光学系统成像性能评测.ppt

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1、光学系统成像性能评测第三节：分辨率测量第四节：畸变测量第五节：光学传递函数测量第三节：分辨率测量分辨率测量能以确定的数值作为评价被测系统像质的综合性指标。分辨率测量始终是生产检验一般成像光学系统质量的主要手段之一。现在，由于采用了高性能CCD等光电成像阵列器件及数字图像处理技术，这种因人而异的主观和人工操作的目视测量分辨率方法的局限性也已经被突破。特别是对数字摄像机、数码相机和热像仪等光电成像系统的分辨率指标，可以通过对视频接口输出的分辨率图像处理而获得其分辨率的客观评测。衍射受限系统分辨率在衍射受限光学系统（即不考虑像差的无像差理想光学系

2、统）中，一个发光点通过光学系统成像后得到一个衍射光斑，两个独立的发光点通过光学系统成像得到两个衍射光斑，即艾里(Airy)斑。考察不同间距下两个衍射光斑是否被分辨，就能定量反映理想光学系统的成像质量。当两个物点逐渐靠近时，两衍射光斑也逐渐发生重叠。当两物点靠近到距离小于某一限度时，两衍射光斑重叠部分的合光强将大于或等于每个衍射斑的中心亮斑光强，此时人眼已无法判断区分这两个衍射光斑，两者“合二为一”。显然，光学系统的衍射程度和几何像差越小，即点像光斑越小，成像质量越好，因此可以用判别两个点像光斑的方式来确定光学系统的像质。图6-12两衍射斑中

3、心距不同时辐照度分布曲线和光斑合成图(a)中心距等于中央亮斑直径d；(b)中心距等于0.5d；(c)中心距等于0.39d。历史上存在三个著名的判断准则：瑞利(Rayleigh)判据：（当两衍射中心距正好等于第一暗环的半径时，人眼刚能分辨开这两个像点）道斯(Dawss)判据:斯派罗(Sparrow)判据:图6-13三种判据的部分合光强分布曲线斯派罗(SPARROW)图6-14瑞利、道斯和斯派罗判据的三维合成辐照度分布图望远物镜：照相物镜：显微物镜：表6-3三类光学系统的理论分辨率以上讨论的各类光学系统的分辨率公式只适用于视场中心的情况。对望远

4、系统和显微系统而言，由于视场很小，因此只需考虑视场中心的分辨率。但对照相系统而言，由于视场通常较大，除考察视场中心的分辨率外还应考察中心视场以外的分辨率。图6-15轴外点理论分辨率与轴上点理论分辨率的关系在斜光束成像情况下，理论分辨率的计算公式将与轴上分辨率公式有所不同。如图所示，Ω1为斜光束成像时物镜出瞳处的子午波面，它在OC＇方向上成一理想像点C＇。M＇为过C＇点垂直于主光线OC＇的线段上的一点，而且C＇M＇就等于斜光束成像情况下中央亮斑的半径，即：照相物镜轴外点子午和弧矢方向的理论分辨率为：可看出，理论分辨率随视场增大而下降，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。测量方法直接用人工方法获取两个相互非常靠近的非相干点光源作为检验光学系统分辨率的目标物是比较困难的，实际中常采用由不同粗细的黑白条纹组成的人工特制图案作为目标物来检验光学系统的分辨率。由于各类光学系统的用途不同、工作条件不同、要求不同，所以设计制作的分辨率图案在形式上也很不一样。图6-16为两种较为典型的常用分辨率图案。下面以ZBN35003-89国家专业标准分辨率图案为例，介绍其设计计算方法。该分辨率图案中的单元线条设计如图6-17所示。图6-16两种分辨率图案左：国家专业标准分辨率图案右：辐射

6、式分辨率图案（1）线条宽度黑（白）线条的宽度P按等比级数规律依次递减。式中（A1号板第1单元线宽），，。实际图案上的线条宽度按上式计算后只保留三位有效数字。图6-17单元线条几何参数（2）分组将85种不同宽度的分辨率线条分成七组，通常称为1号到7号板，即A1～A7分辨率板。每号分辨率板包含有25种不同宽度的分辨率线条，同一宽度的分辨率线条又按四个不同的方向排列构成一个“单元”，见图6-16；25个单元在分辨率板上的排列顺序见图6-18，每号板的中心都是第25号单元。对A1～A5号板，每号板内的第13单元到第25单元分别与下一号板内的第1单元

7、到第13单元相同，即相邻两号分辨率板之间有一半单元是彼此重复的，见图3-15。A5和A7号板也有一半单元是重复的，A6号板与前后相邻A5、A7号分辨率板的关系略有不同。图6-18A1-A7分辨率图案单元重复关系示意图望远系统分辨率的测量图6-19测量望远系统分辨率装置简图根据此单元号和分辨率板号，查表可得到该单元的线条宽度P和平行光管焦距，由上式可计算出被测望远系统的分辨率。照相物镜目视分辨率测量图6-20在光具座上测量照相物镜分辨率的光路图第四节：畸变测量畸变是光学成像系统像差的一种，理想成像系统不仅成像清晰，而且满足物像相似关系。当系统

8、的畸变以外像差为零时，系统能够清晰成像，但不能说明物像相似，物像的不相似程度就是用畸变来衡量的。我们把主光线和理想像面的交点作为实际像点，用它到理想像点的距离表示像的变形程度，称