光學(xué)系統(tǒng)成像性能評(píng)測(cè).ppt

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1、光學(xué)系統(tǒng)成像性能評(píng)測(cè)第三節(jié)：分辨率測(cè)量第四節(jié)：畸變測(cè)量第五節(jié)：光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量第三節(jié)：分辨率測(cè)量分辨率測(cè)量能以確定的數(shù)值作為評(píng)價(jià)被測(cè)系統(tǒng)像質(zhì)的綜合性指標(biāo)。分辨率測(cè)量始終是生產(chǎn)檢驗(yàn)一般成像光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的主要手段之一?，F(xiàn)在，由于采用了高性能CCD等光電成像陣列器件及數(shù)字圖像處理技術(shù)，這種因人而異的主觀和人工操作的目視測(cè)量分辨率方法的局限性也已經(jīng)被突破。特別是對(duì)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和熱像儀等光電成像系統(tǒng)的分辨率指標(biāo)，可以通過(guò)對(duì)視頻接口輸出的分辨率圖像處理而獲得其分辨率的客觀評(píng)測(cè)。衍射受限系統(tǒng)分辨率在衍射受限光學(xué)系統(tǒng)（即不考慮像差的無(wú)像差理想光學(xué)系

2、統(tǒng)）中，一個(gè)發(fā)光點(diǎn)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后得到一個(gè)衍射光斑，兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)光點(diǎn)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像得到兩個(gè)衍射光斑，即艾里(Airy)斑?？疾觳煌g距下兩個(gè)衍射光斑是否被分辨，就能定量反映理想光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。當(dāng)兩個(gè)物點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，兩衍射光斑也逐漸發(fā)生重疊。當(dāng)兩物點(diǎn)靠近到距離小于某一限度時(shí)，兩衍射光斑重疊部分的合光強(qiáng)將大于或等于每個(gè)衍射斑的中心亮斑光強(qiáng)，此時(shí)人眼已無(wú)法判斷區(qū)分這兩個(gè)衍射光斑，兩者“合二為一”。顯然，光學(xué)系統(tǒng)的衍射程度和幾何像差越小，即點(diǎn)像光斑越小，成像質(zhì)量越好，因此可以用判別兩個(gè)點(diǎn)像光斑的方式來(lái)確定光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)。圖6-12兩衍射斑中

3、心距不同時(shí)輻照度分布曲線和光斑合成圖(a)中心距等于中央亮斑直徑d；(b)中心距等于0.5d；(c)中心距等于0.39d。歷史上存在三個(gè)著名的判斷準(zhǔn)則：瑞利(Rayleigh)判據(jù)：（當(dāng)兩衍射中心距正好等于第一暗環(huán)的半徑時(shí)，人眼剛能分辨開(kāi)這兩個(gè)像點(diǎn)）道斯(Dawss)判據(jù):斯派羅(Sparrow)判據(jù):圖6-13三種判據(jù)的部分合光強(qiáng)分布曲線斯派羅(SPARROW)圖6-14瑞利、道斯和斯派羅判據(jù)的三維合成輻照度分布圖望遠(yuǎn)物鏡：照相物鏡：顯微物鏡：表6-3三類光學(xué)系統(tǒng)的理論分辨率以上討論的各類光學(xué)系統(tǒng)的分辨率公式只適用于視場(chǎng)中心的情況。對(duì)望遠(yuǎn)

4、系統(tǒng)和顯微系統(tǒng)而言，由于視場(chǎng)很小，因此只需考慮視場(chǎng)中心的分辨率。但對(duì)照相系統(tǒng)而言，由于視場(chǎng)通常較大，除考察視場(chǎng)中心的分辨率外還應(yīng)考察中心視場(chǎng)以外的分辨率。圖6-15軸外點(diǎn)理論分辨率與軸上點(diǎn)理論分辨率的關(guān)系在斜光束成像情況下，理論分辨率的計(jì)算公式將與軸上分辨率公式有所不同。如圖所示，Ω1為斜光束成像時(shí)物鏡出瞳處的子午波面，它在OC＇方向上成一理想像點(diǎn)C＇。M＇為過(guò)C＇點(diǎn)垂直于主光線OC＇的線段上的一點(diǎn)，而且C＇M＇就等于斜光束成像情況下中央亮斑的半徑，即：照相物鏡軸外點(diǎn)子午和弧矢方向的理論分辨率為：可看出，理論分辨率隨視場(chǎng)增大而下降，而且子午

5、方向的分辨率比弧矢方向的分辨率下降得更快。測(cè)量方法直接用人工方法獲取兩個(gè)相互非?？拷姆窍喔牲c(diǎn)光源作為檢驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)分辨率的目標(biāo)物是比較困難的，實(shí)際中常采用由不同粗細(xì)的黑白條紋組成的人工特制圖案作為目標(biāo)物來(lái)檢驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。由于各類光學(xué)系統(tǒng)的用途不同、工作條件不同、要求不同，所以設(shè)計(jì)制作的分辨率圖案在形式上也很不一樣。圖6-16為兩種較為典型的常用分辨率圖案。下面以ZBN35003-89國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分辨率圖案為例，介紹其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。該分辨率圖案中的單元線條設(shè)計(jì)如圖6-17所示。圖6-16兩種分辨率圖案左：國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分辨率圖案右：輻射

6、式分辨率圖案（1）線條寬度黑（白）線條的寬度P按等比級(jí)數(shù)規(guī)律依次遞減。式中（A1號(hào)板第1單元線寬），，。實(shí)際圖案上的線條寬度按上式計(jì)算后只保留三位有效數(shù)字。圖6-17單元線條幾何參數(shù)（2）分組將85種不同寬度的分辨率線條分成七組，通常稱為1號(hào)到7號(hào)板，即A1～A7分辨率板。每號(hào)分辨率板包含有25種不同寬度的分辨率線條，同一寬度的分辨率線條又按四個(gè)不同的方向排列構(gòu)成一個(gè)“單元”，見(jiàn)圖6-16；25個(gè)單元在分辨率板上的排列順序見(jiàn)圖6-18，每號(hào)板的中心都是第25號(hào)單元。對(duì)A1～A5號(hào)板，每號(hào)板內(nèi)的第13單元到第25單元分別與下一號(hào)板內(nèi)的第1單元

7、到第13單元相同，即相鄰兩號(hào)分辨率板之間有一半單元是彼此重復(fù)的，見(jiàn)圖3-15。A5和A7號(hào)板也有一半單元是重復(fù)的，A6號(hào)板與前后相鄰A5、A7號(hào)分辨率板的關(guān)系略有不同。圖6-18A1-A7分辨率圖案單元重復(fù)關(guān)系示意圖望遠(yuǎn)系統(tǒng)分辨率的測(cè)量圖6-19測(cè)量望遠(yuǎn)系統(tǒng)分辨率裝置簡(jiǎn)圖根據(jù)此單元號(hào)和分辨率板號(hào)，查表可得到該單元的線條寬度P和平行光管焦距，由上式可計(jì)算出被測(cè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率。照相物鏡目視分辨率測(cè)量圖6-20在光具座上測(cè)量照相物鏡分辨率的光路圖第四節(jié)：畸變測(cè)量畸變是光學(xué)成像系統(tǒng)像差的一種，理想成像系統(tǒng)不僅成像清晰，而且滿足物像相似關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)

8、的畸變以外像差為零時(shí)，系統(tǒng)能夠清晰成像，但不能說(shuō)明物像相似，物像的不相似程度就是用畸變來(lái)衡量的。我們把主光線和理想像面的交點(diǎn)作為實(shí)際像點(diǎn)，用它到理想像點(diǎn)的距離表示像的變形程度，稱