第09章工程光學(xué)郁道銀第二版ppt課件

1、第九章 光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價 第一節(jié) 瑞利判斷與波前圖 第二節(jié) 中心點亮度與能量包容圖 第三節(jié) 分辨率與點擴散函數(shù) 第四節(jié) 星點檢測法與點列圖 第五節(jié) 光學(xué)傳遞函數(shù)評價成像質(zhì)量 第六節(jié) 其它像質(zhì)評價方法 第七節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的像差公差H-P comet and the ecliptic light 望遠(yuǎn)鏡采用望遠(yuǎn)鏡采用RC光學(xué)系統(tǒng)和卡光學(xué)系統(tǒng)和卡塞格林焦點系塞格林焦點系統(tǒng)統(tǒng) 美國美國Photometrics公司的公司的1024CCD系統(tǒng)系統(tǒng)榮獲榮獲19861986年諾貝爾物理學(xué)獎的掃描隧道顯年諾貝爾物理學(xué)獎的掃描隧道顯微鏡最小分辨距離已達(dá)微鏡最小分辨距離已達(dá)0.010.01，能觀察到單，能觀察到單個

2、原子的運動圖像。個原子的運動圖像。將掃描隧道顯微鏡技術(shù)用于分子級加工，將掃描隧道顯微鏡技術(shù)用于分子級加工，主要基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。主要基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。19901990年，美國圣荷塞年，美國圣荷塞IBMIBM阿爾馬登研究所阿爾馬登研究所D.M.EiglerD.M.Eigler等人等人在超真空環(huán)境中，用在超真空環(huán)境中，用3535個個XeXe原子排成原子排成IBMIBM三個字母，每個三個字母，每個字母高字母高5nm5nm，XeXe原子間的最短距離為原子間的最短距離為1nm1nm，如圖所示。，如圖所示。19921992年又成功移動了吸附在年又成功移動了吸附在PtPt表面上的表面上的CO

3、CO原子，原子，19931993年成功移年成功移動動4848顆顆FeFe原子排列成圓形，實現(xiàn)原子操縱技術(shù)。原子排列成圓形，實現(xiàn)原子操縱技術(shù)?？茖W(xué)家把碳科學(xué)家把碳6060分子每十個一組放在銅的表面組成了世界上分子每十個一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。最小的算盤。中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出世界上最小的中國地圖。表面通過搬遷碳原子而繪制出世界上最小的中國地圖。 像差回顧像差回顧像質(zhì)評價的階段像質(zhì)評價的階段 1 設(shè)計完成后，加工前，對成像情況進(jìn)行模設(shè)計完成后，加工前，對成像情況進(jìn)行模擬仿真；擬仿真；

4、 2 加工裝配后，批量生產(chǎn)前，要嚴(yán)格檢測實加工裝配后，批量生產(chǎn)前，要嚴(yán)格檢測實際成像效果。際成像效果。評價方法評價方法 1 不考慮衍射：不考慮衍射： 光路追跡法（點列圖，像差曲線）；光路追跡法（點列圖，像差曲線）； 2 考慮衍射：考慮衍射： 繪制成像波面，光學(xué)傳遞函數(shù)等繪制成像波面，光學(xué)傳遞函數(shù)等第一節(jié)第一節(jié) 瑞利判斷瑞利判斷 最大波像差小最大波像差小于于/4時，此時，此波面可看作是波面可看作是無缺陷的。無缺陷的。 球差曲線球差曲線： 球差曲線縱坐標(biāo)是孔徑，橫坐標(biāo)是球差（色球差），使用這個曲線圖，一要注意球差的大小，二要注意曲線的形狀特別是代表幾種色光的幾條曲線之間的分開程度，如果單根曲線還可

5、以，但是曲線間距離很大，說明系統(tǒng)的位置色差很嚴(yán)重。 軸外細(xì)光束像差曲線軸外細(xì)光束像差曲線 這一般是由兩個曲線圖構(gòu)成圖中左邊的是像散場曲曲線像散場曲曲線，右邊的是畸變畸變，不同顏色表示不同色光，T和S分別表示子午和弧矢量，同色的T和S間的距離表示像散的大小，縱坐標(biāo)為視場，右圖橫坐標(biāo)是場曲，左圖是畸變的百分比值，左圖中幾種不同色曲線間距是放大色差放大色差值。值。瑞利判斷的特點瑞利判斷的特點優(yōu)點：方便使用、關(guān)系簡單；（幾何像差曲優(yōu)點：方便使用、關(guān)系簡單；（幾何像差曲線進(jìn)行圖形積分得到波像差。）線進(jìn)行圖形積分得到波像差。）缺點：缺點： 只考慮波像差的允許公差，未考慮其在整只考慮波像差的允許公差，未考慮

6、其在整個波面的比重；（氣泡、劃痕）個波面的比重；（氣泡、劃痕） 只適用于小像差光學(xué)系統(tǒng)。只適用于小像差光學(xué)系統(tǒng)。第二節(jié)第二節(jié) 中心點亮度（斯托列爾中心點亮度（斯托列爾準(zhǔn)則）準(zhǔn)則） 成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時衍成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時衍射斑的中心亮度之比射斑的中心亮度之比S.D來表示成像質(zhì)量。來表示成像質(zhì)量。 S.D0.8,成像完善；成像完善； 與瑞利判斷方法是一致的；與瑞利判斷方法是一致的； 只適用小像差系統(tǒng)；只適用小像差系統(tǒng)； 計算復(fù)雜，計算機軟件計算。計算復(fù)雜，計算機軟件計算。第三節(jié)第三節(jié) 分辨率分辨率 反映光學(xué)系統(tǒng)分辨物體細(xì)節(jié)的能力，可以反映光學(xué)系統(tǒng)分辨物體細(xì)節(jié)的能力，

7、可以評價成像質(zhì)量。評價成像質(zhì)量。瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據(jù)：點物瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據(jù)：點物S S1 1的艾里斑中心恰好的艾里斑中心恰好與另一個點物與另一個點物S S2 2的艾里斑邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r，恰的艾里斑邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r，恰可分辨兩物點?？煞直鎯晌稂c。瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)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% 一個點物衍射圖樣的中央極大與近旁另一個點物衍射圖樣一個點物衍射圖樣的中央極大與近旁另一個點物衍射圖樣的第一極小重合，作為光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨極限，認(rèn)為此時系的第一極小重合，作為光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨極限，認(rèn)為此時系

8、統(tǒng)恰好可以分辨開兩個點物。稱此分辨標(biāo)準(zhǔn)為瑞利判據(jù)。統(tǒng)恰好可以分辨開兩個點物。稱此分辨標(biāo)準(zhǔn)為瑞利判據(jù)。ISO12233鑒別率板鑒別率板 投影鑒別率投影鑒別率 左圖是光左圖是光學(xué)車間常用的投影鑒學(xué)車間常用的投影鑒別率儀，使用時只要別率儀，使用時只要將被測鏡頭裝夾好，將被測鏡頭裝夾好，將投影圖調(diào)至最清晰將投影圖調(diào)至最清晰就可以對各個方向上就可以對各個方向上的分辨率進(jìn)行判度，的分辨率進(jìn)行判度，適用于大批量生產(chǎn)的適用于大批量生產(chǎn)的光學(xué)檢驗，或調(diào)試使光學(xué)檢驗，或調(diào)試使用。用。第四節(jié)第四節(jié) 點列圖點列圖 由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，因由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，因像差使其與像面的交點不再集中于同

9、一點，像差使其與像面的交點不再集中于同一點，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形，稱為點列圖。點列圖是在現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計中稱為點列圖。點列圖是在現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計中最常用的評價方法之一最常用的評價方法之一。 分別表示給定的幾個視場上不同光線與像面交點的分布情況。使用點列圖，一要注意下方表格中的數(shù)值，值越小成像質(zhì)量越好。二根據(jù)分布圖形的形狀也可了解系統(tǒng)的幾何像差的影響，點列圖特點點列圖特點 大量光路計算，只有利用計算機完成； 形象直觀的評價方法； 應(yīng)用于大像差的照相物鏡等設(shè)計中；第五節(jié)第五節(jié) 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：一定空間頻率下像的：一定空

10、間頻率下像的對比度與物的對比度之比。能反映不同空對比度與物的對比度之比。能反映不同空間頻率、不同對比度的傳遞能力。一般而間頻率、不同對比度的傳遞能力。一般而言，高頻傳遞函數(shù)反映了物體細(xì)節(jié)傳遞能言，高頻傳遞函數(shù)反映了物體細(xì)節(jié)傳遞能力，低頻傳遞函數(shù)反映物體輪廓傳遞能力，力，低頻傳遞函數(shù)反映物體輪廓傳遞能力，中頻傳遞函數(shù)反映對物體層次的傳遞能力。中頻傳遞函數(shù)反映對物體層次的傳遞能力。 從而從而突出輪廓亮度突出輪廓亮度 形成亮的鑲邊。形成亮的鑲邊。在物的頻譜面在物的頻譜面F上放一個高通濾波器上放一個高通濾波器（玻璃片中心鍍個不透明的斑），（玻璃片中心鍍個不透明的斑）， 擋掉擋掉0級和低頻級和低頻成分，

11、成分，高頻濾波和輪廓突出高頻濾波和輪廓突出F大大頭頭針針LP1P2擴束擴束亮亮邊邊 MTF曲線圖曲線圖 圖中不同色的曲線圖中不同色的曲線表示不同視場的復(fù)表示不同視場的復(fù)色光（白光）色光（白光）MTF曲線，曲線，T和和S分別表示分別表示子午和弧子午和弧矢矢方向，最上方黑方向，最上方黑色的曲線是衍射極色的曲線是衍射極限。橫坐標(biāo)是空間限。橫坐標(biāo)是空間頻率頻率lp/mm，縱坐，縱坐標(biāo)是對比度，最大標(biāo)是對比度，最大是是1。曲線越高，。曲線越高，表明成像質(zhì)量越好。表明成像質(zhì)量越好。 傳函與離焦關(guān)系圖 此圖表明對設(shè)定空間頻率不同視場的子午、弧矢MTF與離焦量的關(guān)系，圖中橫坐標(biāo)是離焦量，縱坐標(biāo)是對比度，通過此

12、圖可以看出各視場的最佳焦面是否比較一致，MTF是否對離焦比較敏感。此圖在光學(xué)設(shè)計后期，精細(xì)校正時很有用。MTF曲線的積分值評價成像質(zhì)量曲線的積分值評價成像質(zhì)量 MTF曲線只能反映少數(shù)點的情況；曲線只能反映少數(shù)點的情況； 理論上像點的中心亮度值等于理論上像點的中心亮度值等于MTF曲線的曲線的面積；面積； 面積越大，信息越多，像質(zhì)越好；面積越大，信息越多，像質(zhì)越好；傳函測量傳函測量 傳函測量要使用光學(xué)傳遞函數(shù)測試儀，下傳函測量要使用光學(xué)傳遞函數(shù)測試儀，下圖是一臺傳函測試儀，使用時只要將被測圖是一臺傳函測試儀，使用時只要將被測物鏡裝夾好，將光點調(diào)到最小，就可以得物鏡裝夾好，將光點調(diào)到最小，就可以得到這個物鏡傳函曲線圖。到這個物鏡傳函曲線圖。MTF特點特點 與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān)，又和光學(xué)系統(tǒng)的與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān)，又和光學(xué)系統(tǒng)的衍射有關(guān)；衍射有關(guān)； 客觀、可靠；客觀、可靠； 同時運用于小像差光學(xué)系統(tǒng)和大像差光學(xué)同時運用于小像差光學(xué)系統(tǒng)和大像差光學(xué)系統(tǒng)；系統(tǒng)；第六節(jié)第六節(jié) 其它方法其它方法 1 基于幾何的方法；（光程差曲