07 光学系统成像质量评价
第8章 光学系统成像质量评价
2
实际上， 实际上，绝大多数光学系统以白光或复色光成 白光是由不同波长的单色光所组成的， 像。白光是由不同波长的单色光所组成的，它们对 于光学介质具有不同的折射率，因而白光进入光学 于光学介质具有不同的折射率， 系统后就会因色散而有不同的传播光路，形成了复 系统后就会因色散而有不同的传播光路，形成了复 色像差。 色像差。这种由不同色光的光路差别引起的像差称 为色差。色差有两种，位置色差和倍率色差。 为色差。色差有两种，位置色差和倍率色差。 白光经光学系统后，由于各种单色光有各自的 白光经光学系统后， 单色像差，可见白光成像是很复杂的。 单色像差，可见白光成像是很复杂的。为了便于对 像差的分析，才将白光的像差分成单色像差和色差。 像差的分析，才将白光的像差分成单色像差和色差。 其中， 其中，单色像差是对光能接收器最为灵敏的色光而 言的， 言的，而色差是对光能接收器的有效波段内两种边 缘色光而言的。所谓消像差， 缘色光而言的。所谓消像差，也只是消这种色光的 单色像差和这两种色光的色差。 单色像差和这两种色光的色差。
11
图a
图b
图8－4 －
12
如图8-5， 点发出的近轴光线的高斯像点A 的截距l’； 如图 ，从A点发出的近轴光线的高斯像点 0'的截距 ； 点发出的近轴光线的高斯像点 的截距 孔径角入射光线的共扼光线与光轴交A 点 以U1孔径角入射光线的共扼光线与光轴交 1'点，截距为 L1'；以U2孔径角入射光线的共扼光线与光轴交 2'点， 孔径角入射光线的共扼光线与光轴交A 点 ； 截距为L2'。A点发出的同心光束不交在同一点。如在像 截距为 。 点发出的同心光束不交在同一点。 点发出的同心光束不交在同一点 方不论在A 或 或 处放置光屏都将看到一个弥散斑 处放置光屏都将看到一个弥散斑。 方不论在 0'或A2'或A1'处放置光屏都将看到一个弥散斑。 这是一种球面固有特性而引起的成像缺陷。 这是一种球面固有特性而引起的成像缺陷。
光学系统成像质量评价
第九节 光学传递函数 第十节 用光学传递函数评价系统的像质
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第一节 概述
成像质量评价的方法： 成像质量评价的方法：
1、用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量。 用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量。 分辨率检验 星点检验 用于在光学系统还没制造出来， 2、用于在光学系统还没制造出来，即在设计阶段通过计算就能评定 系统质量。 系统质量。
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第二节 介质的色散和光学系统的色差
某一种介质对两种不同颜色光线的折射率之差称为该介质对这两种颜色 光的色散。 光的色散。 不同颜色光线的像点沿光轴方向的位置之差称为轴向色差 分别表示F 两种波长光线的近轴像距,则轴向色差为： 若用 lF ', lC '分别表示F，C两种波长光线的近轴像距,则轴向色差为：
1500 N= F
三、显微镜物镜分辨率： 显微镜物镜分辨率：
在显微镜系统中，物体位在近距离，一般以物平面上刚能分开两物体 在显微镜系统中，物体位在近距离， 间的最短距离σ 间的最短距离σ表示
σ=
0.61λ 0.61λ = nu NA
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第九节 光学传递函数
一种对设计和使用都适用的统一的像质评价指标 图像分解与合成的概念 像面与物面对比之比称为对指定空间频率μ的对比传递因子， 像面与物面对比之比称为对指定空间频率μ的对比传递因子，用 MTFμ表示 表示。 MTFμ表示。称为振幅传递因子
δ L ' = L ' l '
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第四节 轴外像点的单色相差
如图所示，主光线和光轴决定的平面，称为子午面， 如图所示，主光线和光轴决定的平面，称为子午面，过主光线与子午 面垂直的平面，称为弧矢面。 面垂直的平面，称为弧矢面。
07光学系统成像质量评价
07光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价是在光学系统设计或优化过程中非常重要的一个环节。
成像质量的好坏直接影响到光学系统的性能和性能表现。
在评价光学系统成像质量时，通常会考虑几个方面的因素，包括分辨率、畸变、色差、光照均匀性等。
下面将详细介绍如何评价这些因素，以及如何综合评价光学系统的成像质量。
1.分辨率分辨率是一种衡量光学系统成像质量的重要指标，它是指系统能够解析出多细小物体的能力。
分辨率通常用线对数幅度频率响应（MTF）来描述，MTF曲线可以反映系统对不同空间频率的细节信息的传递情况。
一般来说，MTF曲线的高频段越平坦，系统的分辨率就越高。
2.畸变畸变是另一个常见的成像质量评价指标，它通常分为径向畸变和切向畸变两种。
径向畸变使圆形物体在图像中呈现出畸变变形，而切向畸变则使直线在图像中呈现曲线形状。
畸变的存在会影响物体准确的形状和尺寸的表现，因此需要通过校正或减小畸变来提高成像质量。
3.色差色差是由于光线在透镜中经过不同波长的光线会有不同的弯曲程度而导致的，这会使不同波长的光线聚焦在不同的焦平面上。
色差会导致图像出现色散的现象，即物体的边缘会呈现出彩虹色的班驳状，影响成像质量的清晰度和色彩还原度。
4.光照均匀性光照均匀性是指光学系统对于入射光的均匀性程度。
如果系统的光照均匀性不够好，会导致图像中出现暗部或亮部突出的情况，从而影响整体的成像质量。
为了保证光照均匀性，需要对系统的光学元件和照明系统进行设计和校正。
综合评价光学系统的成像质量时，需要综合考虋上述因子，通过对各项指标的量化分析和实验测试，得出一个综合评价。
通常情况下，可以采用主观评价和客观评价相结合的方式，主观评价可以通过专业人员观察系统输出的图像，并根据其清晰度、色彩还原度和细节表现等方面给出评价。
客观评价则可以通过各种测试仪器测量系统的MTF曲线、畸变程度和色差情况，并将这些数据进行综合分析。
总的来说，光学系统的成像质量评价需要综合考虑多个因素，通过定量和定性的方式对系统的各项指标进行评价，从而找出系统存在的问题并提出改进方案，最终达到提高系统成像质量的目的。
评定光学成像系统的主要方法
评定光学成像系统的主要方法
一、评定光学成像系统的主要方法
1、视觉检验。
采用视觉检验的方法可以检查光学成像系统的外观和结构。
这种方法可以发现缺陷，如表面瑕疵、装配不当等，从而及时调整成像系统，以确保成像质量。
2、光学实验。
采用实验的方法可以测量光学成像系统的衍射极限、成像质量等特性，从而评估光学成像系统的性能。
3、拍摄图像得分。
通过拍摄图片，对成像质量进行分析，从而评估光学成像系统的性能。
4、拍摄影像评分特征。
拍摄影像时，可以参考国家标准，按照标准评判图像品质，从而得出成像系统的性能结论。
5、三维测量仪检测。
利用三维测量仪来进行检测，测量光学成像系统的精度和稳定性，从而对成像系统的性能进行评估。
以上就是光学成像系统的一般性评定方法，采用这些方法可以有效地进行评定，从而确保成像系统的正确性和可靠性。
- 1 -。
光学系统像质评价方法
光学系统像质评价方法那最直观的一种呢，就是星点检验法。
这就像是拿个小镜子去照星星，看星星在镜子里的成像情况。
如果成像清晰，像个完美的小亮点，那就说明这个光学系统还不错呢。
要是星星的像看起来模模糊糊的，或者周围有奇怪的光晕之类的，那这个光学系统可能就有点小毛病啦。
这就好比一个人脸上有脏东西，一眼就能看出来，很直接的一种判断方式哦。
还有分辨率检验法。
你可以想象成看一幅超级复杂的画，画里有好多密密麻麻的线条和小图案。
如果光学系统好，那这些小细节就能看得清清楚楚的，就像你有一双超级锐利的眼睛。
要是分辨率不行呢，那些小线条就会糊成一团，就像近视眼没戴眼镜看东西一样。
这能反映出光学系统分辨微小物体的能力呢。
调制传递函数（MTF）法也很厉害哦。
这个有点像给光学系统打分啦。
它能告诉我们这个系统在不同空间频率下的成像质量。
简单说呢，就像是看这个光学系统在处理简单图案和复杂图案时的表现。
如果MTF的值比较高，那就说明这个光学系统在传递图像信息的时候很靠谱，就像一个很负责的快递员，能把包裹完好无损地送到目的地。
要是MTF值低，那图像的信息可能在传递过程中就丢三落四的啦。
波像差法也不能少呀。
它是从波前的角度来看待像质的。
就好比看水面上的波浪，如果波浪很规则，那成像就会好。
要是波浪乱七八糟的，那像质肯定就受影响啦。
这个方法就像是从根源上去找像质不好的原因，看是哪个环节让波前变得不那么听话了。
像差曲线法呢，就像是给光学系统的像差画个像。
通过这个曲线，我们能很清楚地看到像差是怎么分布的。
就像给光学系统做个体检报告，哪里有问题，从曲线里就能看个大概。
(光学测量技术)第7章光学系统像质检验与评价
第7章 光学系统像质检验与评价
一、 检验光学系统的共轴性 检验前，应调节待测系统光轴与平行光管光轴准确一致。 在此基础上，用白光照明，如果所观察到的衍射环不同心， 或同一环上光能分布不一致，或颜色不一样，则表明待测系 统的共轴性遭到破坏。共轴性检验在多组分离物镜的装配过 程中使用最多，也非常重要，由此可将各组间的光轴调到严 格同轴。
为了便于观察，一般取人眼的分辨角 α =2 ' ~4 ' ，代入上式 则有
当显微镜的数值孔径选定后，其垂轴放大率 β 也就确定 了。因此，只要合理选择目镜的放大率，即可满足显微镜总 放大倍率的要求。
第7章 光学系统像质检验与评价
三、 前置镜参数的选择 若对望远系统或其它平面光学元件做星点检验，则应采 用前置镜进行放大观察。对前置镜除要求像质好外，还应使 其入瞳直径大于待测系统出瞳直径，放大率满足人眼分辨星 点像细节的要求。第一、二衍射亮环经待测望远系统后的角 距离 Δ θ' =Δ θΓ =1.044 λ / D' 。显然，前置镜放大率应为
第7章 光学系统像质检验与评价 上式所代表的几何图形及各量物理意义如图 7.1 所示。
图 7.1 衍射受限系统参量与艾里班光强分布
第7章 光学系统像质检验与评价
艾里斑是由中央亮斑及若干亮度迅速减弱的同心外环组 成的。艾里斑各极值点的相关数据见表 7－1 。
第7章 光学系统像质检验与评价
计算表明，理想星点像的光强分布不仅是轴对称的，而 且最佳像面前、后对称截面上，其星点衍射像的光强分布也 是对称的。
第7章 光学系统像质检验与评价 7. 1. 2 星点检验装置
对于透镜型的光学系统或零件，星点检验的装置主要由 焦面上装有星孔光阑的平行光管和观察显微镜组成，如图 7. 2 所示。
第八章光学系统成像质量评价应用光学
二、照相系统辨率 用像平面上每毫米能分辨开的线对数N表示
D 照相物镜可以近似认为 对无限远物体成像， sin U 'max 2f' 0.61 代入R n'sinU'max 则有R 1.22f ' n' D f' , F为光圈数， D
若n' 1, 并设F 则有R 1.22F
各类光学系统分辨率的表示方法
用能分辨开的两物点对物镜张角
表示
D
f ’
R
D 若f f ' , n' 1,同时 sin U 'max 2f' 则有
1.22 D
若取 555nm,
1.22 0.000555 140 20600 0 D D
应用光学讲稿
不同颜色像点沿光轴方向的位置之差。
应用光学讲稿
F'紫
F'黄
F'红
通常用C、F光像平面的间距表示轴向色差
lF lC lFC
应用光学讲稿 垂轴色差：
y f tg
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。
y FC yZF yZC
应用光学讲稿
假设物平面输入的余弦基元为
像平面相应输出的余弦基元为
MT F( ) a' a
I( y) 1 a cos(2y) I( y' ) 1 a' cos(2' y' )
像平面和物平面对比之比（振幅）称为振幅传递函数
像平面和物平面初位相之差称为振幅传递函数
PTF ( )
光学成像系统的成像质量评估与校准方法研究
光学成像系统的成像质量评估与校准方法研究摘要：光学成像是一种常用的技术，广泛应用于机器视觉、遥感、医学成像等领域。
然而，由于各种因素的影响，光学成像系统的成像质量可能存在一定的偏差。
因此，为了确保成像系统准确、稳定地工作，评估和校准成像质量是非常重要的。
本文将介绍光学成像系统的误差来源，以及常见的成像质量评估和校准方法。
1. 成像质量评估方法1.1 分辨率评估分辨率是一个成像系统的重要指标，它代表了系统能够识别细节的能力。
常用的分辨率评估方法有MTF评估和幅度切割评估。
MTF（Modulation Transfer Function）评估方法通过测量被测对象的边缘传输函数，来评估系统的分辨率。
幅度切割评估方法则是通过分析被测对象的图像能量分布，计算出系统的分辨率限制。
1.2 像质评估像质评估是指评估图像的清晰度、噪声水平、颜色准确性等。
主要的像质评估指标包括峰值信噪比（PSNR）、结构相似性指标（SSIM）等。
PSNR是评估重建图像与原始图像之间的差异的一种测量指标，而SSIM则是通过比较图像的亮度、对比度和结构相似性来评估图像质量。
2. 成像质量校准方法2.1 镜头校准镜头是光学成像系统中的重要组成部分，其对成像质量有重要影响。
镜头校准主要包括相对畸变校正、焦距标定和色差校正。
相对畸变校正通过采集畸变标定图像和畸变自动校准算法来校正系统的畸变。
焦距标定则是通过测试关键特征点的像素位置与物体的距离来测量焦距。
色差校正则是通过拍摄色差标定图像和运用校正算法来校正系统的色差。
2.2 图像校正图像校正是对成像系统的输出图像进行校正，以提高图像的质量和准确性。
常见的图像校正方法有白平衡校正、灰度校正和亮度校正。
白平衡校正通过调整图像中的白色参考，消除图像中的色偏。
灰度校正是通过调整图像的亮度和对比度，使得图像的灰度级更加均匀。
亮度校正则是通过调整图像的整体亮度，使得图像的亮度分布更加合理。
3. 实验与结果分析为了验证以上所述的成像质量评估和校准方法的有效性，我们设计了一系列实验。
光学系统像质评价
如果系统中有光阑，则把光阑作为系统中 的一个平面来处理。
指定波长光线的折射率n。
选择3～5个波长。用人眼观察的目视光学
仪 器 采 用 C(656.28nm)，D(589.30nm)， F(486.13nm) 3种波长；用感光底片接收的照 相机镜头，则采用C，D，g(435.83nm)这3种波
长。
光学特性参数
光学特性，包括焦距、物距、像距、 放大率、入瞳位置、入瞳距离等
--应用光学
成像质量，成像清晰，物像相似， 变形要小
----光学设计
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δ
空间频率：δ的倒数
1
，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
像散：
x'ts x't x's
畸变：成像光束主光线实际像高和理想像高之差
y'z y'z y'o
平均场曲： x' xt' xs' 2
像点形状及特性： 球差
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
最小弥散圆
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
像差形状及特性
三.像散
一个面处理，并指出哪个面是系统的孔径光阑。
渐晕系数或系统中每个面的通光半径
轴外光束的宽度比轴上点光束的宽度小，这 种现象叫做“渐晕”。
为保证轴外点的成像质量，把轴外子午光束的 宽度适当减小；
从系统外形尺寸上考虑。 两种方式：一种是渐晕系数法；另一种是给出 系统中每个通光孔的实际通光半径。
光学系统成像质量评价
用不同玻璃做成正透镜和负透镜，组合在一起就可消除色差。
8.3 单色像差
初级像差
U3 U5 sin U U ......
3! 5! cos U 1 U 2 U 4 ......
2! 4! tan U U U 3 2U 5 ......
3 15
coU s1
siU n U taU n
光学系统对共轭面上不同高度的物体有不同垂轴放大率 所致。β不是常数，而是物高y的函数 畸变分类： 桶形畸变（负畸变），β随物高y的增大而减小 鞍形畸变（正畸变）
桶形畸变 鞍形畸变
8.6 用波像差评价光学系统的成像质量
适用于高像质要求的光学系统 理想波面：在理想成像的情况下，和理想像点对应的波面。 波像差：实际波面与理想波面之间的光 程差。
二、像散 若把光阑缩到无限小，只允许沿主光线的无限细光束通
过，则彗差不存在，但是有细光束的像散和场曲存在。 像散：光束的子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的距离。 ➢宽光束像散 ➢细光束像散 ➢像散的大小随物体离开光轴的高低不同而不同 ➢由于对称性，像散曲面为一旋转抛物面
影响像散的因素： ➢与远光束相对于光轴的倾角有关 ➢与f’和n’有关 消除像散的方法： ➢正负透镜象散相反，胶合后可消除； ➢合理确定光阑位置，使T和S两个抛物面重合为一个抛物面
）
有象差时的OTF的频率响应（球差3
）
四、场曲
B1
B
A
孔径 光阑
理想 像面
C
A'
B
' 1
B'
y/h P
xP
z
xt' xs' x'p, xt's 0
07光学系统成像质量评价
07光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价是指对光学系统的成像效果进行客观评估和定量描述。
光学系统成像质量是指光学系统对物体的成像能力，即像质的好坏。
好的光学系统成像质量表现为高分辨率、高对比度、低像差等特点。
成像质量评价主要包括分辨力评价、像差评价和对比度评价等。
分辨力是评价光学系统成像质量的重要指标之一、它是指能够分辨清晰的最小细节的能力。
分辨力的大小与光学系统的光学特性、入射光的波长、传感器的像素大小等有关。
常用的分辨力评价方法有MTF （Modulation Transfer Function）方法和空间频率方法。
MTF是光学系统传递像差的度量，通过测量光系统对一定空间频率的输入信号的传输量来表示光学系统对物体微细特征的分辨能力。
空间频率方法则是通过分析物体不同空间频率成分的能量来评价分辨能力。
像差评价是针对光学系统中各种像差对成像质量的影响进行评价。
光学系统中常见的像差包括球差、散光、像散、畸变等。
球差是由于球面透镜成像能力不完全而产生的像差，它导致透镜焦距与入射光位置有关。
散光是由于透镜折射率随距离而变化引起的像差，散光会导致成像点模糊。
像散是在光学系统中，不同波长的光会聚焦在不同位置形成不同的像点，从而导致色差。
畸变则是指光学系统成像时物体真实尺寸与其等效尺寸之间的变化。
像差评价的方法很多，包括通过测试物体进行目测、使用CCD 相机进行像差测量等。
对比度评价是用来描述光学系统成像能力的指标之一、对比度是指在光学系统中被成像物体的亮度差异。
对比度的好坏会直接影响到物体的细节清晰度和图像的视觉效果。
对比度评价的方法多样，可以通过测量物体亮度的标准差、计算图像的峰值信噪比等方法来评价对比度。
总之，光学系统成像质量评价可以通过分辨力评价、像差评价和对比度评价等方法来进行。
这些方法可以客观地评估光学系统成像质量的好坏，为光学系统设计和优化提供依据。
光学系统成像质量评价
(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，如图8-9所 示。
(五)畸 变 当光学系统只存在畸变时，整个物
平面能够成一清晰的平面像，但像的 大小和理想像高不等，整个像就要发 生变形。如果实际像高小于理想像高， 则像的变形如图8－14(a)所示；反之， 实际像高大于理想像高，则像的变形 如图8．14(b)所示。通常把图(a)称 为“桶形变”，而把图(b)称为“鞍 形畸变”。
光线上的同一点。两交点的位置不重合，光束结构如图8－12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”。 当像平面在于午焦线位置时，得到一条水平焦线，在弧矢焦线位置 时，得到一条垂直焦线，如图8-13(a)所示。在两焦线中间得到的 弥散图形如图8-13(b)所示。光学系统的像散通常用图8-12中的像 散曲线t、s表示。
8-2 介质的色散和光学系统的色差
光实际上是波长为400-760nm的电磁波。不同波长的光具有不同 的颜色，一般把光的颜色分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种。 红光的波长最长，紫光的波长最短。白光则是由各种-3轴上像点的单色像差——球差
共轴光学系统，面形 是旋转曲面。系统对 光轴对称，进入系统 成像的入射光束和出 射光束均对称于光轴， 如图8－4所示。
8-5 几何像差的曲线表示
8-6 用波像差评价光学系统的成像质量
1
如果光学系统成像符合理想，则各种几何像差都等于零，由同一物点发 出的全部光线均聚交于理想像点。根据光线和波面的对应关系，光线是
波面的法线，波面为与所有光线垂直的曲面。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
第7章光学系统像质检验与评价
第7章光学系统像质检验与评价光学系统的像质是评价光学成像系统性能的重要指标之一、光学系统像质检验与评价是通过一系列测量和分析方法，对光学系统所形成的图像进行质量评估和优化，以达到最佳的成像效果。
本章将介绍光学系统像质检验与评价的基本概念和方法。
一、光学系统像质的基本要求光学系统的像质是指图像的清晰度、分辨率、畸变、色差等方面的特性。
图像清晰度是指图像的边缘清晰、细节丰富程度，可以通过分辨率、模点传递函数等指标来评价。
分辨率是指光学系统能够分辨的最小细节，常用线对应的最小细节来表示，分辨率越高，图像越清晰。
畸变是指由于光学系统的非线性特性引起的图像失真，可以通过畸变系数、畸变曲线来表示。
色差是指光学系统在成像过程中，不同色光的折射率不同导致的颜色偏差，可以通过色差曲线和色差评估指标来评价。
二、光学系统像质的测量方法光学系统像质的测量方法主要包括调制传递函数法、光学遥测法和图像质量评估等方法。
1.调制传递函数法调制传递函数（MTF）是评价光学系统分辨能力的重要指标。
MTF可以通过薄透镜法、扫描法和波前传递函数法等方法进行测量。
薄透镜法是通过在光学系统前后分别加上一个透镜，然后测量透过透镜后的光的幅度和相位变化，从而得到MTF曲线。
扫描法是通过在物平面上扫描一个细节图案，测量透过光学系统后的图案，然后计算出MTF。
波前传递函数法是通过测量光学系统的波前形状，然后计算出MTF。
2.光学遥测法光学遥测法是通过分析光学系统传感器接受到的光信号来评估图像质量。
常用的光学遥测法包括测量光学系统的信噪比、动态范围、饱和度、线性度等指标。
3.图像质量评估图像质量评估是通过对光学系统成像结果进行客观或主观评估，得出图像质量指标的方法。
常用的图像质量评估方法包括主观评估、客观评估和参数评估。
主观评估是通过人眼观察评价图像质量，客观评估是通过计算机分析图像的目标检测性能、峰值信噪比等指标来评价图像质量，参数评估是通过计算一些具体的图像质量指标，如均方根误差、结构相似性指标等来评价图像质量。
光学系统成像质量评价基本指标体系及其选用
光学系统成像质量评价基本指标体系及其选用摘要：光学系统成像质量评价是很多专业领域的一部分，被广泛应用于军事、航空航天、科学技术和社会经济领域。
光学系统的成像质量的评价需要一个坚实的框架，即基本评价指标体系，其中囊括系统性能评价、结构性能评价和性能技术评价三大部分。
本文主要论述了光学系统成像质量基本指标体系及其选用，通过分析、研究和对比，对常用的系统性能指标、结构性能指标和性能技术指标的特性和依赖关系进行了系统的分类和讨论，着重介绍了选用指标体系中各指标的定义和衡量方法，最后，提出了综合考虑选用指标体系及其应用建议。
关键词：光学系统；成像质量；评价指标体系；选用一、引言光学系统是视觉检测、拍摄、测量、投影和计算机产品中最重要也是最先进的科学技术之一。
它是医疗、军事、航空航天、科学技术和社会经济领域中绝对不可或缺的组成部分。
因此，使光学系统具有良好的成像质量是设计者必须认真考虑的问题。
由于光学系统结构复杂，成像质量涉及到多学科多专业，评价其成像质量也是一项费时费力的工作，它需要有一个坚实的框架，即基本评价指标体系。
二、光学系统成像质量基本指标体系基本指标体系是构建光学系统的评价体系的总体框架，它主要包括系统性能评价、结构性能评价和性能技术评价三个部分。
具体来说，系统性能评价涉及到发射源的功率、分辨率、聚焦性能、非线性和空间分辨率特性等；结构性能评价包括机械准确度、光学准确度、功能鲁棒性等，而性能技术指标则主要关注该系统的使用安全性、功耗、重量等。
系统性能指标可以进一步细分为位置精度、相位精度、分辨率和抗色散性能等。
位置精度的指标主要有空间像差、像点距离、衍射模型参数和失真系数等，而它们都受系统光学设计和制造质量的影响。
其中，空间像差是用来检测系统光学准确度的一种重要指标，它可以反映光学系统的聚焦特性，也可以反映光学系统整体的准确度。
另外，分辨率和抗色散性能则可以提高系统的非线性特性和空间分辨率特性。
光学成像系统的图像校准与质量评估技巧
光学成像系统的图像校准与质量评估技巧光学成像系统是现代科学和工程领域中广泛应用的一种技术手段。
它利用光学原理，将物体的信息转换成可视化的图像。
然而，在实际应用中，由于环境和系统的多种因素影响，光学成像系统所产生的图像可能存在一定程度的偏差和失真。
因此，图像校准和质量评估成为光学成像系统中不可或缺的重要环节。
图像校准是指对光学成像系统进行调整，使其能够准确地获取物体的信息并呈现真实的图像。
校准的目的是消除系统误差，使得图像能够更好地反映物体的真实信息。
在图像校准中，需要考虑的因素包括镜头畸变、色差、亮度均匀性等。
首先，镜头畸变是影响图像准确性的重要因素之一。
镜头畸变可以分为径向畸变和切向畸变。
径向畸变导致图像中心部分与边缘部分的比例发生改变，切向畸变则使得物体的直线在图像中变为曲线。
为了消除镜头畸变，可以使用校正板进行校正。
校正板上有一系列已知距离和角度的坐标点，通过将坐标点经过畸变校正，可以得到准确无畸变的图像。
其次，色差也是常见的图像失真因素之一。
色差表现为不同波长的光在透镜中的折射角度不同，导致成像位置发生偏移，从而出现彩色偏差。
为了校正色差，常见的方法是使用色差校正板，该板上有一定颜色的条纹，通过对条纹进行识别和算法处理，可以进行色差校正，保证图像的色彩准确度。
另外，亮度均匀性也是需要考虑的因素之一。
由于光源的不均匀性或者成像器件的特性，图像中可能存在不同区域的亮度差异。
为了解决亮度均匀性问题，可以通过调整光源的强度或者使用均匀背景光源等方法来进行校准。
此外，还可以采用曝光时间补偿、自动增益控制等技术手段，来提高图像的亮度均匀性。
除了图像校准之外，质量评估也是光学成像系统中必不可少的环节。
通过质量评估可以对图像的准确性和可靠性进行判断，为后续的图像处理和分析提供准确的基础数据。
一种常用的图像质量评估指标是分辨率。
分辨率描述了图像能够显示的细节内容。
分辨率越高，图像所展示的细节就越多，反之亦然。
光学系统成像质量评价
所有光线在高斯面上仍不交于同一像点，并且不
9子午像点——子午细光束经球面折射后会聚于主光线上一点9弧矢像点——弧矢细光束经球面折射后会聚于主光线上一点s
t ts x x x ```−=像点（子午，弧矢）像面（子午，弧矢）
桶形畸变
枕形畸变
物
应合理选取光线进行光路计算
点列图中点的分布能够近似地代表像的能量分布
设该余弦基元的空间频率为μ，周期为p，振幅等于a，初无论是周期函数还是非周期函数，都可以把它们分解成频率、
振幅和位相不同的余弦函数（称为原函数的余弦基元）
对比传递因子，用MTFμ表示
(Phase Transfer Function) 称为位相传递函数，
Transfer Function)表示。
物面图形的对比度K为
1、作为目视系统，Ⅱ的分辨率较高
2、作为摄影系统，Ⅰ的分辨率较高
光学系统是一个空间频率低通的线性滤波器
例如: 电视摄像用的镜头，不要求高的分辨力，要求能对较低对比度的景物获得层次尽可能丰富的像，曲线Ⅰ好。
光刻用的镜头，物是对比度很高的黑白线条或图案，对像的要求主要是期望分辨力尽可能高，用曲线Ⅱ为宜。
原理：像点中心亮度值与MTF曲线的包容面积有对应关系。
在一定的截止频率范围内，只有获得较大的MTF 值才能传递较多的信息。
光学系统成像质量评价课件 (一)
光学系统成像质量评价课件 (一)近年来，随着科技的不断发展，光学成像技术得到了快速的发展。
光学系统成像质量评价课件作为其中的一种新的教学手段，已经被广泛应用于光学成像领域。
在这篇文章中，我们将重点介绍光学系统成像质量评价课件的相关知识。
首先，我们需要了解什么是光学系统成像质量评价。
在光学成像领域，光学系统成像质量评价是指通过一些具体的指标来评价成像系统的成像质量，并依据这些指标来确认系统是否达到了预期的成像效果。
这些指标包括但不限于分辨率、对比度、畸变程度以及像场弯曲等等。
其次，我们需要了解光学系统成像质量评价课件的用途和作用。
光学系统成像质量评价课件是为了让学生能够更加深入地了解光学成像的知识，并实际运用理论知识去评价一个光学成像系统的成像效果。
通过这个过程，学生能够更加深入地了解光学系统的构成、工作原理、成像误差以及解决方法等。
能够更快、更全面、更深刻地掌握光学成像的知识。
接下来，我们需要了解光学系统成像质量评价课件的内容和技术特点。
光学系统成像质量评价课件的内容主要包括了光学成像系统的构成、光学成像质量评价指标、测试方法以及成像误差的分析与解决等内容。
课件通过图文并茂的方式，配合向导式操作，使学生能够更加深入地了解光学成像的知识。
同时，该课件具有测试含量大、数据真实性强、测试结果可靠准确、互动性强的特点，能够更好地让学生体会到科技进步对现实的贡献。
最后，我们需要了解光学系统成像质量评价课件的应用前景。
随着当今社会的科技发展，成像技术在军事、医学、科研、制造等领域得到了广泛的应用。
光学系统成像质量评价课件作为提高学生光学成像专业实用技能的重要手段，将在未来实现更好的应用和推广。
该课件不仅将促进学生光学成像技术的提高，也将有助于推动当今社会科技的发展，进一步提升光学成像的质量和效率。
综上所述，光学系统成像质量评价课件拥有非常广阔的用途和前景，它的引进和应用是推动光学成像领域发展的重要一步。
希望在不久的将来，更多专业人员能够通过光学系统成像质量评价课件对光学成像专业技能有更加深入的了解和认识，从而为促进整个行业和社会的发展进一步贡献力量。
第7章 系统像质检验与评价
计算表明：星点像的光强度分布是轴对称的。
光学测量
7
第7章 系统像质评价
实际光学系统
由于实际光学系统存在像差或缺陷，从而 引起星点像变化或改变其光强度分布，故由 实际星点衍射像与艾里斑比较，即可灵敏地 反映出待检系统的缺陷并由此评价像质。
光学测量
8
第7章 系统像质评价
7.1.2 星点检验装置
一、星点检验装置：
f D
2、照相物镜：以像面上刚能分辨的两衍射斑中心距的倒 数（每毫米的线条数）N表示分辨率：
N 1
1 1.02F
3、显微系统：以物面处刚能分辨的两物点间距ε表示分辨 率： 1.02 0.51 2 NA NA 光学测量
28
第7章 系统像质评价
上式表明：当接收器确定时，光学系统的理论分辨率只与相对 孔径有关。因此，小像差系统实际分辨率与理论分辨率几乎一 致，当系统像差较大时，分辨率随之下降，所以分辨率适合于 大像差系统的像质指标。 二、三种光学系统不同判据表示的视场中心的理论分辨率：
6
第7章 系统像质评价
衍射爱里斑
光强度分布为艾里斑分布。 2 I 2 J1
I0
式中 ＝2 / h D / f r 此式所代表的参量如图7.1所示 当φ＝0时 ，θ＝ 0 ，中央亮斑能量最高83.87％ 当φ＝1.22π时，θ＝0,610λ/h ，参量为0，第一暗环。
NA≥sin(arctgD/2f′） Γ>（250~500）D/f
C 观察分辨率图案，直至刚能分辨某单元四个方向的线条像完全分 辨清楚，而下一单元像不能全分辨止。 D 根据该单元线条宽度b/μm，再根据平行光管的焦距fc′，得：
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引言
如果光学系统成像符合理想，则各种几何像差都等于零， 由同一物点发出的全部光线均聚交于理想像点。根据光线和 波面的对应关系，光线是波面的法线，波面为与所有光线垂 直的曲面。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。
二、中心点亮度
光线是传输能量 的几何线，这些几何 线的交点应该是一个 既没有体积也没有面 积的几何点。但是， 在像面上实际得到的
是一个具有一定面积
的光斑
二、中心点亮度
中心点亮度则是依据光学系统存在像差时，其成像衍射斑
的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表示 光学系统的成像质量的，此比值用S.D来表示，当 S.D>=0.8时，认为光学系统的成像质量是完善的，这就是 有名的斯托列尔（K.Strehl）准则。
四、点列图 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；
五、光学传递函数
所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数
经光学系统成像后,其对比度(即振幅)的衰减程度
当某一频率的对比度下降到零时，说明该频率的光强 分布已无亮度变化，即该频率被截止。这是利用光学 传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。
光线条数越多，像面上的点子数就越多 ，越能精确地反映出
像面上的光强度分布情况。实验表明，在大像差光学系统中 ，用几何光线追迹所确定的光能分布与实际成像情况的光强 度分布是相当符合的。
四、点列图
对轴外物点发出的光束，当存在拦光时，只追迹通光面积内
的光线。 利用点列图法来评价照相物镜等的成像质量时，通常是利用 集中30％以上的点或光线所构成的图形区域作为其实际有效 弥散斑，弥散斑直径的倒数为系统的分辨率。
瑞利指出“能分辨的二个等亮度点间的距离对应艾里斑的
半径”，即一个亮点的衍射图案中心与另一个亮点的衍射图
案的第一暗环重合时，这二个亮点则能被分辨。这时在二个
衍射图案光强分布的迭加曲线中有二个极大值和一个极小值 ，其极大值与极小值之比为1:0.735，这与光能接收器（如 眼睛或照相底板）能分辨的亮度差别相当。
三、分辨率
S1 S2 可分辨
S1 S2
S1 S2
恰可分辨
100% 75%
不可分辨
三、分辨率
分辨率作为光学系统成像质量的评价方法并不是一种完 善的方法，这是因为光学系统的分辨率与其像差大小直 接有关，即像差可降低光学系统的分辨率。 但在小像差光学系统（例如望远系统）中，实际分辨率
几乎只与系统的相对孔径（即衍射现像）有关，受像差
一、瑞利判断
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 最大波像差小于
λ /4时，此波面可
看作是无缺陷的
一、瑞利判断
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。）
缺点： 只考虑波像差的允许公差，未考虑其在整个波面的比 重；（气泡、划痕） 只适用于小像差光学系统。
成像质量评价
提纲
一、瑞利判断
二、中心点亮度
三、分辨率
要求，可分为两个 主要方面：第一方面是光学特性，包括焦距、物 距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等；第 二方面是成像质量，光学系统所成的像应该足够 清晰，并且物像相似，变形要小。 成像质量评价的方法分为两大类，第一类用 于在光学系统实际制造完成以后对其进行实际测 量，第二类用于在光学系统还没有制造出来，即 在设计阶段通过计算就能评定系统的质量。
因此用分辨率来评价光学系统的成像质量也不是一种严 格而可靠的像质评价方法，但由于其指标单一，且便于 测量，在光学系统的像质检测中得到了广泛应用。
四、点列图
在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经 光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点 不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥 散图形，称之为点列图。在点列图中利用这些点的密集
五、光学传递函数
图中不同色的曲线 表示不同视场的复 色光（白光）MTF 曲线，T和S分别表 示子午和弧矢方向， 最上方黑色的曲线 是衍射极限。横坐 标是空间频率 lp/mm（每毫米线 对），纵坐标是对 比度，最大是1。曲 线越高，表明成像 质量越好。
五、光学传递函数
五、光学传递函数
五、光学传递函数
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，使用时只要将被测物镜装夹好，将光点调到最小， 就可以得到这个物镜传函曲线图。
五、光学传递函数
MTF特点
与光学系统的像差有关，又和光学系统的衍射有关； 客观、可靠； 同时运用于小像差光学系统和大像差光学系统；
瑞利判断和中心点亮度是从不同角度提出来的像质评价方
法，但研究表明，对一些常用的像差形式，当最大波像差 为λ /4时，其中心点亮度S.D约等于0.8，这说明上述二种评 价成像质量的方法是一致的。
二、中心点亮度
三、分辨率
分辨率是反映光学系统能分辨物体细节的能力，它是光学 系统一个很重要的性能，因此也可以用分辨率来作为光学系 统的成像质量评价方法。
•
程度来衡量光学系统的成像质量的方法称之为点列图法
。
四、点列图
•
对大像差光学系统（例如照相物镜等），利用几何光学中的 光线追迹方法可以精确地表示出点物体的成像情况。其作法 是把光学系统入瞳的一半分成为大量的等面积小面元，并把 发自物点且穿过每一个小面元中心的光线，认为是代表通过 入瞳上小面元的光能量。在成像面上，追迹光线的点子分布 密度就代表像点的光强或光亮度。因此对同一物点，追迹的
利用点列图法来评价成像质量时，需要作大量的光路计算，
一般要计算上百条甚至数百条光线，因此其工作量是非常之 大，因此只有利用计算机才能实现上述计算任务。但它又是 一种简便而易行的像质评价方法，因此常在大像差的照相物 镜等设计中得到应用。
四、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， 如，是否有明显像 散特征，或彗差特 征，几种色斑的分 开程度如何
的影响很小。 而在大像差光学系统（例如照相物镜）中，分辨率是与 系统的像差有关的，以分辨率作为系统的成像质量指标 ，这是常用的方法。
三、分辨率
右图是测试数码相 机分辨率的 ISO12233鉴别率 板使用时按照相应 标准的照明要求照 明，使用数码相机
对此板实拍后对数
码照片可以判读出 相机的分辨率。
三、分辨率
但由于用于分辨率检测的鉴别率板为黑白相间的条纹， 这与实际物体的亮度背景有着很大的差别；此外，对同 一光学系统，使用同一块鉴别率板来检测其分辨率，由 于照明条件和接收器的不同，其检测结果也是不相同的 。例如对照相物镜等作分辨率检测时，有时会出现“伪 分辨现像”，即分辨率在鉴别率板的某一组条纹时已不 能分辨，但对更密一组的条纹反而可以分辨，这是因为 对比度反转而造成的。