光學(xué)設(shè)計第12章像質(zhì)評價

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1、第十二章像質(zhì)評價光學(xué)設(shè)計必須校正光學(xué)系統(tǒng)的像差，但既不可能也無必要把像差校正到完全理想的程度，因此選擇像差校正的最佳方案，也需要確定校正到怎樣的程度才能滿足使用要求，即確定像差容限。一個光學(xué)系統(tǒng)對點目標(biāo)所成的像，即彌散斑的尺寸有多大，它是衍射效應(yīng)占主導(dǎo)地位還是幾何像差占主導(dǎo)，多大尺寸的彌散斑是可以接受的，彌散斑內(nèi)的能量是如何分布的，圖像的對比度降低了多少，該系統(tǒng)的整體質(zhì)量如何，這些問題集中起來就是像質(zhì)評價要解決的主要問題。任何物體可以分解為物點，也可以分解為各種頻率的譜，兩種不同的分解方法構(gòu)成兩類評價光學(xué)系統(tǒng)

2、的方法。笫一類以物點所發(fā)出的光能在像空間的分布狀況作為質(zhì)量評價的依據(jù)。事實上，即使理想光學(xué)系統(tǒng)也會由于衍射使物點不能成點像而形成一個衍射光斑。點像的衍射圖樣屮，光斑主要集屮在屮央亮斑屮，這一亮斑稱為艾里斑，而像差的存在使衍射光斑的能量比無像差的時候更為分散。屬于這一類的像質(zhì)評價方法有斯特列爾判斷、瑞利判斷和分辨率。對于大像差系統(tǒng)，通常用幾何光線的密集度來表示，與此對應(yīng)的評價方法有點列圖。笫二類方法是仿效電訊系統(tǒng)而得到的。大多數(shù)情況下，可把光學(xué)系統(tǒng)看成是線性系統(tǒng),并用傅氏分析法將物體分解為一系列不同頻率的正弦分

3、布，它們經(jīng)線性系統(tǒng)傳遞到像方時頻率不變，但對比度要下降，要發(fā)生相移，并截止于某一頻率。對比度的降低和相移與頻率ZI'可的函數(shù)關(guān)系稱為光學(xué)傳遞函數(shù)，它與像差有關(guān)，因此光學(xué)傳遞函數(shù)是評價光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)的更全面、客觀的一項指標(biāo)?！?典型光學(xué)系統(tǒng)的像差公差光學(xué)系統(tǒng)的像差公差的制定是一個十分復(fù)雜的問題，不僅要考慮光學(xué)系統(tǒng)本身的質(zhì)量,還要考慮目標(biāo)特征、探測器的情況以及具體的使用要求等。對于小像差系統(tǒng)，以瑞利判斷為依據(jù)：如果實際波前與參考波前的光程差在入/4范圍內(nèi)，則認(rèn)為成像是理想的。望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡為小像差系統(tǒng)，要求這類物

4、鏡的像差控制在瑞利極限Z內(nèi)，至少球差是如此。有些系統(tǒng)，比如照相物鏡、投影物鏡、以及各種攝像機所使用的鏡頭等大像差系統(tǒng),是無法把像差控制在瑞利極限以內(nèi)的，實際上也沒有必要，以幾何像差來評價其成像質(zhì)量就可以了。一望遠(yuǎn)物鏡和顯微物鏡的像差公差望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡由于視場較小，并且多用于目視或其他對成像質(zhì)量要求較高的場合。因此，應(yīng)該保證軸上點及光軸附近區(qū)域內(nèi)有良好的成像質(zhì)量，必須校正好球差、位置色差和正弦差，使之符合瑞利判斷的要求。在這種小像差系統(tǒng)中，當(dāng)波像差W控制在瑞利極限范圍內(nèi)（WW/1/4）時，可以求出球差、彗差等像

5、差公差。1.球差（1）當(dāng)僅有初級球差存在時，邊緣球差的允許量為：4久/sin乜（2）有初級和二級球差存在時，邊緣球差和帶球差（0.707帶）的允許量分別為42/sir?/：62n!?sin2U：（3）允許離焦量為5=士~2/7/-sin2^f2.彗差(1)弧矢彗差Coma.=±——'2/sin%(2)子午彗差Coma,=±——-2n-sinUm(3)正眩差。心2/八財或者OSC=±0.0025A3.4.5.6.像散山=~n'?sin$氏像面彎曲：疋和〃在眼睛的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)畸變魚55~10%色差(1)軸向色差Lc

6、hA1=±—/sinP](2)倍率色差：以角度計小于2/~4‘(3)色差波像差工(/—?)?&丄式中，2為波長，卅是像方介質(zhì)的折射率，為像方孔徑角，川為像高。在像差公差的表達(dá)式中，除了彗差和正弦差之外，像差是沿縱向量度的。對于軸向色差,實際上的允許值比這個值要大，因為對于一個目標(biāo)系統(tǒng)，人眼的靈敏波氏是2=0.55如，對F光和C光的靈敏度明顯降低，因此，實際允許的LchA'值要比所規(guī)定的大2~3倍。彗差和正弦差的實際允許值也常常超過上述的規(guī)定值。因為要把一個系統(tǒng)的彗差或正弦差校正到上述規(guī)定值以內(nèi)是很困難的?？道?/p>

7、徳(Connidy)給出下面的經(jīng)驗值：對于望遠(yuǎn)系統(tǒng)，OSC=±0.0025:對于照相物鏡，OSC=±0.001是允許的。離焦量可用于對場曲的限制，然而實際上的弧矢場曲X和子午場曲"值均要超過這個值，通常要求〃和H不要超過規(guī)定值的2~3倍。二望遠(yuǎn)目鏡和顯微目鏡的像差公差目鏡是小相對孔徑、大視場光學(xué)系統(tǒng)，對于軸上點像差(包括球差和軸向色差)可按小像差系統(tǒng)來要求。對于球差，一般不用特殊校正就會滿足要求。軸外點像差是設(shè)計目鏡系統(tǒng)要考慮的主要像差。像散(%；-X；)對像的清晰度影響很大,英公差要與弧矢彗差一樣來考慮。像

8、面彎曲(疋和W)可以用焦深加以限制。如果視場很大，可以用人眼的調(diào)節(jié)范圍(±5屈光度)來估計?；冎桓淖兿竦拇笮?，不影響其清晰度,因此對它的要求不嚴(yán)格，一般以不為人眼發(fā)現(xiàn)為準(zhǔn)則，具體要求為1子午慧差Coma；2像散322/sinq；為_兀-2/?7-sin2t/f3場曲v-Vy''V'一2/sin乜’"一2/sii?匕4畸變53%?5%5垂軸色差通常用目鏡焦平面上的垂軸色差與目鏡焦距的比值，即角像差來