光学系统像质评价共96页
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第8章 光学系统成像质量评价
2
实际上， 实际上，绝大多数光学系统以白光或复色光成 白光是由不同波长的单色光所组成的， 像。白光是由不同波长的单色光所组成的，它们对 于光学介质具有不同的折射率，因而白光进入光学 于光学介质具有不同的折射率， 系统后就会因色散而有不同的传播光路，形成了复 系统后就会因色散而有不同的传播光路，形成了复 色像差。 色像差。这种由不同色光的光路差别引起的像差称 为色差。色差有两种，位置色差和倍率色差。 为色差。色差有两种，位置色差和倍率色差。 白光经光学系统后，由于各种单色光有各自的 白光经光学系统后， 单色像差，可见白光成像是很复杂的。 单色像差，可见白光成像是很复杂的。为了便于对 像差的分析，才将白光的像差分成单色像差和色差。 像差的分析，才将白光的像差分成单色像差和色差。 其中， 其中，单色像差是对光能接收器最为灵敏的色光而 言的， 言的，而色差是对光能接收器的有效波段内两种边 缘色光而言的。所谓消像差， 缘色光而言的。所谓消像差，也只是消这种色光的 单色像差和这两种色光的色差。 单色像差和这两种色光的色差。
11
图a
图b
图8－4 －
12
如图8-5， 点发出的近轴光线的高斯像点A 的截距l’； 如图 ，从A点发出的近轴光线的高斯像点 0'的截距 ； 点发出的近轴光线的高斯像点 的截距 孔径角入射光线的共扼光线与光轴交A 点 以U1孔径角入射光线的共扼光线与光轴交 1'点，截距为 L1'；以U2孔径角入射光线的共扼光线与光轴交 2'点， 孔径角入射光线的共扼光线与光轴交A 点 ； 截距为L2'。A点发出的同心光束不交在同一点。如在像 截距为 。 点发出的同心光束不交在同一点。 点发出的同心光束不交在同一点 方不论在A 或 或 处放置光屏都将看到一个弥散斑 处放置光屏都将看到一个弥散斑。 方不论在 0'或A2'或A1'处放置光屏都将看到一个弥散斑。 这是一种球面固有特性而引起的成像缺陷。 这是一种球面固有特性而引起的成像缺陷。
光学系统成像质量评价
（一）望远镜分辨率 （二）照相系统分辨率 （三）显微镜分辨率
第九节 光学传递函数 第十节 用光学传递函数评价系统的像质
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第一节 概述
成像质量评价的方法： 成像质量评价的方法：
1、用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量。 用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量。 分辨率检验 星点检验 用于在光学系统还没制造出来， 2、用于在光学系统还没制造出来，即在设计阶段通过计算就能评定 系统质量。 系统质量。
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第二节 介质的色散和光学系统的色差
某一种介质对两种不同颜色光线的折射率之差称为该介质对这两种颜色 光的色散。 光的色散。 不同颜色光线的像点沿光轴方向的位置之差称为轴向色差 分别表示F 两种波长光线的近轴像距,则轴向色差为： 若用 lF ', lC '分别表示F，C两种波长光线的近轴像距,则轴向色差为：
1500 N= F
三、显微镜物镜分辨率： 显微镜物镜分辨率：
在显微镜系统中，物体位在近距离，一般以物平面上刚能分开两物体 在显微镜系统中，物体位在近距离， 间的最短距离σ 间的最短距离σ表示
σ=
0.61λ 0.61λ = nu NA
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第九节 光学传递函数
一种对设计和使用都适用的统一的像质评价指标 图像分解与合成的概念 像面与物面对比之比称为对指定空间频率μ的对比传递因子， 像面与物面对比之比称为对指定空间频率μ的对比传递因子，用 MTFμ表示 表示。 MTFμ表示。称为振幅传递因子
δ L ' = L ' l '
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第四节 轴外像点的单色相差
如图所示，主光线和光轴决定的平面，称为子午面， 如图所示，主光线和光轴决定的平面，称为子午面，过主光线与子午 面垂直的平面，称为弧矢面。 面垂直的平面，称为弧矢面。
第九节 光学传递函数 第十节 用光学传递函数评价系统的像质
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第一节 概述
成像质量评价的方法： 成像质量评价的方法：
1、用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量。 用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量。 分辨率检验 星点检验 用于在光学系统还没制造出来， 2、用于在光学系统还没制造出来，即在设计阶段通过计算就能评定 系统质量。 系统质量。
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第二节 介质的色散和光学系统的色差
某一种介质对两种不同颜色光线的折射率之差称为该介质对这两种颜色 光的色散。 光的色散。 不同颜色光线的像点沿光轴方向的位置之差称为轴向色差 分别表示F 两种波长光线的近轴像距,则轴向色差为： 若用 lF ', lC '分别表示F，C两种波长光线的近轴像距,则轴向色差为：
1500 N= F
三、显微镜物镜分辨率： 显微镜物镜分辨率：
在显微镜系统中，物体位在近距离，一般以物平面上刚能分开两物体 在显微镜系统中，物体位在近距离， 间的最短距离σ 间的最短距离σ表示
σ=
0.61λ 0.61λ = nu NA
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第九节 光学传递函数
一种对设计和使用都适用的统一的像质评价指标 图像分解与合成的概念 像面与物面对比之比称为对指定空间频率μ的对比传递因子， 像面与物面对比之比称为对指定空间频率μ的对比传递因子，用 MTFμ表示 表示。 MTFμ表示。称为振幅传递因子
δ L ' = L ' l '
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第四节 轴外像点的单色相差
如图所示，主光线和光轴决定的平面，称为子午面， 如图所示，主光线和光轴决定的平面，称为子午面，过主光线与子午 面垂直的平面，称为弧矢面。 面垂直的平面，称为弧矢面。
第八章 光学系统成像质量评价
L 符号规则：由理想像点计算到实际光线交点
最小弥散圆
l :近轴（理想）像点位置
存在球差 时的像点 形状
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
对应孔径角U入射光线的高度h
hmax
-Umax A
h
-U L’ l’
A’
-δL’
-δT’
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δT’ 表示 它表示由轴向球差引起的弥散圆的半径
一、子午像差
子午光线对交点 B'T 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
• 子午场曲: 子午光线对交点到理想像面的距离
' XT
• 子午彗差：子午光线对交点到 ' 主光线的距离 K T 子午光线对交点 B'T 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
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。
lF '
F
lC '
d C
F'紫
F'黄
F'红
通常用C、F光像平面的间距表示轴向色差
lF lC lFC
l' FC 0
称为色差校正不足 称为色差校正过渡
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；
（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 y '
y f tg
C
yF '
光学系统成像质量评价
引言
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。
➢ 因此用分辨率来评价光学系统的成像质量也不是一种严 格而可靠的像质评价方法，但由于其指标单一，且便于 测量，在光学系统的像质检测中得到了广泛应用。
四、点列图
• 在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经 光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点 不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥 散图形，称之为点列图。在点列图中利用这些点的密集 程度来衡量光学系统的成像质量的方法称之为点列图法 。
三、分辨率
S1 S2
S1 S2
S1 S2
可分辨 恰可分辨 不可分辨
100% 75%
三、分辨率
➢ 分辨率作为光学系统成像质量的评价方法并不是一种完 善的方法，这是因为光学系统的分辨率与其像差大小直 接有关，即像差可降低光学系只与系统的相对孔径（即衍射现像）有关，受像差 的影响很小。
四、点列图
一要注意下方表格 中的数值，值越小 成像质量越好。
二根据分布图形的 形状也可了解系统 的几何像差的影响 ，如，是否有明显 像散特征，或彗差 特征，几种色斑的 分开程度如何
四、点列图 点列图特点
大量光路计算，只有利用计算机完成； 形象直观的评价方法； 应用于大像差的照相物镜等设计中；
光学系统成像质量评价
2020年4月24日星期五
提纲
引言
光学系统像质评价
如果系统中有光阑，则把光阑作为系统中 的一个平面来处理。
指定波长光线的折射率n。
选择3～5个波长。用人眼观察的目视光学
仪 器 采 用 C(656.28nm)，D(589.30nm)， F(486.13nm) 3种波长；用感光底片接收的照 相机镜头，则采用C，D，g(435.83nm)这3种波
长。
光学特性参数
光学特性，包括焦距、物距、像距、 放大率、入瞳位置、入瞳距离等
--应用光学
成像质量，成像清晰，物像相似， 变形要小
----光学设计
成像质量评价的方法
（1）、光学系统实际制造完成后对其进行实际测 量
分辨率检验：
分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔δ
空间频率：δ的倒数
1
，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
像散：
x'ts x't x's
畸变：成像光束主光线实际像高和理想像高之差
y'z y'z y'o
平均场曲： x' xt' xs' 2
像点形状及特性： 球差
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
最小弥散圆
像差形状及特性
二.彗差 弧矢彗差大约等于子午彗差 的三分之一 光学系统有彗差时像点的 形状如彗星
像差形状及特性
三.像散
一个面处理，并指出哪个面是系统的孔径光阑。
渐晕系数或系统中每个面的通光半径
轴外光束的宽度比轴上点光束的宽度小，这 种现象叫做“渐晕”。
为保证轴外点的成像质量，把轴外子午光束的 宽度适当减小；
从系统外形尺寸上考虑。 两种方式：一种是渐晕系数法；另一种是给出 系统中每个通光孔的实际通光半径。
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xts xt xs
细光束像散曲线
轴外像点的单色像差
实际光学系统所成的像即使子午像差和弧矢像差都为零，但对应的 像高并不一定和理想像高一致，这种像对物的变形像差称为畸变。
' ' ' ' ' ' Ao Bp ( yz ) 是光束的实际像高，Ao Bo ( yo ) 是理想像高，两者之差即 为畸变
光学传递函数的评价方法
• 用MTF曲线评价成像质量（所有频率） • 用特征频率传递函数值评价光学系统的质量（根据光 学系统使用目的）
• 用MTF阈值进行成像质量评价（分辨率）
• 用MTF曲线的积分值来评价成像质量（中心点亮度） • 用MTF曲线族来进行成像质量评价（焦深）
光学特性参数
孔径光阑或入瞳位置
它是限制轴上物点成像光束立体角（锥角）的光阑
入瞳的位置用从第一面顶点到入瞳面的距离lz表示，符 号规则同样是向右为正，向左为负
光学特性参数
渐晕
由于轴外点成像光束部分被遮挡，造成像的边缘部分亮度比像平 面中心暗，这种现象叫渐晕。
入窗
入瞳
O
A1
A2
A3
像差
实际成像的典型表现是，一个物点发出的光束经光学系统后不能聚焦成 一点而形成弥散斑，垂轴平面的物体也不可能成理想的垂轴平面像而发 生像面弯曲，同时物体成像还会产生变形，此外，还有不同波长光源之 间的成像差异。 实际像与理想像的差异称为像差。 像差包括：球差、彗差、像散、场曲、畸变和色差。其中，前五种是单 色像差，色差分为垂轴色差和位置色光学特性
成像质量
焦距、物距、像距、放大率、 入瞳位置、入瞳距离等
光学系统所包含的像应该足 够清晰，并且物像相似，变 形要小
光学系统成像质量评价
yFC yzF yzC
用不同玻璃做成正透镜和负透镜，组合在一起就可消除色差。
8.3 单色像差
初级像差
U3 U5 sin U U ......
3! 5! cos U 1 U 2 U 4 ......
2! 4! tan U U U 3 2U 5 ......
3 15
coU s1
siU n U taU n
光学系统对共轭面上不同高度的物体有不同垂轴放大率 所致。β不是常数，而是物高y的函数 畸变分类： 桶形畸变（负畸变），β随物高y的增大而减小 鞍形畸变（正畸变）
桶形畸变 鞍形畸变
8.6 用波像差评价光学系统的成像质量
适用于高像质要求的光学系统 理想波面：在理想成像的情况下，和理想像点对应的波面。 波像差：实际波面与理想波面之间的光 程差。
二、像散 若把光阑缩到无限小，只允许沿主光线的无限细光束通
过，则彗差不存在，但是有细光束的像散和场曲存在。 像散：光束的子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的距离。 ➢宽光束像散 ➢细光束像散 ➢像散的大小随物体离开光轴的高低不同而不同 ➢由于对称性，像散曲面为一旋转抛物面
影响像散的因素： ➢与远光束相对于光轴的倾角有关 ➢与f’和n’有关 消除像散的方法： ➢正负透镜象散相反，胶合后可消除； ➢合理确定光阑位置，使T和S两个抛物面重合为一个抛物面
）
有象差时的OTF的频率响应（球差3
）
四、场曲
B1
B
A
孔径 光阑
理想 像面
C
A'
B
' 1
B'
y/h P
xP
z
xt' xs' x'p, xt's 0
用不同玻璃做成正透镜和负透镜，组合在一起就可消除色差。
8.3 单色像差
初级像差
U3 U5 sin U U ......
3! 5! cos U 1 U 2 U 4 ......
2! 4! tan U U U 3 2U 5 ......
3 15
coU s1
siU n U taU n
光学系统对共轭面上不同高度的物体有不同垂轴放大率 所致。β不是常数，而是物高y的函数 畸变分类： 桶形畸变（负畸变），β随物高y的增大而减小 鞍形畸变（正畸变）
桶形畸变 鞍形畸变
8.6 用波像差评价光学系统的成像质量
适用于高像质要求的光学系统 理想波面：在理想成像的情况下，和理想像点对应的波面。 波像差：实际波面与理想波面之间的光 程差。
二、像散 若把光阑缩到无限小，只允许沿主光线的无限细光束通
过，则彗差不存在，但是有细光束的像散和场曲存在。 像散：光束的子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的距离。 ➢宽光束像散 ➢细光束像散 ➢像散的大小随物体离开光轴的高低不同而不同 ➢由于对称性，像散曲面为一旋转抛物面
影响像散的因素： ➢与远光束相对于光轴的倾角有关 ➢与f’和n’有关 消除像散的方法： ➢正负透镜象散相反，胶合后可消除； ➢合理确定光阑位置，使T和S两个抛物面重合为一个抛物面
）
有象差时的OTF的频率响应（球差3
）
四、场曲
B1
B
A
孔径 光阑
理想 像面
C
A'
B
' 1
B'
y/h P
xP
z
xt' xs' x'p, xt's 0
07光学系统成像质量评价
07光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价是指对光学系统的成像效果进行客观评估和定量描述。
光学系统成像质量是指光学系统对物体的成像能力，即像质的好坏。
好的光学系统成像质量表现为高分辨率、高对比度、低像差等特点。
成像质量评价主要包括分辨力评价、像差评价和对比度评价等。
分辨力是评价光学系统成像质量的重要指标之一、它是指能够分辨清晰的最小细节的能力。
分辨力的大小与光学系统的光学特性、入射光的波长、传感器的像素大小等有关。
常用的分辨力评价方法有MTF （Modulation Transfer Function）方法和空间频率方法。
MTF是光学系统传递像差的度量，通过测量光系统对一定空间频率的输入信号的传输量来表示光学系统对物体微细特征的分辨能力。
空间频率方法则是通过分析物体不同空间频率成分的能量来评价分辨能力。
像差评价是针对光学系统中各种像差对成像质量的影响进行评价。
光学系统中常见的像差包括球差、散光、像散、畸变等。
球差是由于球面透镜成像能力不完全而产生的像差，它导致透镜焦距与入射光位置有关。
散光是由于透镜折射率随距离而变化引起的像差，散光会导致成像点模糊。
像散是在光学系统中，不同波长的光会聚焦在不同位置形成不同的像点，从而导致色差。
畸变则是指光学系统成像时物体真实尺寸与其等效尺寸之间的变化。
像差评价的方法很多，包括通过测试物体进行目测、使用CCD 相机进行像差测量等。
对比度评价是用来描述光学系统成像能力的指标之一、对比度是指在光学系统中被成像物体的亮度差异。
对比度的好坏会直接影响到物体的细节清晰度和图像的视觉效果。
对比度评价的方法多样，可以通过测量物体亮度的标准差、计算图像的峰值信噪比等方法来评价对比度。
总之，光学系统成像质量评价可以通过分辨力评价、像差评价和对比度评价等方法来进行。
这些方法可以客观地评估光学系统成像质量的好坏，为光学系统设计和优化提供依据。
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光学系统像质评价
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。—贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。—贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联