光学系统成像质量评价
第八章 光学系统成像质量评价
3、非球面透镜
4、变折射率透镜：
中间折射率大
大孔径产生的球差
加发散透镜消除球差
球差
§8-4 轴外像点的单色像差
• 子午面：主光线（轴外物点）和光轴决定的平面
子午平面内的光束称子午光束
• 弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面
弧矢平面内的光束称弧矢光束
彗差
轴上点：由于是共轴球面系统，通过光轴的任意截面内的光束 结构均相同；轴外点：只存在一个对称平面。为简化问题，用 两个平面光束的结构近似代表整个光束的结构。 彗差：是轴外物点发出宽光束通过光学系统后，由于球差的影 响而不再对称，不能会聚到一点，相对于主光线失去对称性而 产生的。
几何光学方法：几何像差、波像差、点列图、光学传递函数等； 物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传递函数
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 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
，单位：lp/mm 5m 200lp/mm
δT’= δL’ tanU’
存在球差时的像点形状
最小弥散圆
球差（Spherical aberration）:
L' Lm 'l '
轴上像点的单色像差——球差
球差是轴上点唯一的单色像差；还有色差 LFC
对于单透镜来说，U越大则球差值越大
单透镜自身不能校正球差
-Umax A
hmax
h
彗差的方向有两种：
尖端指向视场中心的称为正彗差 尖端指向视场边缘的称为负彗差
彗差对成像的影响：
影响像的清晰度，使成像的质量降低。彗差对于 大孔径系统和望远系统影响较大。 彗差的大小与光束宽度、物体的大小、光阑位 置、光组内部结构（折射率、曲率、孔径）有关 对于某些小视场大孔径的系统（如显微镜）， 常用“正弦差”来描述小视场的彗差特性。
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
mtf光学系统成像质量评估方法
MTF（Modulation Transfer Function）是光学系统成像质量评估的重要指标之一，它描述了光学系统对高对比度物体细节信息的成像能力。
在光学系统设计和优化过程中，对其成像质量的评估是至关重要的，而MTF的测量和分析是评估光学系统成像质量的重要方法之一。
本文将介绍MTF光学系统成像质量评估方法。
1. MTF的基本概念MTF是指光学系统在特定空间频率下的成像对比度传递函数，描述了光学系统对不同空间频率下物体细节信息的成像能力。
在实际应用中，MTF通常被表示为对比度相对于空间频率的函数图。
通过分析MTF曲线，可以直观地了解光学系统在不同空间频率下的成像能力，判断其成像质量优劣。
2. MTF的测量方法（1）光栅法光栅法是最常用的MTF测量方法之一，通过将空间周期状物体（如光栅）成像，利用光栅的传递函数与系统MTF进行卷积，得到系统的MTF曲线。
这种方法简单直观，适用于对于大部分光学系统的MTF评估。
（2）差动法差动法是一种通过对比不同空间频率下的目标物体图像和参考图像，得到系统的MTF曲线。
这种方法适用于对成像设备不便携的场合，但需要精确的图像处理技术和系统校准。
（3）干涉法干涉法是通过干涉条纹的形成来测量MTF的一种方法，它能够直接测量相位信息和幅度信息，对系统MTF的测量有很好的灵敏度和分辨率。
但是，干涉法对环境要求较高，且实验操作相对复杂。
3. MTF的分析与评估（1）MTF曲线的解读MTF曲线通常会显示出在低空间频率时，成像对比度随空间频率的增加而逐渐降低，而在高空间频率时，成像对比度急剧下降。
通过分析MTF曲线的特征，可以评估光学系统的成像能力。
（2）MTF的指标评价在评估光学系统的MTF时，需要使用一些指标来描述其成像质量，如MTF50、MTF20等，它们分别表示MTF曲线上50、20的空间频率对应的成像对比度。
这些指标能够量化地描述光学系统的成像能力，为光学系统的设计和优化提供依据。
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在光学系统设计或优化过程中非常重要的一个环节。
成像质量的好坏直接影响到光学系统的性能和性能表现。
在评价光学系统成像质量时，通常会考虑几个方面的因素，包括分辨率、畸变、色差、光照均匀性等。
下面将详细介绍如何评价这些因素，以及如何综合评价光学系统的成像质量。
1.分辨率分辨率是一种衡量光学系统成像质量的重要指标，它是指系统能够解析出多细小物体的能力。
分辨率通常用线对数幅度频率响应（MTF）来描述，MTF曲线可以反映系统对不同空间频率的细节信息的传递情况。
一般来说，MTF曲线的高频段越平坦，系统的分辨率就越高。
2.畸变畸变是另一个常见的成像质量评价指标，它通常分为径向畸变和切向畸变两种。
径向畸变使圆形物体在图像中呈现出畸变变形，而切向畸变则使直线在图像中呈现曲线形状。
畸变的存在会影响物体准确的形状和尺寸的表现，因此需要通过校正或减小畸变来提高成像质量。
3.色差色差是由于光线在透镜中经过不同波长的光线会有不同的弯曲程度而导致的，这会使不同波长的光线聚焦在不同的焦平面上。
色差会导致图像出现色散的现象，即物体的边缘会呈现出彩虹色的班驳状，影响成像质量的清晰度和色彩还原度。
4.光照均匀性光照均匀性是指光学系统对于入射光的均匀性程度。
如果系统的光照均匀性不够好，会导致图像中出现暗部或亮部突出的情况，从而影响整体的成像质量。
为了保证光照均匀性，需要对系统的光学元件和照明系统进行设计和校正。
综合评价光学系统的成像质量时，需要综合考虋上述因子，通过对各项指标的量化分析和实验测试，得出一个综合评价。
通常情况下，可以采用主观评价和客观评价相结合的方式，主观评价可以通过专业人员观察系统输出的图像，并根据其清晰度、色彩还原度和细节表现等方面给出评价。
客观评价则可以通过各种测试仪器测量系统的MTF曲线、畸变程度和色差情况，并将这些数据进行综合分析。
总的来说，光学系统的成像质量评价需要综合考虑多个因素，通过定量和定性的方式对系统的各项指标进行评价，从而找出系统存在的问题并提出改进方案，最终达到提高系统成像质量的目的。
mtf光学系统成像质量评估方法 -回复
mtf光学系统成像质量评估方法-回复MTF（Modulation Transfer Function）光学系统成像质量评估方法是一种广泛应用于光学系统性能评价的方法。
MTF描述了光学系统在不同空间频率上对图像细节的传输特性，通过分析MTF曲线可以评估光学系统的分辨力和成像质量。
在本文中，我们将逐步介绍MTF光学系统成像质量评估方法的基本原理、实验测量方法以及其在光学系统设计和优化中的应用。
一、MTF成像质量评估方法的基本原理MTF是一种用于描述光学系统对图像细节的传输特性的函数，其数学定义为输入图像的复杂振幅频谱与输出图像振幅频谱之比的绝对值。
在频域中，MTF可以表示为系统输出的振幅响应与输入振幅响应之比的幅度。
MTF的数值表示了光学系统对不同空间频率对比度的传输能力，也就是描述了光学系统对不同细节大小的图像细节的传输特性。
通常，MTF曲线的高频段表示系统的分辨力，即系统在传输高频细节时的能力；而低频段表示系统的图像对比度传输能力，即系统在传输低频细节时的能力。
二、MTF成像质量评估方法的实验测量方法为了评估光学系统的成像质量，我们可以通过以下步骤进行MTF测量：1. 准备测试样品：选择一系列具有不同空间频率的测试图像作为输入样品，这些图像可以包含线条、圆圈、方格等具有不同细节大小的特征。
2. 实验装置搭建：搭建用于测量MTF的实验装置，包括一个光源、光学系统和一个用于接收光学系统输出图像的传感器（如CCD或CMOS器件）。
3. 测量过程：将测试样品置于光源和传感器之间，并通过光学系统进行成像。
根据实验装置的要求，可以调整光源的强度和光学系统的参数（如焦距、孔径等）来控制实验条件。
4. 数据处理与分析：利用图像处理软件分析输出图像的频域信息，计算每个空间频率下的系统传输函数。
根据传输函数，计算相应的MTF曲线。
5. 统计与比较：通过比较不同光学系统的MTF曲线，我们可以评估光学系统的成像质量。
通常，MTF曲线越高且越接近理论上界，表示光学系统的成像质量越好。
应用光学第八章 光学系统成像质量评价
色差（Chromatic aberration）
轴向色差（Axial chromatic aberration） 垂轴色差（Chromatic difference of magnification）
球差：不同孔径光线对理想像点的距离称为球差。
L' L'l'
符号规则：光线聚焦点在理想像点右方为正，左方为负。 通常用1.0，0.85，0.707，0.5，0.3孔径的球差来描述整个光束的结构。
球差的消除
球差的大小与物点位置和成像光束的孔径角有关。 球差的消除：
利用正、负透镜组合，可以消除球差。 非球面透镜
弧XS矢’ 。场表曲示：此弧光矢线光对线交对点交与点理B想S’离像理平想面像的平偏面离的程轴度向。距离 弧矢慧差：光线对交点BS’离开主光线的垂直距离KS’ 。表
示此光线对交点偏离主光线的程度，即弧矢光线相对于主 光线不对称的程度。 细想像光平束面弧的矢轴场向曲距：离当x光s’束。的宽度趋于零，其交点Bs’离理 轴外弧矢球差：不同宽度弧矢光线对的弧矢场曲和细光束 弧矢场曲之差。表示了细光束与宽光束交点前后位置的差。
8-9 光学传递函数
光学系统是一个空间不变的线性系统。
光学
分解
系统
合成
物面
物点
弥散斑
像面
假定每个弥散斑的形状相同，其光强度与相应物点的光强 度成正比。这样的系统我们称为空间不变的线性系统。
光学传递函数理论的出发点
分解
光学 系统
合成
物面强
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。
光学测试技术-第6章-光学系统成像性能评测1
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§6.1 成像性能评测的基本理论
一、像质评价研究方法
成像光学系统可以看作是一个信息传递或信息转换系统：
PSF(u, v) h(u, v) / h(u, v)dudv
其傅里叶变换即为光学系统的传递函数:
OTF(r,s) PSF(u, v)exp[i2 (ru sv)]dudv
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§6.1 成像性能评测的基本理论
定义了光学系统的传递函数后，可以把成像过程在频率域中表 达为：
把物方信息按一定的要求传递或转换至像方。在传递或转换过 程中，伴随着信息的变化及附加的背景或其它衍生信息，因此 输出像与输入物之间仅存在相似性，不存在完全的一致性。
输入物信息
光学成像系统
输出像信息
利用等效于电学与通信系统的方法，一个光学或光电系统 可以被描述成是一个时间/空间滤波器。对于静态的成像光学系 统，通常可以用一个等效的空间滤波器来描述。对于成像系统， 最关心的是其物与像的辐照度分布一致性，以及光度或辐射度 性能和色度性能等三个基本问题。
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§6.1 成像性能评测的基本理论
4、复合系统的成像关系
对于由光学系统和光电传感器共同构成的复杂光电成像系统， 可以把整个成像系统视为若干子系统，成像特性既要考虑初始目 标的形状、漫反射特征、景深及光谱成份，也要考虑传输特性、 成像特性、光电传感器的光谱响应特征、噪声、各单元器件的响 应一致性、动态范围等，对完全相干耦合成像，可按光线追击和 光波传播衍射理论，做瞳函数的振幅连乘和波差代数叠加：
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• 用于设计阶段评价的有：
• 几何像差、波像差、瑞利判断和点列图、 传递函数；
• 用于产品鉴定阶段：分辨率检验、星点检 验和光学传递函数测量等。
x' xt' xs' 2
•球 差 轴外球差和轴上球差的性质基本相同。在视场不大的情形
下，轴外球差的大小和轴上球差也基本相等。 •彗 差
在斜光束中子午彗差和弧矢彗差一般都同时存在，并且弧 矢彗差总比子午彗差小，大约等于子午彗差的三分之一。根据 其中任意一个就能判断系统彗差的大小。如果光学系统只存在 彗差，光束结构如图所示。
实际像点B`与理想像平面距离称为“场曲”， 用X`表示。当像高改变时，实际像点沿曲线变 化如图中曲线所示，整个像平面在—个曲面上， 这就是所以称为“场曲”的由来。
弥散圆中心相当于理想像平面上光束的实际成像位置，它和
理想像点
B0'
之差称为“畸变”，用y
' z
表示
yz' yz' y0'
把子午焦线和弧矢焦线的中点到理想像平面的距离作为系统 实际场曲大小的度量，称为“平均场曲”
研究子午光线对：BM+ 和BM-
X`T：表示子午光线对交 点B`T离理想像平面的轴 向距离——子午场曲；
K`T：表示子午光线对相 对于主光线不对称的程 度，称为子午彗差。
细光束子午场曲：当子午光线对逐渐向主 光线靠近，光束宽度趋近于0时，其交点B`T 趋于一点B`t， B`t位于主光线上，其离开 理相像平面的距离称为细光束子午场曲， 用x`t表示；
轴外子午球差：不同宽度子午光线对的子 午场曲X`T与细光束子午场曲x`t的差（ X`T
- x`t ）； L`T X `T x`t
光线对的聚焦情况就由X`T、K`T和δL`T来表 示。
欲全面了解整个子午光束的结构，一般取 （±1、 ±0.85、 ±0.707 、±0.5、 ±0.3）h 的光线对为研究对象，计算相应的X`T、K`T 和δL`T。
二、介质的色散和光学系统的色差
光实际上是波长为400-760nm的电磁波。不同波长的光具有 不同的颜色，一般把光的颜色分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、 紫七种。红光的波长最长，紫光的波长最短。白光则是由各 种颜色的光混合而成的。
如图8－2所示：
1 (n 1)( 1 1 )
f'
r1 r2
• 以上图为例，位于无穷远 处的一点发出的白光，经 光学系统成像后的像位置 不同。
• 不同口径处的光线的位置 色差不同。
• 位置色差的校正也是对口 径0.707处的光线校正色差。
• 校正色差就是使色差为0。
1 (n 1)( 1 1 )
f'
r1 r2
L`12 L`1 L`2
l`12 l`1 l`2
如图所示，根据无限远物体像高 y '的计算公式， 当 n' n 1 时，有 y' f 'tg
为了了解整个像平面的成像质量，还要知道 不同像高轴外点的像差，一般取1； 0.85;0.7;0.5;0.3这五个视场计算出不同孔径高 的子午像差X`T、K`T和δL`T的值。
2、弧矢像差
弧矢像差可以和子午像差类似定义，只不过现在是在弧矢面 内。如图所示，阴影部分所在平面即为弧矢面。
类似地：研究弧矢光线对BD+和BD-相对于子 午面对称的光线对。
像散：理想像平面上的成像质量由细光束子午 和弧矢场曲决定。二者之差反映了主光线周围 的细光束偏离同心光束的程度，称之为像散。
x`ts x`t x`s
如果像散、细光束子午和弧矢球差及子午、弧 矢彗差均为0，则所有光线都交于一点，得到 一清晰的像点，但该像点并不一定在理想像平 面上，此时得到是一弥散斑。
弥散图形的面积最小，亮度最大，称为“最小弥散圆”。 利用正负透镜的组合，可以消除球差。如设计良好的双胶合 透镜，它的球差曲线如下图所示。
四、轴外像点的单色像差
轴外物点进入共轴系统成像的光束，经系统 后没有对称轴线，只存在对称面：物点与光 轴构成的平面——子午面。 为研究问题，研究两个相互垂直的平面光束， 用这两个平面光束近似代表整个光束的结构：
子午面和弧矢面； 对应的描述两平 内的光束结构的 几何参量分别为： 子午像差和弧矢 像差。
1、子午像差
由于子午面既是光束的对称面，又是系统的对称面，位在该 平面内的子午光束通过系统后永远位在同一平面内，因此计 算子午面内光线的光路，是一个平面的三角、几何问题，可 以在一个平面图形内表示出光束的结构，如图所示。
第六章 光学系统成像质量评价
• 主讲：张建寰 • 单位：机电系 • 2186810, aeolus@
一、概述
• 对光学系统成像性能的要求，可分为两个主要方面： 第一方面是光学特性，包括焦距、物距、像距、放 大率、入瞳位置、入瞳距离等；第二方面是成像质 量，光学系统所成的像应该足够清晰，并且物像相 似，变形要小。
Y `12 Y `1 Y `2 y`12 y`1 y`2
Байду номын сангаас
三、轴上像点的单色像差——球差
共轴光学系统，面形是旋转曲面。系统对光轴对称，进入系统 成像的入射光束和出射光束均对称于光轴，如图下图所示。
L` L`l`
对最大口径校正即ΔL`m=0，
ΔL`0.707=0
像点的形状如所示。
•像散 如果光学系统只存在像散，则子午光束和弧矢光束均分别
交于主光线上的同一点。两交点的位置不重合，光束结构如 图所示。整个光束形成两条焦线，分别称为“子午焦线”和 “弧矢焦线”。当像平面在子午焦线位置时，得到一条水平 焦线，在弧矢焦线位置时，得到一条垂直焦线，如图 (a)所示。 在两焦线中间得到的弥散图形如图 (b)所示。光学系统的像散 通常用图中的像散曲线t、s表示。
B`S：弧矢光线对的交点
X`S：B`S到理想像平面的距离，称为弧矢场曲；
K`S：B`S到主光线在垂轴方向的距离，称为弧 矢彗差；
x`s：主光线附近的弧矢细光束的交点B`s到理 想像平面的距离，称为细光束弧矢场曲；
轴外弧矢球差：
L`S X `S x`s
为了了解整个像面的成像质量，还要知道不 同像高轴外点的像差，一般取1； 0.85;0.7;0.5;0.3这五个视场计算出不同孔径高 的弧矢像差X`S、K`S和δL`S的值