像质评价方法
Zemax中的像质评价方法课件
Wavefront (波像差)
可用于小像差光学系统和大像差光学系统， 同时因有瑞利标准（波像差小于λ/4波长，镜 头系统成像质量接近理想），使波像差评价 像质易被量化，只是对大像差系统时，可将 波像差容限取成2－4倍的瑞利标准; 波像差跟视场有关，由一个视场物点发出充 满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射， 经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发 生变形，表示存在波像差.
球差 场曲 彗差 像散 畸变 色差 垂轴色差
Fans (光扇图) Spot Diagram （几何点列图） MTF (调制传递函数) PSF (点扩散函数) Wavefront （波像差） Miscellaneous (其他或杂项)
Fans(光扇图)
由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别 在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线 与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述 跟像差有关的像质指标，可统称为Fans. 共有Ray Aberration、Optical path和Pupil Aberration三种.
Field Curv/Distortion (细光束场曲与畸变)
畸变属于主光线像差，反映物象的相似程度， 如小于1％，则认为物象几乎完全相似; 畸变的基本定义，是某一视场主波长时的主 光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离. 实际使用时，据镜头的功用还会衍生出其他 计算形式，主要有：（1）标准畸变，（2） F-Theta畸变，（3）校准(calibrated)畸变.
MTF(调制传递函数)
据计算模型的不同，可分为三类： 1) FFT MTF，基于快速傅立叶变换，先计算PSF（点 扩散函数），再由PSF→MTF； 2) Huygens MTF，基于惠更斯波面包络原理，先计算 出瞳面上的光瞳函数，然后把出瞳面细分，看成次 级光源，再向像面传递；因此计算惠更斯传函时， 要将出瞳面细分网格、也将像面细分网格采样； 3) Geometric MTF，基于几何点列图，转化成子午面 或弧矢面上的线扩散函数，再经傅立叶变换，得到 调制传递函数PX，PY）为横 轴的光程差曲线，相当于一维波像差曲线; 纵轴为光程差，以主光线所走过的光程为 基准.
第八章光学系统的像质评价
第三节 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 其在像面上不再集中于一点，而是形成一个分 布在一定范围内的弥散斑图形，称为点列图。
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为点列图法。
利用点列图法来评价照相物镜等的成像质量时， 通常是利用集中30%以上的点或光线所构成的 图形区域作为其实际有效弥散斑，弥散斑直径 的倒数为系统的分辨率。
第一节 瑞利判断和中心亮度
一、瑞利（Reyleigh）判断
实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过 时，
4 此波面可看作是无缺陷的。
参考 优点：便于实际应用； 缺点：从光波传播光能的观点看，瑞利判断不够严密； 适用于：小像差光学系统，如：望远物镜，显微物镜， 微缩物镜，制版物镜等。
接收器分辨率 极值曲线
第二节 分辨率
分辨率是反映光学系统能分 辨物体细节的能力。
瑞利指出：能分辨的两个等亮
度点间的距离对应艾里斑的半 径，即一个亮点的衍射图案中 点与另一个亮点的衍射图案的 第一暗环重合时，这两个亮点 则能被分辨。
根据衍射理论，无限远物体被理想光学系统形成 的衍射图案中，第一暗环半径对出射光瞳中心 的张角为：
二、中心点亮度
光学系统存在像差时，其成像衍射的中心亮度（爱 里斑亮度）与不存在像差时衍射斑的中心亮度的 比值来表示光学系统的成像质量；这个比值称为
中心点亮度，用S.D.表示。
斯托列尔（K.Strehl）准则：当S.D. ≥0.8时，认 为光学系统的成像质量是完善的。
适用于：小像差光学系统，计算复杂。
第四节 光学传递函数评价成像质量
把物平面分解成无限多个物点 物面图形的分解
实验二ZEMAX中的像质评价方法
实验二ZEMAX中的像质评价方法实验二ZEMAX 中的像质评价方法一、实验目的了解ZEMAX的各种像质评价方法。
二、ZEMAX的像质评价方法ZEMAX提供丰富的像质评价指标，现结合D=0.5，相对孔径1/4、视场94°的1/6英寸CCD 广角物镜色合计参数，将主要评价结果介绍如下。
表3-1 广角物镜结构参数序号半径R 间隔d 玻璃外径D1 ∞0.6 K9 1.62 1.109 0.6 0.93 3.448 1.0 LAK3 1.14 -18.705 0.5 1.15 光阑0.1 0.356 -2.89 1.0 LAK3 0.417 -1.7 0.1 1.18 2.29 1.0 K9 1.19 -1.7378 0.6 ZF7 1.110 -14.791 1.11、几何像差曲线(1)球差曲线（Longitudinal Aberration）纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差）。
(2)焦点色位移（Focal Shift）表示的是系统工作波长范围内不同波长的色光近焦距位移。
横坐标表示焦点位移，纵坐标为不同色光的波长，整个图形以主波长的近轴焦点为参考基准。
（3）轴外细光束像差曲线（Field Curv/Dist）左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值。
（4）子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线(Ray Fan)横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差，EY表示δy′(子午)，EX表示δz′(弧矢)。
（5）垂轴色差（倍率色差）(Lateral Color)横坐标表示不同色光与参考色光像高的像差，纵坐标表示视场。
图中两条AIRY表示的曲线为艾里斑范围。
2、点列图(Spot Diagram)点列图下方给的数可以看出每个视场的RMS RADIUS（均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEO RADIUS为几何半径（最大半径），值越小成像质量越好。
另外根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。
(完整版)像质评价方法
一、几何像差曲线
1、球差曲线：
球差曲线纵坐标是孔 径，横坐标是球差 （色 球差），使用这个曲 线图，一要注意球差 的大小，二要注意曲 线的形状特别是代表 几种色光的几条曲线 之间的分开程度，如 果单根曲线还可以， 但是曲线间距离很 大，说明系统的位置 色差很严重。
2、轴外细光束像 差曲线
此图表明对设定 空间频率不同视 场的子午、弧矢 MTF与离焦量的关 系，图中横坐标是 离焦量， 纵坐标是 对比度， 通过此图 可以看出各视场 的最佳焦面是否 比较一致， MTF是 否对离焦比较敏 感。此图在光学设 计后期， 精细校正 时很有用。
四、波像差
1、光程差曲线
图中几个曲线图分 别是不同视场子午 和弧矢方向上的光 程差，不同颜色表 示不同色光。下方 表格的数据为纵坐 标（光程差）的最 大值，单位一般用 波长。
1、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTF曲线图
图中不同色的曲 线表示不同视场 的复色光（白光） MTF曲线， T 和 S 分别表示子午和 弧矢方向， 最上方 黑色的曲线是衍 射极限。 横坐标是 空间频率 lp/mm （每毫米线对）， 纵坐标是对比度， 最大是 1。曲线越 高，表明成像质量 越好。
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2、传函与离焦关 系曲线图
由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集 中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。， 点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
图中的几个图分 别表示给定的几 个视场上不同光 线与像面交点的 分布情况。使用点 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，有经 验的设计者可以 根据不同的情况 采取相应的措 施。
第八章 光学系统的像质评价和像差公式
（一）球差公差 （二）慧差公差 （三）色差公差
二、望远目镜和显微目镜的像差公差
三、照相物镜的像差公差 照相物镜属大孔径、大视场的光学系统，应校正 全部像差。但作为照相系统接收器的感光胶片有 一定的颗粒度，在很大程度上限制了系统的成像 质量，因此照相物镜无需有很高的像差校正要求， 往往以像差在像面上形成的弥散斑大小 （即能分 辨的线对）来衡量系统的成像质量。
瑞利判断的优点是便于实际应用，因为波像 差与几何像差之间的计算关系比较简单。 只要利用几何光学中的光路计算得出几何像 差曲线，由曲线图形积分便可方便地得到波 像差，由所得到的波像差即可判断光学系统 的成像质量优劣。 反之，由波像差和几何像差之间的关系，利 用瑞利判断也可以得到几何像差的公差范围， 这对实际光学系统的讨论更为有利。
对轴外物点发出的光束，当存在拦光时，只 追迹通光面积内的光线。
利用点列图法来评价照相物镜等的成像质量时， 通常是利用集中30％以上的点或光线所构成的图 形区域作为其实际有效弥散斑，弥散斑直径的倒 数为系统的分辨率。 利用点列图法来评价成像质量时，需要作大量的 光路计算，一般要计算上百条甚至数百条光线， 因此其工作量是非常之大。 但它又是一种简便而易行的像质评价方法，因此 常在大像差的照相物镜等设计中得到应用。
对照相物镜等作分辨率检测时，有时会出 现“伪分辨现象”。 即分辨率在鉴别率板的某一组条纹时已不能 分辨，但对更密一组的条纹反而可以分辨， 这是因为对比度反转而造成的。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。
第三节
点列图
在几何光学的成像过程中，由一点发出的
Zemax中的像质评价方法解读
Miscellaneous(杂项)
几何像差的分析功能 有Field Curvature/Distortion（细光束场 曲与畸变）、 Longitudinal Aberration （轴向球差）、 Lateral Color（垂轴色 差）
Field Curv/Distortion (细光束场曲与畸变)
由于计算模型不同，计算结果会出现较小差别，但 变化趋势及量值不会差别很大，要注意区别： 1）从计算速度上看，FFT MTF最快，Huygens MTF 与Geometric MTF速度较慢，但在初始结构像质太 差（如波差PV>6λ）时，FFT MTF计算会显示出错， 这是正常现象，此时几何传函仍可进行正常计算， 只是传函值太低； 2）从网格采样来看，FFT MTF与Geometric MTF只 需对像面（或物面）空间坐标进行2n×2n网格采样， 但Huygens MTF因计算模型差别，还要增加对出瞳 面网格采样，这是导致Huygens MTF计算速度变慢 的主要原因； 3）FFT MTF与Huygens MTF都能计算出Surface MTF（即3D-MTF），但Geometric MTF一般只计 算子午与弧矢面上MTF，不提供Surface MTF.
之所以称之为细光束场曲，是因为场曲曲线 没有跟光束孔径有关 细光束场曲反映了不同视场点的细光束像点 离开像面的位置变化，初级细光束场曲跟视 场的平方成正比，其对成像的影响，是使一 平面物体成一弯曲像面; 细光束像散反映了子午和弧矢细光束像点 （或子午与弧矢弯曲像面）的不重合而分开 的轴向距离.
Field Curv/Distortion (细光束场曲与畸变)
畸变属于主光线像差，反映物象的相似程度， 如小于1％，则认为物象几乎完全相似; 畸变的基本定义，是某一视场主波长时的主 光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离. 实际使用时，据镜头的功用还会衍生出其他 计算形式，主要有：（1）标准畸变，（2） F-Theta畸变，（3）校准(calibrated)畸变.
光学传递函数及像质评价实验
光学传递函数及像质评价实验光学传递函数（Optical Transfer Function, 简称OTF）是指用来描述一个光学系统的成像能力的一种数学函数。
它能够展示光学系统对不同空间频率的光信号的传递特性，即光学系统对图像的细节的保持能力。
在实际应用中，我们可以通过实验来测量光学传递函数，并利用光学传递函数来评价光学系统的像质。
下面是进行光学传递函数及像质评价实验的步骤和方法：1.实验原理首先，我们需要了解光学传递函数的定义。
光学传递函数是光学系统的输入和输出之间的傅里叶变换的模值平方。
在实验中，我们可以使用一系列不同空间频率的测试样品，通过测量系统对这些测试样品的成像质量，来获取光学传递函数。
2.实验仪器进行光学传递函数实验需要一些必要的仪器和设备。
常见的实验设备包括透射式光学显微镜、图像分析软件和精确的测试样品。
3.测试样品为了评价光学系统的成像能力，我们可以选择一些有规律的测试样品。
例如，分辨率测试样片（Resolution Test Target）提供了不同空间频率的线条和图案供系统成像。
此外，可以选择一些具有不同细节和纹理特征的目标，来评价光学系统对于复杂场景的成像质量。
4.实验步骤a)准备一系列测试样品，包括不同空间频率的目标。
b)将测试样品放置在光学系统的成像平面上，并进行成像。
c)使用光学显微镜或相机等设备，获取成像结果的图像。
d)使用图像分析软件对成像结果进行分析。
可以计算系统的MTF曲线，并绘制出光学传递函数图像。
e)分析光学传递函数图像，评价光学系统在不同空间频率下的成像能力和像质。
5.像质评价利用光学传递函数图像，我们可以对光学系统的像质进行评价。
a)直观评价：观察光学传递函数图像的形状和幅度，判断光学系统对不同空间频率图像的成像效果。
b)MTF曲线分析：通过分析光学传递函数图像的峰值和半周期点等参数，计算光学系统在不同空间频率下的成像能力。
c)分辨力评价：根据测试样品上最细微细节的可分辨度，评价光学系统的分辨力。
光学系统像质评价方法
光学系统像质评价方法那最直观的一种呢，就是星点检验法。
这就像是拿个小镜子去照星星，看星星在镜子里的成像情况。
如果成像清晰，像个完美的小亮点，那就说明这个光学系统还不错呢。
要是星星的像看起来模模糊糊的，或者周围有奇怪的光晕之类的，那这个光学系统可能就有点小毛病啦。
这就好比一个人脸上有脏东西，一眼就能看出来，很直接的一种判断方式哦。
还有分辨率检验法。
你可以想象成看一幅超级复杂的画，画里有好多密密麻麻的线条和小图案。
如果光学系统好，那这些小细节就能看得清清楚楚的，就像你有一双超级锐利的眼睛。
要是分辨率不行呢，那些小线条就会糊成一团，就像近视眼没戴眼镜看东西一样。
这能反映出光学系统分辨微小物体的能力呢。
调制传递函数（MTF）法也很厉害哦。
这个有点像给光学系统打分啦。
它能告诉我们这个系统在不同空间频率下的成像质量。
简单说呢，就像是看这个光学系统在处理简单图案和复杂图案时的表现。
如果MTF的值比较高，那就说明这个光学系统在传递图像信息的时候很靠谱，就像一个很负责的快递员，能把包裹完好无损地送到目的地。
要是MTF值低，那图像的信息可能在传递过程中就丢三落四的啦。
波像差法也不能少呀。
它是从波前的角度来看待像质的。
就好比看水面上的波浪，如果波浪很规则，那成像就会好。
要是波浪乱七八糟的，那像质肯定就受影响啦。
这个方法就像是从根源上去找像质不好的原因，看是哪个环节让波前变得不那么听话了。
像差曲线法呢，就像是给光学系统的像差画个像。
通过这个曲线，我们能很清楚地看到像差是怎么分布的。
就像给光学系统做个体检报告，哪里有问题，从曲线里就能看个大概。
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1、光程差曲线
图中几个曲线图分别是不同视场子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。下方表格的数据为纵坐标（光程差）的最大值，单位一般用波长。
2、波面三维图
此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的大小
PEAK TO VALLEY波差的峰谷值（最大最小）
RMS波差均方根值
RMS RADIUS：均方根半径值；
GEO RADIUS：几何半径（最大半径）
三、传递函数
调制传递函数MTF：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。
1、MTF曲线图
图中不同色的曲线表示不同视场的复色光（白光）MTF曲线，T和S分别表示子午和弧矢方向，最上方黑色的曲线是衍射极限。横坐标是空间频率lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大是1。曲线越高，表明成像质量越好。
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2、传函与离焦关系曲线图
此图表明对设定空间频率不同视场的子午、弧矢MTF与离焦量的关系，图中横坐标是离焦量，纵坐标是对比度，通过此图可以看出各视场的最佳焦面是否比较一致，MTF是否对离焦比较敏感。此图在光学设计后期，精细校正时很有用。
二、点列图——光束的光ห้องสมุดไป่ตู้度
由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。，点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
图中的几个图分别表示给定的几个视场上不同光线与像面交点的分布情况。使用点列图，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，有经验的设计者可以根据不同的情况采取相应的措施。
像质评价方法
一、几何像差曲线
1、球差曲线：
球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。
2、轴外细光束像差曲线
这一般是由两个曲线图构成图中左边的是像散场曲曲线，右边的是畸变，不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，右图横坐标是场曲，左图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距是放大色差值。
3、干涉图
这是模拟系统波差在干涉仪上测出的干涉图图形。图中给出的是设定视场和色光的干涉图。