第八章--光学系统成像质量评价PPT课件下载推荐.pptx

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的倒数，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,对制作完成的光学系统进行测量评估在设计过程中对光学系统进行评估,分辨率检验、星点检验,几何光学方法：

几何像差、波像差、点列图、光学传递函数等；

物理光学方法：

点扩散函数，相对中心光强，物理光学传递函数,分辨率检验时所采用的图案：

线条宽度b;

平行光管物镜f1;

待测物镜f2,待测物镜可分辨线宽b=bf2/f1分辨率N=1/2b,分辨率检验,星点检验衍射受限系统的夫朗和斐衍射图,衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布,82介质的色散和光学系统的色差,一、介质的色散,波长速度折射率,n1-n2色散,色散:

介质对两种不同颜色光线（用波长和表示）的折射率之差,红色光,紫色光,速度快,速度慢,折射率小,折射率大,中部色散:

某一种介质对F（486.13nm）光和C光（656.28nm）的折射率之差,像差谱线的选择主要取决于接收器的光谱特性,进行像差校正时，只能校正某一波长的单色像差，对于不同的接收器件像差谱线的选择有很大的区别。

1、目视光学系统：

一般选择D光或e光校正单色像差，对C、F光校正色差。

2、普通照相系统：

一般对F光校正单色像差，对D、G校正色差。

3、近红外和近紫外光学系统：

一般对C光校正单色像差，对d、A校正色差。

4、对特殊光学系统：

只对使用波长校正单色像差。

二、色像差,1、什么叫色差？

白光是由各种不同波长的单色光所组成的,复色光成像时，由于不同色光而引起的像差称为色差。

色差分为：

位置色差和倍率色差,

（1）位置色差（轴向色差、纵向色差）,一定物距l成像时，因各色光的焦距不同所得到的像距l也不同。

按色光的波长由短到长，其相应的像点离透镜有近到远地排列在光轴上，这种现象称为位置色差。

F红,F黄,F紫,通常用C、F光像平面的间距表示轴向色差,称为色差校正不足,称为色差校正过渡,若AF和AC重合，则,称为光学系统对F光（蓝）和C光（红）消色差,消色差系统是指对两种色光消轴向（位置）色差的系统,位置色差不同于球差，它在近轴区就产生,细光束成像也不能获得白光的清晰像,因为位置色差会严重影响成像质量（可能比球差严重）,因此用白光成像的光学系统都必须校正位置色差,孔径不同，白光将会有不同的位置色差。

位置色差的性质类似于球差,光学系统只能对一个孔径的光线进行校正色差,一般情况下对0.7孔径的光线校正位置色差,随着接收器的不同，应取接近接收器有效波段边缘的波长进行校色差,位置色差校正方法：

单透镜不能校正色差，只有正负透镜组合才能校色差。

平行平板恒产生正色差（位置色差），当且仅当u1=0即光束平行入射时不产生色差。

（因此，若在光学系统中加平板玻璃如保护玻璃，则要考虑加在平行光路中）,可见正透镜恒产生负色差；

负透镜恒产生正色差；

色差的大小与物距（像距）有关。

位置色差的校正:

正负透镜组合，总的光组为正透镜；

其中正透镜用低色散、低折射率材料，负透镜用高色散、高折射率材料；

组合后具有校正球差和色差能力；

一般也用C、F光在同一基准像面的像高之差表示。

（2）垂轴色差（倍率色差）,光学材料对不同色光的折射率不同，对于光学系统对不同色光就有不同的焦距,就有不同的像高，这就是垂轴色差,B,B,A,A,BF,BD,BC,BF,BD,BC,yzc,yzD,yzF,yzF,yzD,yzc,结果使像的边缘呈现彩色,影响成像清晰度,倍率色差校正方法：

对称式结构；

利用光阑在球心处或物在顶点处。

83轴上像点的单色像差：

球差,一、球差的定义,对应孔径角Umax入射光线的高度hmax被称为全孔径（边光球差）,当透镜孔径较大时，由光轴上一物点发出的光束经球面折射后不再交于一点，这种现象叫做球面像差，简称球差。

A,-Umax,-U,hmax,h,A,L,-L,-T,l,若h/hmax=0.7，则称为0.7孔径或0.7带（带光球差）,对应孔径角U入射光线的高度h,通常的带光划分：

0；

0.3；

0.5；

0.7071；

0.85；

1.0,二、球差的表示方法,:

边缘光线对距离系统最后一面的距离,:

近轴（理想）像点位置,符号规则：

由理想像点计算到实际光线交点,不同孔径光线对理想像点的位置之差,存在球差时的像点形状,最小弥散圆,可在沿轴方向和垂轴方向来度量分别称为轴向球差和垂轴球差。

它是沿光轴方向度量的球差，用符号L表示,垂轴球差是过近轴光线像点A的垂轴平面内度量的球差。

用符号T表示,它表示由轴向球差引起的弥散圆的半径,T=LtanU,A,-Umax,-U,hmax,h,A,L,-L,-T,l,对应孔径角U入射光线的高度h,球差（Sphericalaberration）:

最小弥散圆,存在球差时的像点形状,轴上像点的单色像差球差,球差是轴上点唯一的单色像差；

还有色差,对于单透镜来说，U越大则球差值越大,A,-Umax,-U,hmax,h,A,L,L,l,单透镜自身不能校正球差,单正透镜会产生负值球差，也被称为球差校正不足或欠校正。

单负透镜会产生正值球差，也被称为球差校正过头或过校正。

危害：

在任何位置都得不到理想像点,这种组合L=0光组被称为消球差光组,球差的校正：

1、加光阑；

2、采用复合透镜，如正负透镜组合、球面曲率及折射率的配合等；

单透镜的球差与焦距、相对孔径、透镜的形状及折射率有关。

对于给定孔径焦距和折射率的透镜，通过改变其形状可使球差达到最小。

利用正负透镜组合可以消除球差，但也只是在某个孔径消球差，其余孔径仍有一定球差存在,3、非球面透镜,4、变折射率透镜：

中间折射率大,大孔径产生的球差,加发散透镜消除球差,球差,弧矢面：

过主光线和子午面垂直的平面,8-4轴外像点的单色像差,子午面：

主光线（轴外物点）和光轴决定的平面,子午平面内的光束称子午光束,弧矢平面内的光束称弧矢光束,彗差,轴上点：

由于是共轴球面系统，通过光轴的任意截面内的光束结构均相同；

轴外点：

只存在一个对称平面。

为简化问题，用两个平面光束的结构近似代表整个光束的结构。

彗差：

是轴外物点发出宽光束通过光学系统后，由于球差的影响而不再对称，不能会聚到一点，相对于主光线失去对称性而产生的。

一、子午像差,子午光线对交点,子午光线对交点与理想像平面不重合,同样，子午光线对交点与主光线不重合,子午光线对交点离开主光线的垂直距离KT用来表示此光线对交点偏离主光线的程度,子午场曲:

子午光线对交点到理想像面的距离,子午彗差：

子午光线对交点到主光线的距离,孔径选取：

（1，0.85,0.7071,0.5,0.3）hm,细光束子午场曲：

子午细光线对交点到理想像面的距离,轴外子午球差：

子午宽光束交点到细光束交点的距离,视场选取：

（1，0.85,0.7071,0.5,0.3）,影响因素：

与视场大小有关与孔径有关与光阑位置有关,二.弧矢像差,弧矢光线对,弧矢光线对交点与理想像平面不重合,弧矢光线对交点,弧矢光线对交点与主光线不重合,弧矢场曲:

弧矢光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：

（1，0.85,0.7071,0.5,0.3）hm,弧矢彗差：

弧矢光线对交点到主光线的距离,视场选取：

（1，0.85,0.7071,0.5,0.3）,孔径选取：

（1，0.85,0.7071,0.5,0.3）hm,细光束弧矢场曲：

弧矢细光线对交点到理想像面的距离,轴外弧矢球差：

弧矢宽光束交点到细光束交点的距离,视场选取：

（1，0.85,0.7071,0.5,0.3）,不同孔径的光线在像平面上形成半径不同的相互错开的圆斑。

距离主光线像点越远，形成的圆斑直径越大。

X,Y,慧尾形的弥散像,光斑的尖端较亮，尾部亮度逐渐减弱，称为彗星像差，简称彗差。

彗差通常用子午面上和弧矢面上对称于主光线的各对光线，经系统后的交点相对于主光线的偏离来度量，分别称为子午彗差和弧矢彗差,彗差的方向有两种：

尖端指向视场中心的称为正彗差,尖端指向视场边缘的称为负彗差,彗差对成像的影响：

影响像的清晰度，使成像的质量降低。

彗差对于大孔径系统和望远系统影响较大。

彗差的大小与光束宽度、物体的大小、光阑位置、光组内部结构（折射率、曲率、孔径）有关,对于某些小视场大孔径的系统（如显微镜），常用“正弦差”来描述小视场的彗差特性。

彗差,小视场大孔径,正弦差:

定义为彗差与像高的比值在像高趋于零时的极限.用SC表示,小孔径,轴外像差由,决定,3、像散,轴外点细光束成像，将会产生像散和场曲，它们是互相关联的像差。

轴外物点光束成像时形成两条相互垂直且相隔一定距离的短线像的一种非对称性像差被称为像散。

由子午光束所形成的像是一条垂直子午面的短线t称为子午焦线。

由弧矢光束所形成的像是一条垂直弧矢面的短线s称为弧矢焦线。

3、像散,这两条短线不相交但相互垂直且隔一定距离,两条短线间沿光轴方向的距离即表示像散的大小,xts,lt,ls,xs,xt,这种即非对称又不会聚于一点的细光束称为像散光束,这两条短线（焦线）光能量最为集中，它们是轴外点的像,如果轴外物点是“十”字形图案,像散是指子午像点与弧矢像点之间的分散程度。

像散类似眼睛的散光，但散光对轴上点也存在。

散光的原因是眼球轴不对称，即不同（两个）方向的曲率不同。

用柱面镜校正。

当光学系统的子午像点比弧矢像点更远离高斯像面，即ltls，像散Xts为负值，反之，像散为正值,像散是物点远离光轴时的像差，且随视场的增大而迅速增大,这是根据实际光学系统用ZMAX软件计算出来的.,上图是对某具有很大像散和像面弯曲的光学系统的计算结果，表示了不同位置处的轴上点与轴外点单色光弥散斑，第一行是轴上点产生的弥散斑（右面是接近理想像面），第二行是轴外点产生的弥散斑，第三行数字表示位置，单位是微米。

4、场曲,场曲是像场弯曲的简称。

场曲是物平面形成曲面像的一种像差,理想像平面,当光学系统不存在像散（即子午像与弧矢像重合）时，垂直于光轴的一个物平面经实际光学系统后所得到的像面也不一定于理想像面重合（纯场曲）,像散和场曲既有区别又有联系.,有像散必然存在场曲，但场曲存在时不一定有像散.,存在严重场曲时，十字线成像的情况,像散和场曲小结,像散：

由于子午光束与弧矢光束不交于同一点；

像散的大小：

上下、前后光线交点的沿轴距离。

场曲：

细光束交点偏离理想像平面的距离。

分为细光束子午场曲、细光束弧矢场曲,一般像散和像面弯曲都是指细光束的像散和场曲.,宽光束：

主光线与光轴不重合,彗差像散、场曲,细光束：

主光线与光轴不重合,彗差为零像散、场曲,一般像散和像面弯曲都是指细光束的像散和场曲.,对于轴外点,轴外主光线与共轴系统的光轴不重合。

场曲是物平面形成曲面像的一种像差。

5、畸变,以上像差的共同特点，是像点被弥散斑所代替，破坏了成像的清晰程度。

然而，还有另一种像差，它不影响成像的清晰程度，而仅影响像与物的几何相似性，或者说仅影响像的几何形状，这种像差称为畸变。

产生畸变的原因，可以认为是由于光学系统对共轭面上不同高度的物体有不同的垂轴放大率所致，即不是常数，而是物高的函数（或视场角的函数）。

畸变简单地说就是成像的变形（失真）。

比如门镜，门镜的视场很大，一般要求180，否则看不到侧面，但对成像质量要