光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)象質(zhì)

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1、第一章緒論光學(xué)系統(tǒng)的成象評(píng)價(jià)一直是應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域中眾所矚目的問(wèn)題。所謂成象質(zhì)量，主要是象與物之間在不考慮放大倍率的情況下強(qiáng)度和色度的空間分布一致性。人們?cè)O(shè)計(jì)、生產(chǎn)光學(xué)儀器總希望能正確的反映目標(biāo)形狀，能分辨所觀察目標(biāo)的結(jié)構(gòu)?？傊笏鼈儽M可能準(zhǔn)確的反映物面上的光強(qiáng)分布。這就很自然的引出如何評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量的優(yōu)劣問(wèn)題。如何評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的象質(zhì)及其檢驗(yàn)是從事各類(lèi)光學(xué)儀器的科研、生產(chǎn)必備的基礎(chǔ)知識(shí)。經(jīng)國(guó)內(nèi)外光學(xué)專(zhuān)家的長(zhǎng)期努力一致認(rèn)為光學(xué)傳遞函數(shù)是一種評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成象的較為完善的方法。我國(guó)光學(xué)傳遞函數(shù)方面的工作起步較晚，在測(cè)試儀器和推廣研究和應(yīng)用方面跟不上國(guó)際科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平。盡

2、管如此，多年來(lái)不少科研單位的光學(xué)工作者已作了大量研究和分析工作，取得了不少成果和經(jīng)驗(yàn)。上世紀(jì)70年代起在應(yīng)用光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量與評(píng)價(jià)照相機(jī)、目視望遠(yuǎn)鏡和辦公用復(fù)印機(jī)等象質(zhì)方面做了大量的研究和探討工作，并于1984年自行研制成功了檢驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)品XCH-2型光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x，在1992年又完成研制了紅外內(nèi)焦面光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x。1982年起我國(guó)開(kāi)始起草制訂光學(xué)傳遞函數(shù)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前已同相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一一匹配。另外，在國(guó)內(nèi)的照相機(jī)行業(yè)中已采用光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)解決照相物鏡設(shè)計(jì)中的計(jì)算以及象質(zhì)評(píng)價(jià)中的測(cè)試，并取得了良好的成果。國(guó)外從上世紀(jì)70年代已開(kāi)始把光學(xué)傳遞函數(shù)廣泛的應(yīng)用到

3、工業(yè)生產(chǎn)的測(cè)量中，如：英國(guó)國(guó)防部，軍用裝甲車(chē)輛研究院以及聯(lián)邦德國(guó)和南非等國(guó)家都采用光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量望遠(yuǎn)鏡。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如：英國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)、美國(guó)和日本都相繼制訂了本國(guó)的光學(xué)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織光學(xué)和光學(xué)儀器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC172）從1977年開(kāi)始起草制訂光學(xué)傳遞函數(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。目前，已完成了光學(xué)傳遞函數(shù)的定義和關(guān)系、測(cè)量原理和程序、系列應(yīng)用（35mm照相機(jī)可換鏡頭和辦公復(fù)印機(jī)鏡頭以及望遠(yuǎn)鏡）及測(cè)量精度等四大部分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。近代光學(xué)理論的發(fā)展，證明了光學(xué)系統(tǒng)可以有效得看作一個(gè)空間頻率的濾波器。而它的成象特征和象質(zhì)評(píng)價(jià)則可以用物質(zhì)之間的頻譜之比來(lái)表示。

4、光學(xué)系統(tǒng)這個(gè)頻率對(duì)比特性就是所謂的光學(xué)傳遞函數(shù)?？臻g濾波概念被引入光學(xué)系統(tǒng)后，導(dǎo)致了許多有益的嘗試，并開(kāi)始在頻率尋找和探索評(píng)價(jià)光學(xué)傳遞函數(shù)概念的開(kāi)發(fā)。本文從光學(xué)傳遞函數(shù)的基本概念入手，介紹了光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量原理及方法，并詳細(xì)重點(diǎn)的探討了光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)象質(zhì)的方法與應(yīng)用以及它與傳統(tǒng)象質(zhì)評(píng)價(jià)方法的聯(lián)系。第二章光學(xué)傳遞函數(shù)的基本概念2.1使用光學(xué)傳遞函數(shù)的前提條件使用光學(xué)傳遞函數(shù)的前提條件是成象系統(tǒng)應(yīng)滿足線性條件和空間不變性條件。2.1.1線性條件線性條件是指光學(xué)系統(tǒng)的物方圖樣(非相干光照明)與象面圖樣之間的光強(qiáng)度滿足線性疊加的條件。滿足線性條件的光學(xué)系統(tǒng),其象面上任一點(diǎn)處的

5、光強(qiáng)度，等于物平面上各點(diǎn)的光強(qiáng)度在象平面處所形成光強(qiáng)度的疊加，如圖2.1所示。圖2.1光學(xué)系統(tǒng)成象1物平面2光學(xué)系統(tǒng)3象平面象的光強(qiáng)度分布為=(2.1)式中為物平面內(nèi)物體光強(qiáng)度分布范圍：為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)，即光強(qiáng)度為單位值的物點(diǎn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，在象面上形成的光強(qiáng)度分布。若物面處物體范圍外的光強(qiáng)度為零則上式可寫(xiě)為(2.2)可見(jiàn),利用系統(tǒng)線性疊加的特性，可將物方圖樣分解為許多基元是已知的,則這些基元的象方圖樣的線性疊加便得總的象方圖樣，用點(diǎn)基元或余弦基元描述成象系統(tǒng)的物象關(guān)系的方法，分別稱(chēng)為點(diǎn)基元法和余弦基元法。2.1.2空間不變性條件系統(tǒng)滿足空間不變性是指:物面任意位置處光

6、強(qiáng)度為單位值的物點(diǎn)，在象平面所形成的光強(qiáng)度分布是相同的，也就是說(shuō)當(dāng)物點(diǎn)沿物面移動(dòng)時(shí)，僅僅改變點(diǎn)象在象面的空間坐標(biāo)位置，而不改變點(diǎn)象分布函數(shù)的形式，這種系統(tǒng)稱(chēng)為空間不變性系統(tǒng)，其脈沖響應(yīng)函數(shù)僅是象點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置差和的函數(shù).即：（2.3）在討論光學(xué)傳遞函數(shù)概念時(shí)，通常把物在象平面上成理想象的坐標(biāo)位置坐標(biāo)規(guī)劃成與物平面上坐標(biāo)一樣(使垂軸放大率為1)，以消去橫向放大率的影響，并將實(shí)際成象位置直接與這一理想位置比較，當(dāng)成象系統(tǒng)滿足空間不變性條件時(shí)，物象關(guān)系式(2.2)可改寫(xiě)為：（2.4）上式反映線性空間不變性系統(tǒng)的一個(gè)成象過(guò)程，即：象的光強(qiáng)度分布可表示為物面光強(qiáng)度分布與脈沖響應(yīng)函

7、數(shù)的卷積。故脈沖響應(yīng)函數(shù)完全決定了系統(tǒng)的成象質(zhì)量、特性。光學(xué)系統(tǒng)的空間不變形條件又叫等暈條件，它要求物面上任意物點(diǎn)，在象面上都有相同的光強(qiáng)分布，即有相同的成象質(zhì)量，只有當(dāng)點(diǎn)象光強(qiáng)分布與物一樣仍為函數(shù)時(shí)，物象間才嚴(yán)格的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的關(guān)系。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，由于光瞳孔徑的衍射，存在殘余象差工藝缺陷等，點(diǎn)象光強(qiáng)分布不是函數(shù)，其卷積的結(jié)果是對(duì)遠(yuǎn)物光強(qiáng)分布的平滑作用，故造成系統(tǒng)成象的失真。實(shí)際上只是在象點(diǎn)附近較小范圍內(nèi)才滿足空間不變性條件，即當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)軸上點(diǎn)滿足正弦條件或軸外點(diǎn)滿足余弦條件時(shí)，則在相應(yīng)的軸上象點(diǎn)及軸外象點(diǎn)附近不大區(qū)域中，在象的光強(qiáng)