光电成像器件原理与应用-光学系统和光学传递函数_精品文档PPT文件格式下载.ppt

1、目镜8x15x，提取更丰富的景物细节信息。放大的正像。大视场、高MTF特性、高光能收集效率和低畸变等。,2022/11/1,8,3.2成像光学系统特征参数,像面照度Ek（1x）仪器有效视场FOV（o）仪器放大倍率（倍）仪器分辨角（rad）像差,2022/11/1,9,对远距离目标,式中：数物/物，T物为物镜透过率,对近距离,式中：,像面照度Ek（1x）,2022/11/1,10,仪器有效视场FOV（o）,式中：dk为成像器件有效输入直径。,视场角大，有利于捕获目标。要求探测器的面积大，噪声与探测器尺寸成正比，信噪比降低。,仪器放大倍率（倍）（角放大率）,式中：为成像器件的电子光学放大率。,仪器

2、分辨角（rad）,式中:鉴别率（lpmm）；W可分辨最小宽度；l观察距离。,2022/11/1,11,像差,“理想成像位置”系由单色、近轴成像规律决定。,研究像差的性质，估算像差的大小并设法校正和减小像差，是光学系统设计中一个极为重要的问题。,像差,单色像差,色差,球差彗差像散场曲畸变,不同波长成像的位置及大小都有所不同。,纵向色差,横向色差,球差:轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度（孔径角）的光线将交光轴于不同位置，相对于理想像点有不同程度的偏离，这就是球差。正透镜产生负球差；负透镜产生正球差；将正负透镜组合，则有可能消除球差。,彗差:轴外一点发出的宽光束通过一个

3、消球差透镜的不同环带后仍不会聚于一点，在像面上呈现彗星形状的光斑，这就是“彗差”。分为子午彗差和弧矢彗差；经透镜边缘的光线所成的点像大于通过中间光线所成的像，只有主光线形成理想像点。,2022/11/1,14,若系统不存在彗差，则这三条光线的像方光线应该相交于一点，但是如果存在彗差，则可能会不再相交共点，而是失去了对称性。,彗差小视场大孔径像差,当轴外点以细光束成像时，没有彗差，由于子午面和弧矢面相对折射球面的位置不同，它们在球面上的截线曲率不等，子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的轴向距离称为像散。,2022/11/1,17,由于像散的存在，观察到的物点的像沿着光轴方向会有不同的形状。,场曲

4、物面为平面，折反射面为曲面,场曲:像散必然引起像面弯曲。像散的大小随视场而变，即物面上离光轴不同距离的各点在成像时，像散值各不相同，一个平面物必然形成两个曲面像，即子午像面和弧矢像面。,畸变主光线的实际角放大率不等于1,畸变:主要是指主光线的像差。理想成像时，其垂轴放大率为常数。视场较大时，放大率随视场而变，不再是常数，使像相对于物失去相似性，这种成像缺陷称为畸变。,位置色差不同颜色的光在介质中n不同,色差:透镜对不同波长的光具有不同的折射率，导致入射复色平行光束被聚焦后，会有不同的焦点位置，称为色差。,倍率色差,2022/11/1,22,3.3 光学传递函数像质评价,空间频率特性 描述方法：

5、分辨率、调制传递函数。,一、分辨力,高对比度的标准测试板图案聚焦在像管的光阴极面上，用目视方法从荧光屏上每毫米尚能分辨得开的黑白相间等宽矩形条纹的对数，即LPmm。,10-3lx,2022/11/1,23,缺陷:,极限分辨力一样，成像质量可能有很大差异。,极限分辨力模糊不清，难以分辨。,以目测为手段，受主观因素的限制。,2022/11/1,24,二、光学传递函数像质评价,评价像质的几个有关问题OTF和MTF串联系统的光学传递函数 调制传递函数的测试原理 调制传递函数的解析表达（经验公式）传递函数在像质评价上的意义 小结,2022/11/1,25,（1）点扩展函数和线扩展函数,物面点（x，y），

6、像面点（x，y），则弥散斑的光能分布函数h（x，y）称为点扩展函数。,评价像质的几个有关问题,系统对点物的响应由点扩展函数来描述,归一化条件,2022/11/1,26,（2）线性成像系统条件可叠加性,迄今我们看到的绝大多数成像系统都可以看作一个线性的系统，光从样品到像面的过程在数学上可以用扰动与响应表示。,2022/11/1,27,成像元件满足“等晕”成像条件。,对于像质评价，像的大小、正倒是无关紧要的，总取V+1，可把物面和像面迭在一起对比。,（3）空间不变性,共轭面上空间不变的区域称为等晕区。透镜的傍轴区往往是等晕的。,2022/11/1,28,若物平面I（x），则像面的光强分布,物理意义

7、：像面强度分布I（x）是各I（x）h（xx）叠加。,即物的像是线扩展函数对物函数的卷积,（4）卷积成像原理,（5）调制度,2022/11/1,29,OTF和MTF,联系物和像频谱函数的函数关系称为光学传递函数（Optical Transfer Function）。,设物光中有一个空间频率为N的谐波,根据卷积成像原理,令x-x,2022/11/1,30,令,结论：,物面上某一空间频率谐波经线性成像系统成像后，在像面上仍为同一空间频率的谐波，平均强度相同。,交变部分振幅b，经过光学系统后，像的振幅被调制减小为bM（N）；位相由0偏移到。,2022/11/1,31,M（N）调制传递函数 MTF（Mo

8、dulation Transfer Function）,位相传递函数 PTF（Phase Transfer Function）,H（N）M（N）e-i（N）,H（N）被称为光学传递函数OTF（Optical Transfer Function）,从数学上讲，OTF是光学系统线扩展函数h（）的归一化后的傅里叶变换,2022/11/1,32,光学传递函数（OTF）,由傅氏变换的卷积定理：,定义：,若H（N）=1，则I（N）=I（N）表示光学系统对任意谐波成份是完全透明，并对各次谐波无相位上的位移，即理想光学系统。实际上H（N）永远小于1，是空间频率N的函数。,MTF的物理意义：,2022/11/1

9、,33,对于由几个独立的线性光学元件级联而成的线性成像系统，其光学传递函数如何？,X0物面 X1一次像面 X2二次像面,I0（x0）h1（x1-x0）h2（x2-x1）,由卷积成像定理：,串联系统的光学传递函数,2022/11/1,34,对I2（x2）作傅氏变换：,作数学上变换换积分次序,2022/11/1,35,串联系统,n级耦合的光学系统传递函数,结论：,（1）复合系统的调制传递函数M（N）是各独立系统M（N）之积,（2）复合系统的位相传递因子（N）是各独立系统（N）之和,研究和改进光电成像系统衬度传递特性的重要依据,2022/11/1,36,（1）调制度法,调制传递函数就等于正弦（余弦）

10、图案的调制度传递函数，只要测出正弦图案的物和像的调制度，相除即可。,调制传递函数的测试原理,2022/11/1,37,（2）光学模拟傅立叶变换法,定义：M（f）=Fh（x），对器件输入（x）物，对输出像函数h（x）进行傅立叶变换，其模就是MTF。,光学模拟傅氏变换法，就是将狭缝的像直接投射在不同频率的正弦板上，作用相当于下式,测试时，使正弦板沿垂直狭缝的方向扫描，并将其透光量用光电倍增管转换成电信号，以供记录或显示。,2022/11/1,38,设狭缝亮度分布为矩形函数，即,b0，,b0，,入射狭缝为有限宽度时，像函数的傅立叶变换并不等于OTF，应加修正因子。,2022/11/1,39,（3）刀

11、口响应法,输入“物”的亮度空间分布为一阶跃波，像的亮度分布即阶跃响应函数E（x）。,（x）,E（x）,看E（x）曲线的陡度。曲线越陡，成像质量越高。,E（x）求H（x），做傅立叶变换，得到OTF和MTF。,H（x）,S（x）,2022/11/1,40,多数光电器件的MTF,fc特征频率。n器件指数，n（1.12.1）,fc及n的值,调制传递函数的解析表达（经验公式）,2022/11/1,41,测出MTF，可由解析式求出器件的特征频率fc，即M（f）=1/e频率，器件指数n由双对数值给出：,由R个相同线性器件构成串联复合系统,复合系统与分系统的频率常数关系为,分系统越多，复合系统的频率常数越小，

12、MTF越差。,2022/11/1,42,传递函数在像质评价上的意义,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，要求能对较低反衬度的景物获得层次尽可能丰富的像，曲线好。光刻用的镜头，物是反衬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，用曲线为宜。,2022/11/1,43,点扩展函数和光学传递函数互为傅立叶变换。,信息用频谱描述才是准确的，像质用频谱之比（OTF）来评价才反映本质。,要求光学系统在很宽的频段内都有很高的OTF值是不现实的，设计者可参照OTF曲线，按用途把注意力集中到最关心的频段内，研究如何提高和改善系统的性能。,小结,便于处

13、理联合光学系统和光电结合系统（电视）的像质评价问题。,OTF只适用于空不变系统（等晕区）。如何评价空变系统的像质问题，仍需进一步研究，目前的一种做法是“分区等晕处理”。,一、显微镜系统,显微镜（microscope）指为提高人们获得微小信息能力的光学仪器。往往把将近处物体进行放大的光学系统称为显微镜系统。通常由物镜和目镜组成，实际是利用一个物镜和一个目镜产生两级放大的复式显微镜。因为被观测的物体本身不发光，需借助外界照明，故显微镜还需要有一个照明系统。这些部分是较复杂的透镜组合系统，尤其是物镜更为复杂。,3.4 典型的光学系统,显微镜系统设计,放大镜较低的放大倍率不能满足人们对近距离物体的极微

14、小细节进行观察，须用显微镜这种更高放大倍率的组合光学系统。显微镜的目镜和物镜都是会聚透镜，两者间隔比它们各自的焦距大得多。成像原理：物AB位于物方焦点外测附近，经物镜成一放大、倒立的实象AB于目镜物方焦面上或物方焦面内侧附近，再经目镜成放大虚象A“B”于明视距离甚至无限远处。,显微镜系统设计,显微镜的视觉放大率因显微镜实质是一组合光组，其视觉放大率为：,显微镜的视觉放大率是物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率的乘积。物镜倍率常有4、10、40、100；目镜有5、10、15。,物镜的垂轴放大率,目镜的视觉放大率,显微镜系统设计,通用显微镜物镜从物平面到像平面的距离（共轭距），不论放大率如何都是相等的，约为180mm；对生物显微镜，我国规定为195mm。把物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度称为机械筒长，也是固定的，有160mm、170mm、190mm。我国以 160mm作为物镜目镜定位面的标准距离。,显微镜系统设计,显微镜的线视场物体经物镜后成像在视场光阑（直径为D）上，则其线视场为：,视场光阑的大小与目镜的视场角的关系：,在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物空间的线视场越小。,显微镜系统设计,显微镜的出瞳直径 普通显微镜，物镜框是孔径光阑。复杂物镜，其最后镜组的镜框为孔径光阑。测量用显微镜，物镜像方焦平面