像質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)課件

周廣麗圖書(shū)館301像質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用光學(xué)像質(zhì)評(píng)價(jià)光學(xué)CAD主要內(nèi)容光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)初級(jí)像差理論自動(dòng)設(shè)計(jì)原理參考書(shū):<工程光學(xué)>李林,北京理工大學(xué)出版社<工程光學(xué)>郁道銀,機(jī)械工業(yè)出版社<工程光學(xué)設(shè)計(jì)>蕭澤新,電子工業(yè)出版社<應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>遲澤英,東南大學(xué)出版社1.1概述1.2光學(xué)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性參數(shù)1.3幾何像差的定義及計(jì)算1.4用波像差評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量1.5用光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)像質(zhì)第一章光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)1.1概述1.光學(xué)系統(tǒng)的作用

把目標(biāo)發(fā)出的光按儀器工作原理的要求改變它們的傳播方向和位置，送入儀器的接收器，從而獲得目標(biāo)的改變信息，包括目標(biāo)的幾何形狀、改變強(qiáng)弱等。2.對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求：（1）光學(xué)性能：焦距、物距、像距、放大率等。（2）成像質(zhì)量：像應(yīng)該清晰，物像相似，變形要小。1.2光學(xué)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性參數(shù)1.常用量的符號(hào)及符號(hào)規(guī)則與《應(yīng)用光學(xué)》中相同。2.共軸光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)中每個(gè)曲面的形狀可表示為：c為曲面頂點(diǎn)的曲率；K為二次曲面系數(shù)；a4,a6,…a2n為高次曲面系數(shù)。不同的面形，對(duì)應(yīng)不同的面形系數(shù)，例如:球面:K=1，a4=a6=…=a2n=0；二次曲面:K≠1，a4=a6=…=a2n=0。K值K<0K=00<K<1K=1K>1面形雙曲面拋物面橢球面球面扁球面二次曲面面型3.光學(xué)特性參數(shù)（1）物距L(2)物高y或視場(chǎng)角ω當(dāng)物平面位于有限距離時(shí),成像范圍用物高y表示;當(dāng)物平面位于有限遠(yuǎn)時(shí),成像范圍用視場(chǎng)角ω表示.(3)物方孔徑角正弦sinU或光束孔徑高h(yuǎn)

當(dāng)物平面位于有限距離時(shí),光束孔徑用軸上點(diǎn)邊緣光線和光軸夾角U的正弦sinU表示;當(dāng)物平面位于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí),光束孔徑用軸向平行光束的邊緣光線孔徑高h(yuǎn)表示.(5)漸暈表示系統(tǒng)漸暈狀況的兩種方式:漸暈系數(shù)法每個(gè)通光孔的實(shí)際通光半徑建立系統(tǒng)的一般步驟建立初始結(jié)構(gòu)輸入軟件評(píng)價(jià)系統(tǒng)質(zhì)量好完成不好自動(dòng)化修改查手冊(cè)查專利自己建1.3幾何像差的定義及計(jì)算幾何像差：通過(guò)對(duì)空間光線的追跡得到基礎(chǔ)：立體幾何正弦函數(shù)的級(jí)數(shù)展開(kāi)為：1.軸上物點(diǎn)相同孔徑的光線，像距相同不同孔徑的光線，像距不同（1）軸上物點(diǎn)的單色像差

軸向球差：出射波面偏離球面波之差軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各球面折射后不再為同心光束，不同孔徑角的光線交光軸于不同位置上，相對(duì)于理想像點(diǎn)的位置有不同的偏離。垂軸球差：a)球差的函數(shù)表達(dá)式：b)消球差的方法正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差球差的分布式：在近軸區(qū)：每個(gè)面上的初級(jí)球差分布系數(shù)：SI=luni(i-i’)(i’-u)初級(jí)球差：習(xí)題：一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，已知其只包含初級(jí)和二級(jí)球差，更高級(jí)的球差可忽略不計(jì)。已知該系統(tǒng)的邊光球差δLm’=0，0.707帶光球差δL0.707’=-0.015，求：（1）表示出此系統(tǒng)的球差隨相對(duì)高度h/hm的展開(kāi)式，并計(jì)算0.5和0.85帶光線的球差；（2）邊緣光的初級(jí)球差和高級(jí)球差；（3）最大的剩余球差出現(xiàn)在哪一高度帶上？數(shù)值是多少？（2）軸上物點(diǎn)的色差薄透鏡：波長(zhǎng)的選取隨儀器所用的光能接收器的不同而改變：用人眼觀察的目視光學(xué)儀器采用C（656.28nm），D（589.30nm），F(xiàn)（486.13nm）3種波長(zhǎng)。用感光底片接收的照相機(jī)鏡頭，采用C，D，G（435.83nm）3種波長(zhǎng)。近軸位置色差：不同顏色光線理想像點(diǎn)之差。通常用C和F兩種波長(zhǎng)光線的理想像平面間的距離來(lái)表示近軸位置色差，也稱為近軸軸向色差。當(dāng)孔徑變大時(shí)

ΔLFC’(h)=LF’(h)-LC’(h)軸向色差2.軸外像點(diǎn)的像差軸上點(diǎn)：子午面與弧失面光線分布一樣軸外點(diǎn)：弧失光線對(duì)稱于子午面，子午面內(nèi)光線光束的對(duì)稱性被破壞。（1）子午像差子午場(chǎng)曲XT’子午慧差KT’細(xì)光束子午場(chǎng)曲xt’軸外子午球差δLT’=XT’-xt’子午像差---跟物高有關(guān)隨著物高（視場(chǎng)）的增大，子午光線的不對(duì)稱性增大。子午像差跟孔徑有關(guān)---全孔徑子午像差跟孔徑有關(guān)---0.7孔徑子午像差跟孔徑有關(guān)---0.5孔徑子午像差跟孔徑有關(guān)---0.3孔徑子午像差跟孔徑有關(guān)-----慧差隨光束孔徑減少，迅速減到0場(chǎng)曲隨孔徑減少，最終不一定為0，而為定值-----細(xì)光束子午場(chǎng)曲?？偨Y(jié)（2）弧失像差弧失場(chǎng)曲XS’

弧失慧差KS’細(xì)光束弧失場(chǎng)曲xs’

軸外弧失球差δLS’=XS’-xs’弧失像差下為弧失光線對(duì)弧失像差與孔徑關(guān)系同子午像差，即：慧差隨光束孔徑減少，迅速減到0場(chǎng)曲隨孔徑減少，最終不一定為0，而為定值-----細(xì)光束弧失場(chǎng)曲。像散（3）主光線像差---畸變

畸變由主光線的球差產(chǎn)生，z為軸上點(diǎn)，其近軸像點(diǎn)位于z’，實(shí)際像點(diǎn)位于z’’?；?---種類垂軸放大率與視場(chǎng)有關(guān)，并非常數(shù)。正畸變：枕形畸變負(fù)畸變：桶形畸變垂軸色差：不同顏色光線的主光線和同一基準(zhǔn)像面交點(diǎn)高度（即實(shí)際像高）之差。3.幾何像差的垂軸表示法幾何像差的另一種表示方法：用不同孔徑子午、弧失光線在理想像面上的交點(diǎn)和主光線在理想像面上的交點(diǎn)間的距離來(lái)表示。a)若兩者同號(hào),肯定存在慧差b)若兩者異號(hào),且δy’(-h,y)+δy’(h,y)=0,不存在慧差a)一般情況b)若弧失光線對(duì)交點(diǎn)在主光線上c)若δx’(-h,y)=0;δx’(h,y)=0,則場(chǎng)曲為0子午垂軸像差與幾何像差的關(guān)系4.Seidal像差理論Seidal像差理論(h,θ)為入瞳極坐標(biāo),y為物高(視場(chǎng))第一項(xiàng)為球差,第二項(xiàng)為慧差第三項(xiàng)為像散和場(chǎng)曲,第四項(xiàng)為畸變.垂軸像差和獨(dú)立幾何像差與孔徑和視場(chǎng)的關(guān)系垂軸像差/獨(dú)立幾何像差h(次方)y’(次方)球差δL’30慧差KS’KT’21像散xts’12場(chǎng)曲xt’xs’12畸變?chǔ)膟z’031.4用波像差評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量實(shí)際波面和理想波面之間的光程差稱為波像差。AA‘如果最大波像差小于四分之一波長(zhǎng)，則實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量與理想光學(xué)系統(tǒng)沒(méi)有顯著差別，這是長(zhǎng)期以來(lái)評(píng)價(jià)高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，稱為瑞利標(biāo)準(zhǔn)。1.5用光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)像質(zhì)用MTF曲線來(lái)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量用MTF曲線的積分值來(lái)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量傳遞函數(shù)與離焦量的關(guān)系第二章、薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差理論2.1概述2.2薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差方程組2.3薄透鏡組像差的普遍性質(zhì)2.4像差特性參數(shù)的P、W、C的規(guī)化2.5薄透鏡的和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系2.6雙膠合透鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解2.7平行玻璃板的初級(jí)像差公式2.8光學(xué)系統(tǒng)消場(chǎng)曲的條件—petzval條件2.1概述2.薄透鏡的概念如果一個(gè)透鏡組的厚度和它的焦距比較可以忽略，這樣的透鏡組稱為薄透鏡組。由若干個(gè)薄透鏡組構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為薄透鏡系統(tǒng)（透鏡組之間的間隔可以是任意的）2.薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差方程組已知:φ1,φ2

,φ,d1,u,u’第一輔助光線:h1,h2第二輔助光線:hz1,hz2外部參數(shù)(與具體結(jié)構(gòu)參數(shù)(r,d,n)無(wú)關(guān))薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差方程組對(duì)薄透鏡組求和其中的參數(shù):對(duì)單透鏡求和像差方程組的用途可以得到薄透鏡組的像差性質(zhì)已知像差的數(shù)值,反求結(jié)構(gòu)參數(shù)2.3薄透鏡組像差的普遍性質(zhì)2.3.1薄透鏡組的單色像差性質(zhì)1.一個(gè)薄透鏡組只能校正兩種初級(jí)單色像差2.光闌位置對(duì)像差的影響（1）球差與hz無(wú)關(guān)，所以光闌位置對(duì)球差沒(méi)有影響。（2）慧差慧差與光闌位置有關(guān)。但球差為零時(shí)，慧差即與光闌位置無(wú)關(guān)。（3）像散像散與光闌位置有關(guān)，但球差、慧差都為零時(shí)，像散與光闌位置無(wú)關(guān)。（4）光闌和薄透鏡組重合時(shí)hz=0像散與透鏡組的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，無(wú)法校正。（5）光闌和薄透鏡組重合時(shí)畸變?yōu)榱?。?）單透鏡的petzval場(chǎng)曲xp’對(duì)單透鏡組來(lái)說(shuō)，xp’與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。2.3.2薄透鏡組的色差性質(zhì)1.一個(gè)薄透鏡組消除了軸向色差必然同時(shí)消除垂軸色差。2.薄透鏡組必須采用不同材料的玻璃組合消色差。3.消色差的條件和物體位置無(wú)關(guān)。2.4像差特性參數(shù)P,W,C的規(guī)化物距焦距入射高保持透鏡組的幾何形狀相似∞11（1）P,W對(duì)f’的規(guī)化薄透鏡系統(tǒng)的求解過(guò)程外形尺寸計(jì)算根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的像差要求,列出初級(jí)像差方程組求解方程組得到系統(tǒng)中每個(gè)薄透鏡組的像差特性參數(shù)P,W,C經(jīng)過(guò)規(guī)化,求出求出每個(gè)透鏡組的結(jié)構(gòu)參數(shù)2.5單透鏡的和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系例：有一平凸透鏡，焦距f’=4000mm，玻璃材料為K9(n=1.5163，γ=64.1)用作平行光管物鏡，如下圖。通光口徑D=160，求該透鏡的初級(jí)球差、慧差和軸向色差。由表3-1用插值法得到n=1.5163時(shí)的P0，Q0值為：P0=2.05，Q0=-1.26由于透鏡為平凸形，并且凸面向前，所以C2=0，代入公式Q=C2