1、第九章 光学系统的像质评价 第一节 瑞利判断与波前图 第二节 中心点亮度与能量包容图 第三节 分辨率与点扩散函数 第四节 星点检测法与点列图 第五节 光学传递函数评价成像质量 第六节 其它像质评价方法 第七节 光学系统的像差公差H-P comet and the ecliptic light 望远镜采用望远镜采用RC光学系统和卡光学系统和卡塞格林焦点系塞格林焦点系统统 美国美国Photometrics公司的公司的1024CCD系统系统荣获荣获19861986年诺贝尔物理学奖的扫描隧道显年诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜最小分辨距离已达微镜最小分辨距离已达0.010.01，能观察到单，能观察到单个
2、原子的运动图像。个原子的运动图像。将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工，将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工，主要基于量子力学中的隧道效应。主要基于量子力学中的隧道效应。19901990年，美国圣荷塞年，美国圣荷塞IBMIBM阿尔马登研究所阿尔马登研究所D.M.EiglerD.M.Eigler等人等人在超真空环境中，用在超真空环境中，用3535个个XeXe原子排成原子排成IBMIBM三个字母，每个三个字母，每个字母高字母高5nm5nm，XeXe原子间的最短距离为原子间的最短距离为1nm1nm，如图所示。，如图所示。19921992年又成功移动了吸附在年又成功移动了吸附在PtPt表面上的表面上的CO
3、CO原子，原子，19931993年成功移年成功移动动4848颗颗FeFe原子排列成圆形，实现原子操纵技术。原子排列成圆形，实现原子操纵技术。科学家把碳科学家把碳6060分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。最小的算盘。中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出世界上最小的中国地图。表面通过搬迁碳原子而绘制出世界上最小的中国地图。 像差回顾像差回顾像质评价的阶段像质评价的阶段 1 设计完成后，加工前，对成像情况进行模设计完成后，加工前，对成像情况进行模拟仿真；拟仿真；
4、 2 加工装配后，批量生产前，要严格检测实加工装配后，批量生产前，要严格检测实际成像效果。际成像效果。评价方法评价方法 1 不考虑衍射：不考虑衍射： 光路追迹法（点列图，像差曲线）；光路追迹法（点列图，像差曲线）； 2 考虑衍射：考虑衍射： 绘制成像波面，光学传递函数等绘制成像波面，光学传递函数等第一节第一节 瑞利判断瑞利判断 最大波像差小最大波像差小于于/4时，此时，此波面可看作是波面可看作是无缺陷的。无缺陷的。 球差曲线球差曲线： 球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可
5、以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。 轴外细光束像差曲线轴外细光束像差曲线 这一般是由两个曲线图构成图中左边的是像散场曲曲线像散场曲曲线，右边的是畸变畸变，不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，右图横坐标是场曲，左图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距是放大色差放大色差值。值。瑞利判断的特点瑞利判断的特点优点：方便使用、关系简单；（几何像差曲优点：方便使用、关系简单；（几何像差曲线进行图形积分得到波像差。）线进行图形积分得到波像差。）缺点：缺点： 只考虑波像差的允许公差，未考虑其在整只考虑波像差的允许公差，未考虑
6、其在整个波面的比重；（气泡、划痕）个波面的比重；（气泡、划痕） 只适用于小像差光学系统。只适用于小像差光学系统。第二节第二节 中心点亮度（斯托列尔中心点亮度（斯托列尔准则）准则） 成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比射斑的中心亮度之比S.D来表示成像质量。来表示成像质量。 S.D0.8,成像完善；成像完善； 与瑞利判断方法是一致的；与瑞利判断方法是一致的； 只适用小像差系统；只适用小像差系统； 计算复杂，计算机软件计算。计算复杂，计算机软件计算。第三节第三节 分辨率分辨率 反映光学系统分辨物体细节的能力，可以反映光学系统分辨物体细节的能力，
7、可以评价成像质量。评价成像质量。瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物S S1 1的艾里斑中心恰好的艾里斑中心恰好与另一个点物与另一个点物S S2 2的艾里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰的艾里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。可分辨两物点。瑞利判据瑞利判据S1S2S1S2S1S2可分辨可分辨恰可分辨恰可分辨不可分辨不可分辨100%75% 一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一个点物衍射图样一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一个点物衍射图样的第一极小重合，作为光学成像系统的分辨极限，认为此时系的第一极小重合，作为光学成像系统的分辨极限，认为此时系
8、统恰好可以分辨开两个点物。称此分辨标准为瑞利判据。统恰好可以分辨开两个点物。称此分辨标准为瑞利判据。ISO12233鉴别率板鉴别率板 投影鉴别率投影鉴别率 左图是光左图是光学车间常用的投影鉴学车间常用的投影鉴别率仪，使用时只要别率仪，使用时只要将被测镜头装夹好，将被测镜头装夹好，将投影图调至最清晰将投影图调至最清晰就可以对各个方向上就可以对各个方向上的分辨率进行判度，的分辨率进行判度，适用于大批量生产的适用于大批量生产的光学检验，或调试使光学检验，或调试使用。用。第四节第四节 点列图点列图 由一点发出的许多光线经光学系统后，因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
9、一点，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，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图是在现代光学设计中称为点列图。点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一最常用的评价方法之一。 分别表示给定的几个视场上不同光线与像面交点的分布情况。使用点列图，一要注意下方表格中的数值，值越小成像质量越好。二根据分布图形的形状也可了解系统的几何像差的影响，点列图特点点列图特点 大量光路计算，只有利用计算机完成； 形象直观的评价方法； 应用于大像差的照相物镜等设计中；第五节第五节 传递函数传递函数 调制传递函数调制传递函数MTF：一定空间频率下像的：一定空
10、间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般而间频率、不同对比度的传递能力。一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。中频传递函数反映对物体层次的传递能力。 从而从而突出轮廓亮度突出轮廓亮度 形成亮的镶边。形成亮的镶边。在物的频谱面在物的频谱面F上放一个高通滤波器上放一个高通滤波器（玻璃片中心镀个不透明的斑），（玻璃片中心镀个不透明的斑）， 挡掉挡掉0级和低频级和低频成分，
11、成分，高频滤波和轮廓突出高频滤波和轮廓突出F大大头头针针LP1P2扩束扩束亮亮边边 MTF曲线图曲线图 图中不同色的曲线图中不同色的曲线表示不同视场的复表示不同视场的复色光（白光）色光（白光）MTF曲线，曲线，T和和S分别表示分别表示子午和弧子午和弧矢矢方向，最上方黑方向，最上方黑色的曲线是衍射极色的曲线是衍射极限。横坐标是空间限。横坐标是空间频率频率lp/mm，纵坐，纵坐标是对比度，最大标是对比度，最大是是1。曲线越高，。曲线越高，表明成像质量越好。表明成像质量越好。 传函与离焦关系图 此图表明对设定空间频率不同视场的子午、弧矢MTF与离焦量的关系，图中横坐标是离焦量，纵坐标是对比度，通过此
12、图可以看出各视场的最佳焦面是否比较一致，MTF是否对离焦比较敏感。此图在光学设计后期，精细校正时很有用。MTF曲线的积分值评价成像质量曲线的积分值评价成像质量 MTF曲线只能反映少数点的情况；曲线只能反映少数点的情况； 理论上像点的中心亮度值等于理论上像点的中心亮度值等于MTF曲线的曲线的面积；面积； 面积越大，信息越多，像质越好；面积越大，信息越多，像质越好；传函测量传函测量 传函测量要使用光学传递函数测试仪，下传函测量要使用光学传递函数测试仪，下图是一台传函测试仪，使用时只要将被测图是一台传函测试仪，使用时只要将被测物镜装夹好，将光点调到最小，就可以得物镜装夹好，将光点调到最小，就可以得到
13、这个物镜传函曲线图。到这个物镜传函曲线图。MTF特点特点 与光学系统的像差有关，又和光学系统的与光学系统的像差有关，又和光学系统的衍射有关；衍射有关； 客观、可靠；客观、可靠； 同时运用于小像差光学系统和大像差光学同时运用于小像差光学系统和大像差光学系统；系统；第六节第六节 其它方法其它方法 1 基于几何的方法；（光程差曲线、像差曲基于几何的方法；（光程差曲线、像差曲线）线） 2 基于衍射的方法：（点扩散函数、线扩散基于衍射的方法：（点扩散函数、线扩散函数）函数）FFT 3 考虑材料、加工、安装等因素；考虑材料、加工、安装等因素；第七节第七节 像差公差像差公差 望远物镜和显微物镜的像差公差望远物镜和显微物镜的像差公差 望远目镜望远目镜和和显微目镜显微目镜的像差公差的像差公差 照相物镜的像差公差照相物镜的像差公差
