像差与分辨率总结课件.ppt

《像差与分辨率总结课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《像差与分辨率总结课件.ppt（69页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、介质的色散和光学系统的色差,一、介质的色散,波长 速度 折射率,红光 长 快 小,紫光 短 慢 大,n1-n2色散,色散:介质对两种不同颜色光线（用波长 和 表示)的折射率之差,色散:某一种介质对两种不同颜色光线（用波长 和 表示)的折射率之差,中部色散:某一种介质对F（486.13nm）光和C光(656.28nm)的折射率之差,F光（486.13nm）：汞灯 C光(656.28nm)：氢灯 D光（589.3nm）：钠灯,二、色差,1、什么叫色差？,2、色差的表示方法,轴向色差：,红光n小，紫光n大红光f长，紫光f短不同颜色像点沿光轴方向的位置之差,F红,F黄,F紫,通常用C、F光像平面的间距

2、表示轴向色差,垂轴色差：不同颜色像对应大小之差,一般也用C、F 光在同一基准像面的像高之差表示。,1.采用不同色散不同折射率玻璃的组合2.采用折衍混合的技术3.采用反射镜,色差的消除,单色像差的来源,83 轴上像点的单色像差：球差,非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略,-u,u,P,P,单色像差(或初级像差)-5种：,1)球差(spherical aberration)2)彗差(coma)（正弦差）3)像散(astigmatism)4)场曲(curvature of field)5)畸变(distortion),一、球差的定义,A1,A 0,不同孔径光线对理想像点的位置之差,二、球差的表示方法,

3、大口径边缘光线对距系统最后一面的距离,近轴（理想）像点位置,符号规则：由理想像点计算到实际光线交点,三、存在球差时的像点形状,最小弥散圆,图示：不同大小球差的照片,球差的校正：,变折射率透镜,中间折射率大,加光阑；,复合透镜，如正负透镜组合、球面曲率及折射率的配合等；非球面透镜；,弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面,轴外像点的单色像差,子午面：主光线和光轴决定的平面,一.子午像差,子午光线对,子午光线对交点,子午光线对交点与理想像平面不重合,同样，子午光线对交点与主光线不重合,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3)hm,子午彗差：子午光线对交点到主光线的距离,视场选取：(1，

4、0.85,0.7071,0.5,0.3),不同大小彗差的照片,彗差的校正：,复合透镜；,加光阑；,不晕点-同时消除了球差和彗差的一对共轭点,非球面透镜；,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3)hm,子午场曲:子午光线对交点到理想像面的距离,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3),像差形状及特性,场曲:若存在场曲，像面不是平面，是一个曲面,细光束子午场曲：子午细光线对交点到理想像面的距离,轴外子午球差：子午宽光束交点到细光束交点的距离,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3)hm,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3),二.弧

5、矢像差,弧矢光线对,弧矢光线对交点,弧矢光线对交点与理想像平面不重合,同样，弧矢光线对交点与主光线不重合,弧矢场曲:弧矢光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3)hm,弧矢彗差：弧矢光线对交点到主光线的距离,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3),细光束弧矢场曲：弧矢细光线对交点到理想像面的距离,轴外弧矢球差：弧矢宽光束交点到细光束交点的距离,孔径选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3)hm,视场选取：(1，0.85,0.7071,0.5,0.3),最小弥散圆,主光线,子午焦线,弧矢焦线,轴外物点发出的同心光束，水平方向和

6、竖直方向的光线的聚焦点在不同平面上,像散的产生,像散：,像散和场曲的校正：,复合透镜,加光阑,非球面透镜；,平均场曲：,正弦差：彗差与像高的比值,畸变：成像光束的主光线的实际像高和理想像高之差,畸变,像的大小和理想想高不等 畸变不影响像的清晰,只影响像的变形 如果实际像高小于理想像高：桶形畸变 如果实际像高大于理想像高：鞍形畸变 畸变和视场的三次方成正比,4.垂轴像差,子午垂轴像差,弧矢垂轴像差,5.几何像差的曲线表示,举例：计算如图所示系统的像差系统光学特性为 L=-18 h=10系统的主要近轴参数为f=40.111 lF=28.269 y=13.42,轴上点像差,1.0h 0.85h 0.

7、7h 0.5h 0.3h 0.0h L 0.01632-0.03319-0.04516-0.03377-0.01451 0SC-0.00048-0.00036-0.00026-0.00014-0.00005 0Lg 0.08203 0.02128 0.00262 0.00808 0.02416 0.03704 LC 0.05059 0.00044-0.01213-0.00144 0.01740 0.03169 LgC 0.03143 0.02084 0.01476 0.00952 0.00676 0.00535,轴外细光束像差,1.0 0.85 0.7 0.5 0.3yz-0.11120-0.

8、07304-0.04409-0.01634-0.00363xt-0.06395-0.01826 0.00068 0.00605 0.00373xs-0.03940-0.05270-0.05038-0.03363-0.01390Xts-0.02455 0.03444 0.05106 0.03968 0.01763ygC 0.00445-0.00241-0.00565-0.00655-0.00484,轴外宽光束像差,1.0 0.85 0.7 0.5 0.3LT1h 0.394840.37338 0.31459 0.19827 0.08993KT1h-0.00666-0.00857-0.00941-

9、0.00647-0.00595LT7h 0.110690.09554 0.06942 0.02327-0.01802KT7h-0.01040-0.00878-0.00712-0.00448-0.00278LS1h 0.63399 0.45824 0.32002 0.16716 0.07041KS1h-0.03192-0.02101-0.01343-0.00601-0.00258,子午垂轴像差,+1.0h+0.85h+0.7h+0.5h+0.3h0-0.3h-0.5h-0.7h-0.85h-1.0h1.0 0.070630.01823-0.00285-0.00980-0.006480.0.000

10、82-0.00390-0.01795-0.03942-0.083940.85 0.076170.025180.00411-0.00423-0.003080.-0.000154-0.00700-0.02166-0.04446-0.093310.7 0.067670.022990.00485-0.00224-0.001560.-0.00207-0.00663-0.01908-0.03976-0.086500.5 0.044790.012510.00065-0.00252-0.001060.-0.00132-0.00319-0.00961-0.02306-0.057720.3 0.01795-0.0

11、0056-0.00532-0.00389-0.001170.-0.000160.00062-0.0 0024-0.00701-0.029840 0.00420-0.00720-0.00809-0.00425-0.001090.0.001090.004250.008090.00720-0.00420,弧矢垂轴像差,1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 yszs yszs yszs yszs yszs1.0h-0.03192 0.14715-0.021010.10156-0.013430.06814-0.006010.03407-0.002580.01450 yszs yszs yszs ys

12、zs yszs0.85h-0.02228 0.07163-0.014700.04467-0.009430.02574-0.004350.00747-0.00186-0.00231 yszs yszs yszs yszs yszs0.7h-0.01525 0.03248-0.010110.01698-0.006530.00679-0.00311-0.00215-0.00134-0.00628 yszs yszs yszs yszs yszs0.5h-0.00763 0.00675-0.005100.00070-0.00333-0.00257-0.00164-0.00447-0.00072-0.0

13、0456 yszs yszs yszs yszs yszs0.3h-0.00276-0.00066-0.00186-0.00258-0.00122-0.00317-0.00061-0.00277-0.00027-0.00183,像差曲线,垂轴像差曲线,理想成像：球面波波像差实际波面和理想波面之间的光程差,6.用波像差评价光学系统的成像质量,用波像差评价光学系统的成像质量,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010-1.479-1.470-1.4369-1.444-1.454-1.480-1.506-1.4998-1.165-1.186-1.246-1.334-1.433-1.503-1.

14、4797-0.820-0.844-0.917-1.034-1.186-1.350-1.480-1.4946-0.507-0.530-0.601-0.722-0.893-1.101-1.318-1.480-1.4795-0.271-0.290-0.351-0.461-0.625-0.844-1.101-1.350-1.5034-0.120-0.134-0.181-0.271-0.416-0.625-0.893-1.186-1.433-1.4993-0.040-0.049-0.081-0.149-0.271-0.461-0.722-1.034-1.334-1.5062-0.008-0.013-0.

15、032-0.081-0.181-0.351-0.601-0.917-1.246-1.480-1.4361-0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.4700 0.000-0.001-0.008-0.040-0.120-0.271-0.507-0.820-1.165-1.444-1.479-1-0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.470-2-0.008-0.013-0.032-0.081-0.181-0.351-0.601-0.

16、917-1.246-1.480-1.436-3-0.040-0.049-0.081-0.149-0.271-0.461-0.722-1.034-1.334-1.506-4-0.120-0.134-0.181-0.271-0.416-0.625-0.893-1.186-1.433-1.499-5-0.271-0.290-0.351-0.461-0.625-0.844-1.101-1.350-1.503-6-0.507-0.530-0.601-0.722-0.893-1.101-1.318-1.480-1.479-7-0.820-0.844-0.917-1.034-1.186-1.350-1.48

17、0-1.494-8-1.165-1.186-1.246-1.334-1.433-1.503-1.479-9-1.444-1.454-1.480-1.506-1.499-10-1.479-1.470-1.436,分辨率检测,理想光学系统的分辨率：完全没有像差，成像符合理想的光学系统所能分辨的最小间隔,通常把衍射光斑中央亮斑作为物点通过理想光学系统的衍射像。,中央亮斑直径,由于衍射像有一定大小，如果两个像点之间距离太短，就无法分辨两个像点，我们把两个衍射像点之间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的衍射分辨率。,由于衍射像有一定大小，如果两个像点之间距离太短，就无法分辨两个像点，我们把两个衍射像点之

18、间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的衍射分辨率。,瑞利判据：两像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑半径,理想光学系统衍射分辨率公式,各类光学系统分辨率的表示方法,望远镜分辨率,用能分辨开的两物点对物镜张角 表示,望远镜分辨率测量,照相系统分辨率,用像平面上每毫米能分辨开的线对数N表示,照相系统分辨率测量,显微镜分辨率,用物平面上刚能分辨开的两个物体间的最短距离 表示,光学传递函数,概述,对光学系统使用者来说，希望提高系统的分辨率，因此通常提出分辨率的指标对于光学系统设计者来说，设计阶段无法计算出系统预期能达到的分辨率，只能计算出几何像差或波像差，像差越小，系统预期分辨率越高；但它们之间没有

19、简单的数量关系，只能靠试制样品并测量得出分辨率。因此需要靠设计试制测试反复多次才能达到要求。即便分辨率满足要求，也不能充分反映系统的成像质量，它反映的仅仅是系统能分辨的极限空间频率，并不能反映在可分辨的空间频率范围内所有频率的物像之间对比度和位相的变化。,光学传递函数是目前公认的最能充分反映系统实际成像质量的评价指标能够全面、定量反映光学系统的衍射和像差所引起的综合效应，并且可以根据光学系统的结构参数直接计算出来在设计阶段就可以准确地预计到制造出来的光学系统的成像质量按照几何光学的观点来近似计算地光学传递函数称为几何光学传递函数；根据波动光学按衍射效应计算的光学传递函数称为物理光学传递函数,图

20、像的合成与分解,分解方法把物面分解成无数个物点，分别通过系统成无数个像点，即函数，然后在像面上合成，就得到了像,2.傅立叶方法：将物面的光强度分布分解成频率，振幅和位相不同的余弦函数，分别通过光学系统以后，这些分布仍然是余弦函数，只是初位相和振幅发生了变化，再将这些余弦函数合成，即可得到像的分布,例如,振幅和空间频率的关系称为振幅频谱函数,初位相和空间频率的关系称为位相频谱函数,分解,周期函数,周期函数的频谱函数只是若干个不连续的离散点,分解,非周期函数,非周期函数的振幅频谱函数和位相频谱函数是连续函数,光学传递函数的基础,线性系统,如果光学系统使用非相干的单色光照明，近似为一线性系统，对于大

21、多数光学系统，成像质量随物高的变化是比较小的，在一定范围内，可以看作是空间不变的,空间不变系统,光学传递函数的计算思路,一个光学系统成像，就是把物平面上的光强度分布图形转换成像平面的光强度分布图形。,利用傅立叶分析方法可以对这种转换关系进行研究，它把光学系统的作用看成是一个空间频率的滤波器，进而引出了光学传递函数,几何光学中，把任意物平面的强度分辨，看做是由无数个发光点组成的，也就是把物平面上的强度分布分解为无数个点，从数学上来说就是把强度分布分解为无数个 函数,在傅立叶分析光学中，把任意的强度分布函数，分解为无数个不同频率，不同振幅，不同初位相的余弦函数，称为余弦基元,假设物平面输入的余弦基

22、元为 像平面相应输出的余弦基元为物面的对比度为 像面的对比度为,像平面和物平面对比之比（振幅）称为振幅传递函数 像平面和物平面初位相之差称为位相传递函数二者统称为光学传递函数，用OTF()表示,已知光学系统对指定共轭面的光学传递函数，这一对共轭面的成像性质就完全确定了。把像面余弦基元合成以后就是要求的像面图形。,理想光学系统的振幅传递函数,F:2,波长:0.555um,截止频率:888lp/mm,F:2,波长:10um,截止频率:49lp/mm,F2,波长:4um,截止频率:130lp/mm,F1,波长:10um,截止频率:90lp/mm,三、用光学传递函数评价系统成像质量取不同像高的若干个像

23、点，分别求 出它们的传递函数，分子午和弧矢 两个面用曲线表示不同系统光学传递函数有不同标准两个系统构成的组合系统，MTF 等于两分系统MTF值的乘积,MTF()=MTF1()MTF2(),用光学传递函数评价系统成像质量,其他各种像质评价指标,Spot Diagram(像点弥散图)光线直接追迹到像平面理想情况，为一个点实际情况，是一个弥散图形,点扩散函数,点扩散函数计算的是一个物点通过光学系统以后衍射像的强度，它在空域表征光学系统的特性，传递函数在频域表征系统的特性。点扩展函数的傅里叶变换就是光学系统的传递函数。,对光学系统来讲，输入物为一点光源时其输出像的光场分布，称为点扩散函数。在数学上点光源可用函数（点脉冲）代表，输出像的光场分布叫做脉冲响应，所以点扩散函数也就是光学系统的脉冲响应函数。,Encircled Energy 包围圆能量,包围圆能量：以像面上主光线或中心光线为中心，以离开此点的距离为半径做圆，以落入次圆的能量和总能量的比值来表示.,