第六章 光学系统成像质量评价
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δ L `= L `− l `
对最大口径校正即ΔL`m=0,
∆L`0.707
=0
弥散图形的面积最小,亮度最大,称为“最小弥散圆”。 利用正负透镜的组合,可以消除球差。如设计良好的双胶合 透镜,它的球差曲线如下图所示。
四、轴外像点的单色像差
轴外物点进入共轴系统成像的光束,经系统 后没有对称轴线,只存在对称面:物点与光 轴构成的平面——子午面。 为研究问题,研究两个相互垂直的平面光束, 用这两个平面光束近似代表整个光束的结构: 子午面和弧矢面; 对应的描述两平 内的光束结构的 几何参量分别为: 子午像差和弧矢 像差。
像点的形状如所示。
•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”。当像平面在子午焦线位置时,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 (a)所示。 在两焦线中间得到的弥散图形如图 (b)所示。光学系统的像散 通常用图中的像散曲线t、s表示。
为了更确切地评价系统的质量,可以采用下图那样的瞳面波 像差分布图。
六、理想光学系统的分辨率
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,如图所示。
把光看作光线只是几何光学的一个基本假设,实际上光 并不是几何线,而是电磁波,虽然大部分光学现象可以利用 光线的假设进行说明,但是,在某些特殊情况下,就不能用 它来准确地说明光的传播现象。光束的聚交点附近,几何光 学的误差很大,不能应用,而必须采用把光看作电磁波的物 理光学方法进行研究。上述现象的产生,是因为电磁波通过 光学系统中限制光束口径的孔径光闹发生衍射造成的。 根据物理光学中圆孔衍射原理可以求得:衍射光斑的中央亮斑 集中了全部能量的80%以上,其中第一亮环的最大强度不到中 央亮斑最大强度的2%。
• 用于设计阶段评价的有: • 几何像差、波像差、瑞利判断和点列Βιβλιοθήκη Baidu、 传递函数; • 用于产品鉴定阶段:分辨率检验、星点检 验和光学传递函数测量等。
二、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 种颜色的光混合而成的。 如图8-2所示: 1 1 1 = (n − 1)( − ) ' f r1 r2
•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
•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(a)所示; 反之,实际像高大于理想像高,则 像的变形如图(b)所示。通常把图(a) 称为“桶形变”,而把图(b)称为 “鞍形畸变”。
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,如图所示。
因波面与光线垂直,则几何像差与波像差之间必然存在一定 的对应关系。
一般认为最大波像差小于四分之一波长,则系统质量与 理想光学系统没有显著差别。这是长期以来评价高质量光学 系统质量的一个经验标准,称为瑞利(LordRayleigh)准则。 不同的几何像差对应的波像差w如图所示。 图中(a)、(b)、(c)、(d),(e)分别为球差,彗差、像散、 场曲、畸变对应的波像差。色差的波像差则用C光和F光波面 之间的光程差表示,称为波色差。
如图所示,根据无限远物体像高 y ' 的计算公式, 当 n' = n =1 时,有 y =− f tgω
' '
∆ Y `λ1λ 2 = Y `λ1 − Y `λ 2
∆ y `λ1λ 2 = y `λ1 − y `λ 2
三、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,如图下图所示。
两个像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑的半径R,如 图所示。从上式得到
七、光学传递函 • 物分解成物点——物面分解; • 物点经过系统后弥散斑,多物点像——弥 散斑的合成,得到像——像合成。 • 这种分析方法只对空间不变线性系统适用。 • 为研究方便,我们假定研究的系统均满足 线性和空间不变条件。
δL`S = X `S − x`s
为了了解整个像面的成像质量,还要知道不 同像高轴外点的像差,一般取1; 0.85;0.7;0.5;0.3这五个视场计算出不同孔径高 的弧矢像差X`S、K`S和δL`S的值
像散:理想像平面上的成像质量由细光束子午 和弧矢场曲决定。二者之差反映了主光线周围 的细光束偏离同心光束的程度,称之为像散。
细光束子午场曲:当子午光线对逐渐向主 光线靠近,光束宽度趋近于0时,其交点B`T 趋于一点B`t, B`t位于主光线上,其离开 理相像平面的距离称为细光束子午场曲, 用x`t表示; 轴外子午球差:不同宽度子午光线对的子 午场曲X`T与细光束子午场曲x`t的差( X`T - x`t );
δL`T = X `T − x`t
2、弧矢像差
弧矢像差可以和子午像差类似定义,只不过现在是在弧矢面 内。如图所示,阴影部分所在平面即为弧矢面。
类似地:研究弧矢光线对BD+和BD-相对于子 午面对称的光线对。 B`S:弧矢光线对的交点 X`S:B`S到理想像平面的距离,称为弧矢场曲; K`S:B`S到主光线在垂轴方向的距离,称为弧 矢彗差; x`s:主光线附近的弧矢细光束的交点B`s到理 想像平面的距离,称为细光束弧矢场曲; 轴外弧矢球差:
1、子午像差
由于子午面既是光束的对称面,又是系统的对称面,位在该 平面内的子午光束通过系统后永远位在同一平面内,因此计 算子午面内光线的光路,是一个平面的三角、几何问题,可 以在一个平面图形内表示出光束的结构,如图所示。 研究子午光线对:BM+ 和BMX`T:表示子午光线对交 点B`T离理想像平面的轴 向距离——子午场曲; K`T:表示子午光线对相 对于主光线不对称的程 度,称为子午彗差。
衍射光斑中各环能量分布如图中曲线所示。
通常把衍射光斑的中央亮斑作为物点通过理想光学系统的 衍射像。中央亮斑的直径由下式表示
1.22λ 2R = ' ' n sin U max
由于衍射像有一定的大小,如果两个像点之间的距离太短, 就无法分辨出这是两个像点。我们把两个衍射像间所能分辨 的最小间隔称为理想光学系统的衍射分辨率。
可以用光学传递函数来 评价它的成像质量。右图就 是照相物镜的传递函数曲线 图。每个轴外视场有两条曲 线,分别代表子午和弧矢的 振幅传递函数。轴上点只有 一条曲线,因为轴上点是对 称的,各方向的振幅传递函 数相同。图中的点划线代表 相同光学特性的理想光学系 统的光学传递函数。
弥散圆中心相当于理想像平面上光束的实际成像位置,它和 ' ' δ 理想像点 B0 之差称为“畸变”,用y z 表示
δy = y −y
' z ' z
' 0
把子午焦线和弧矢焦线的中点到理想像平面的距离作为系统 实际场曲大小的度量,称为“平均场曲”
x −x x = 2
' ' t
' s
•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。 •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。
第六章
光学系统成像质量评价
• 主讲:张建寰 • 单位:机电系 • 2186810, aeolus@xmu.edu.cn
一、概述
• 对光学系统成像性能的要求,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。
3点列图
由同一点物点发出的许多条光学线经光学系统以后, 因各种几何像差的存在使各条光线与像面的交点不 集中于同一点,而形成一个散布在一定范围的弥散 图形,称为点列图。 这些点的分布能够近似地代表点像的能量分布。 所以点列图中点的密集程度反映光学系统成像质量 的优劣。
五、波像差及瑞利判断
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。
• 以上图为例,位于无穷远 处的一点发出的白光,经 光学系统成像后的像位置 不同。 • 不同口径处的光线的位置 色差不同。 • 位置色差的校正也是对口 径0.707处的光线校正色差。 • 校正色差就是使色差为0。
1 1 1 = (n − 1)( − ) ' f r1 r2
∆L`λ1λ2 = L`λ1 − L`λ2 ∆l `λ1λ2 = l `λ1 −l `λ2
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 (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
光线对的聚焦情况就由X`T、K`T和δL`T来表 示。
欲全面了解整个子午光束的结构,一般取 (±1、 ±0.85、 ±0.707 、±0.5、 ±0.3)h 的光线对为研究对象,计算相应的X`T、K`T 和δL`T。 为了了解整个像平面的成像质量,还要知道 不同像高轴外点的像差,一般取1; 0.85;0.7;0.5;0.3这五个视场计算出不同孔径高 的子午像差X`T、K`T和δL`T的值。
光学传递函数能全面地代表光学系统的成像性质。一个 完全没有像差的理想光学系统,它的像点是一个如图8-22所 示的理想衍射图形,对应的理想光学系统的振幅传递函数曲 线如图8-31所示,由于弥散图形对称,所以位相传递函数等 于零。
八、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来代表该像点的光 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。
x`ts = x`t − x`s
如果像散、细光束子午和弧矢球差及子午、弧 矢彗差均为0,则所有光线都交于一点,得到 一清晰的像点,但该像点并不一定在理想像平 面上,此时得到是一弥散斑。 实际像点B`与理想像平面距离称为“场曲”, 用X`表示。当像高改变时,实际像点沿曲线变 化如图中曲线所示,整个像平面在—个曲面上, 这就是所以称为“场曲”的由来。
图 (b)即为矩形周期函数的振幅频谱函数,该函数的位相频谱 函数恒等于零。对周期函数来说,它们的频谱函数只是若于 不连续的离散点。
例如下图 (a)所示的非周期的矩形函数,它的振幅频谱函 数如下图 (b)所示,它的位相频谱函数恒等于零。 综上所述,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。不过,对于 周期函数只存在与原周期函数成整倍数的频率的余弦函数; 而非周期函数则存在无限多个频率连续改变的余弦函数。一 般把这些余弦函数称为原函数的余弦基元。