第九章像質(zhì)評(píng)價(jià)與像差公差課件分解.ppt

1 第九章光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)和像差公差 9 1瑞利判斷和中心點(diǎn)亮度 9 2分辨率 9 3點(diǎn)列圖 9 4光學(xué)傳遞函數(shù) 9 5其他像質(zhì)評(píng)價(jià)方法 9 6光學(xué)系統(tǒng)的像差公差 2 9 1瑞利判斷和中心點(diǎn)亮度 由前面知識(shí) 在不考慮衍射現(xiàn)象影響時(shí) 光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量主要與系統(tǒng)的像差大小有關(guān) 因此設(shè)計(jì)任何光學(xué)系統(tǒng)時(shí)都必須考慮像差的校正 但任何光學(xué)系統(tǒng)都不可能也沒必要把所有像差都校正掉 因此存在剩余像差及其公差 有必要提出光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法 一 瑞利判斷瑞利認(rèn)為 實(shí)際波面與參考球面波之間的最大波像差不超過 4時(shí) 此波面可看作是無缺陷的 即瑞利判斷 它依據(jù)成像波面相對(duì)理想球面波的變形程度來判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的 并給出最大波像差公差 W 4時(shí) 成像質(zhì)量是良好的 3 優(yōu)點(diǎn) 便于實(shí)際應(yīng)用 只要計(jì)算出幾何像差曲線 再對(duì)其積分就可得到波像差 即可判斷成像的優(yōu)劣 同時(shí)還可用它求出幾何像差的公差 缺點(diǎn) 不夠嚴(yán)密 沒有考慮局部缺陷在整個(gè)波面面積中的分量 適用范圍 是一種較為嚴(yán)格的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法 適用于小像差光學(xué)系統(tǒng) 如顯微鏡 望遠(yuǎn)鏡等對(duì)像質(zhì)要求較高的系統(tǒng) 二 中心點(diǎn)亮度依據(jù) 光學(xué)系統(tǒng)存在像差時(shí) 其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時(shí)衍射斑的中心亮度之比來表示光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的 即斯托列爾準(zhǔn)則 S D 0 8時(shí) 認(rèn)為像質(zhì)是完善的 缺點(diǎn) 計(jì)算復(fù)雜 不便實(shí)際應(yīng)用 4 優(yōu)點(diǎn) 在評(píng)價(jià)成像質(zhì)量上和瑞利判斷一致 適用范圍 也是一種高質(zhì)量的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法 只適用于小像差光學(xué)系統(tǒng) 5 9 2分辨率 分辨率是反映光學(xué)系統(tǒng)能分辨物體細(xì)節(jié)的能力 是光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)很重要的性能 因此可用其來評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量 表述為 能分辨的兩個(gè)等亮度亮點(diǎn)間的距離對(duì)應(yīng)艾里斑的半徑 即一個(gè)亮點(diǎn)的衍射圖案中心與另一個(gè)亮點(diǎn)的衍射圖案的第一個(gè)暗環(huán)重合時(shí) 這兩個(gè)亮點(diǎn)能被分辨開 6 能被分辨開的兩個(gè)衍射圖案中的光強(qiáng)極大值與極小值之比為1 0 735 與接收器能分辨的亮度相當(dāng) 可見分辨率的大小還與接收器分辨率有關(guān) 由衍射理論知 光學(xué)系統(tǒng)的最小分辨角為 入瞳直徑 第一暗環(huán)半徑對(duì)應(yīng)的出瞳中心張角 該評(píng)價(jià)方法不很完善 存在的缺點(diǎn) 像差可降低光學(xué)系統(tǒng)的分辨率 但小像差光學(xué)系統(tǒng) 其實(shí)際分辨率受像差的影響很小 不宜用分辨率來評(píng)價(jià)象質(zhì) 而在大像差光學(xué)系統(tǒng)中 分辨率與系統(tǒng)的像差有關(guān) 常用分辨率作為成像質(zhì)量指標(biāo) 用于分辨率檢測(cè)的鑒別板 由于照明條件和接收器的不同 其檢測(cè)結(jié)果也不同 有時(shí)可能認(rèn)為像質(zhì)較好 有時(shí)認(rèn)為較差 7 對(duì)照相物鏡等作分辨檢測(cè)時(shí) 有時(shí)會(huì)出現(xiàn) 偽分辨現(xiàn)象 即在某一組條紋時(shí)已不能被分辨 但對(duì)更密一組的條紋反而可以分辨 這是因?yàn)閷?duì)比度反轉(zhuǎn)造成的 因此分辨率作為像質(zhì)評(píng)價(jià)方法也不是一種嚴(yán)格而可靠的評(píng)價(jià)方法 優(yōu)點(diǎn) 指標(biāo)單一 便于測(cè)量 在像質(zhì)檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用 適用范圍 大像差光學(xué)系統(tǒng) 8 9 3點(diǎn)列圖 在幾何光學(xué)中 由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后 由于像差的存在 使其與像面不再集中于一點(diǎn) 而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散斑 稱為點(diǎn)列圖 利用點(diǎn)的密集程度來衡量光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的方法 稱為點(diǎn)列圖法 利用光線追跡法可精確表示出點(diǎn)物體的成像情況 即將入瞳的一半分成大量的等面積小單元 并把發(fā)自物點(diǎn)且穿過每一個(gè)小面元中心的光線 認(rèn)為是代表通過光瞳的光能量 利用光線追跡就可求出在像面上的點(diǎn)子分布密度 因此光線越多 像面上點(diǎn)子數(shù)越多 越能反映出像面上的光強(qiáng)度分布情況 9 利用點(diǎn)列圖法來評(píng)價(jià)像質(zhì)時(shí) 通常是利用集中30 以上的點(diǎn)或光線所構(gòu)成的圖形區(qū)域作為其實(shí)際有效彌散斑 其直徑的倒數(shù)即為系統(tǒng)的分辨率 優(yōu)點(diǎn) 簡(jiǎn)便易行 形象直觀 缺點(diǎn) 計(jì)算量大 需借助計(jì)算機(jī) 適用范圍 大像差光學(xué)系統(tǒng) 光瞳面上面元選取方法 10 9 4光學(xué)傳遞函數(shù) 不管是瑞利判斷 中心點(diǎn)亮度還是分辨率 點(diǎn)列圖法來評(píng)價(jià)像質(zhì) 都是基于將物體看作是發(fā)光點(diǎn) 并以一點(diǎn)成像時(shí)的能量集中程度來表征光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量 利用光學(xué)傳遞函數(shù)來評(píng)價(jià)像質(zhì) 是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成的 即把物體的光場(chǎng)分布函數(shù)分解為付氏級(jí)數(shù)或付氏積分的形式 物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像 可認(rèn)為物體傳遞效果是頻率不變 但對(duì)比度和相位發(fā)生改變 這種對(duì)比度的降低和相位推移是隨頻率不同而不同的 其函數(shù)關(guān)系稱為光學(xué)傳遞函數(shù) 該函數(shù)既與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān) 又與光學(xué)系統(tǒng)的衍射效果有關(guān) 因此用該法來評(píng)價(jià)像質(zhì)更客觀 更可靠 一般來說光學(xué)傳遞函數(shù)是由不同頻率的分量組成 高頻反映物體的細(xì)節(jié)傳遞情況 低頻反映物體的輪廓傳遞情況 11 一 利用MTF 調(diào)制傳遞函數(shù) 曲線來評(píng)價(jià)像質(zhì)MTF是表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后 其對(duì)比度 或振幅 的衰減程度 當(dāng)某一頻率的對(duì)比度下降為0時(shí) 表明該頻率的光強(qiáng)分布無亮度變化 表明頻率被截止 顯然I的截止頻率較小 但曲線I在低頻部分的值較曲線II大很多 表明 在低頻部分 曲線I的MTF值大于曲線II 即光學(xué)系統(tǒng)I具有較高的分辨率 且有較高的對(duì)比度 但在高頻部分 光學(xué)系統(tǒng)II具有較高的分辨率 12 二 利用MTF曲線的積分值來評(píng)價(jià)像質(zhì)理論證明 像點(diǎn)中心點(diǎn)亮度值 MTF曲線所圍的面積 顯然MTF所圍面積越大 表明光學(xué)系統(tǒng)傳遞的信息量越多 其成像質(zhì)量越好 圖象越清晰 MTF曲線所圍面積 兩曲線所圍面積 曲線I為光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線 曲線II為接收器的分辨率極值曲線 兩曲線所圍面積越大 表明系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好 其交點(diǎn)F為光學(xué)系統(tǒng)和接收器共同使用時(shí)的極限分辨率 13 9 5其他像質(zhì)評(píng)價(jià)方法 瑞利判斷和中心點(diǎn)亮度由于要求嚴(yán)格 僅適用于小像差系統(tǒng) 分辨率和點(diǎn)列圖法 由于主要考慮像差對(duì)成像質(zhì)量的影響 僅適用于大像差系統(tǒng) 不適用于像差校正到衍射極限的小像差系統(tǒng) 光學(xué)傳遞函數(shù)雖同時(shí)適用于大像差系統(tǒng)和小像差系統(tǒng) 但僅考慮系統(tǒng)對(duì)物體不同頻率成分的傳遞能力 也不能全面評(píng)價(jià)一個(gè)成像系統(tǒng)的所有性能 因此 對(duì)任何光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)需要使用多種評(píng)價(jià)方法 但這些方法都可以歸結(jié)為基于幾何光學(xué)和基于衍射理論的方法兩類 一 基于幾何光學(xué)的方法在計(jì)算機(jī)技術(shù)成熟之前 一般像質(zhì)評(píng)價(jià)多是基于幾何光學(xué)原理 如通過近軸光路計(jì)算得到高斯像點(diǎn)位置及其他理想?yún)?shù) 通過實(shí)際光路計(jì)算獲得各種像差值或繪制各種像差曲線 14 現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)中還經(jīng)常使用 光程差曲線和像差特征曲線 15 二 基于衍射理論的方法對(duì)像質(zhì)要求非常高的光學(xué)系統(tǒng) 其像差一般要校正到衍射極限 此時(shí)用幾何方法得不到正確的評(píng)價(jià) 需用基于衍射理論的評(píng)價(jià)方法 除瑞利判斷 光學(xué)傳遞函數(shù)等方法外 基于衍射理論的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法還有點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù) 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)是指一個(gè)理想的幾何物點(diǎn) 經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后其像點(diǎn)的能量展開情況 線擴(kuò)散函數(shù)是指子午面或弧矢面內(nèi)的幾何線 經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的能量展開情況 通常用快速傅立葉變換進(jìn)行近似處理 16 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) 17 線擴(kuò)散函數(shù) 子午面情況 弧午面情況 18 三 其他需要評(píng)價(jià)的成像質(zhì)量所有的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法都沒有考慮光學(xué)元件的材料特性及加工 安裝誤差對(duì)成像質(zhì)量的影響 現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)須在加工前對(duì)這些因素進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)和分析 以仿真出真實(shí)的成像效果 材料方面任何光學(xué)材料都有不同程度的光譜透過率 制作精度以及熱脹冷縮效應(yīng)等 它們對(duì)成像質(zhì)量都有重要影響 且任何透射介質(zhì)的表面都會(huì)反射部分光能 這些被反射的光沿著非期望路徑到達(dá)像面后 會(huì)形成鬼像 影響成像質(zhì)量 一般可通過光路追跡進(jìn)行模擬 現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)軟件大多具備光譜分析 透過率分析 材質(zhì)分析 鬼像分析等功能 19 加工精度與安裝精度方面為避免出現(xiàn)對(duì)誤差特別敏感的情況 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過光路追跡進(jìn)行仿真分析 如微弱改變一個(gè)或幾個(gè)折射面的曲率半徑 等效于加工誤差 觀察像差是否急劇變化 微弱改變一個(gè)或幾個(gè)元件的位置 相當(dāng)于安裝誤差 觀察像差是否急劇變化 還可通過分析各誤差對(duì)成像質(zhì)量的影響 反過來對(duì)加工誤差和安裝誤差進(jìn)行合理分配 在保證成像質(zhì)量的同時(shí)降低加工成本和安裝成本 公差分析 20 9 6光學(xué)系統(tǒng)的像差公差 像差的存在是必然的 一般來說光學(xué)系統(tǒng)不可能也沒必要消除全部像差 可以用波像差的允許值作為幾何像差公差 但一般限于評(píng)價(jià)望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等小像差系統(tǒng) 對(duì)于其他系統(tǒng)的像差公差則是根據(jù)長(zhǎng)期設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求而得出的 一 望遠(yuǎn)物鏡和顯微物鏡的像差公差這類物鏡應(yīng)保證軸上物點(diǎn)和近軸物點(diǎn)有很好的成像質(zhì)量 因此須校正好球差 色差和正弦差 球差公差邊緣孔徑處的球差公差為 21 彗差公差根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取 色差公差 二 望遠(yuǎn)目鏡和顯微目鏡的像差公差這類目鏡的視場(chǎng)角較大 應(yīng)校正好軸外像差 子午彗差公差 弧矢彗差公差 像散公差 22 場(chǎng)曲公差像散和場(chǎng)曲都應(yīng)在眼睛的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi) 允許有2 4D 畸變公差 倍率色差公差目鏡的倍率色差常用目鏡焦平面上的倍率色差與目鏡焦距的比值來表示 23 三 照相物