形像差公差、矢状彗形像差公差、像散公差、22、像面弯曲公差的像差和像面弯曲在眼睛的调节范围内，容许范围为24D、失真公差、倍率色像差公