光學(xué)設(shè)計中的評價體系
像差基礎(chǔ)理論與像質(zhì)評價
實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中,只有平面反射鏡在理論上具有理想光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì).其它光學(xué)系統(tǒng)都不能以一定寛度的光束對一定大小的物體成完善像,即物體上任一點(diǎn)發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)后不能會聚為一點(diǎn),而形成一彌散斑,或者使像不能嚴(yán)格地表現(xiàn)出原物形狀,這就是像差.
一. 像差的分類
( 一 ) 幾何像差
分為兩大類,共七種,如下:
1單色像差
A.球差 B.慧差 C.像散 D.場曲 E.畸變
2.色差
A.位置色差 ( 軸向色差 ) B.倍率色差 ( 放大率色差或垂軸色差 )
( 二 ) 波像差
由點(diǎn)光源發(fā)出的光應(yīng)向各方向傳播相同的距離,因此,波面應(yīng)該是中心點(diǎn)與點(diǎn)光源重合的球面,稱為球面波.此球面波經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后,由于各個面的折射而改變了曲率.如果光學(xué)系統(tǒng)是理想的,那邊那么形成一個新的球面波.但是實(shí)際上, 光學(xué)系統(tǒng)總有剩余像差,使折射以后的波面或多或少地變了形,而不復(fù)為球面波.這一變了形的實(shí)際波面與理想球面波之間的偏離,稱為波像差.
( 三 ) 單色像差又可分為以下兩類:
1.軸上點(diǎn)像差: A. .球差. B.正弦差.
2.軸外點(diǎn)像差: A. 軸外球差. B.慧差 C.像散 D.場曲 E.畸變
二. 像差的基本概念
( 一 ) 球差 δ?
球差 δ?在數(shù)值上是軸點(diǎn)發(fā)出的不同孔徑光線像方截距L’與近軸光截距 ?’之差值,即:
δ?=L’-?’
舉例:
有一鏡頭,參數(shù)如下:
R TC n
25.815 4.0 1.5163
-25.815
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FOVL’ , ?’δ? FOVL’ , ?’δ?
0.00 ?’=29.56880 0.707L’=29.0595 -0.5093
0.30L’=29.5058-0.0630 0.85L’=28.8289 -0.7399
0.50L’=29.2155 -0.2533 1.00L’=28.5383 -1.0305
垂軸球差: δT'=δL'tgU'
由于像平面上的像是由彌散斑組成,所以不能反映物體的細(xì)節(jié),球差嚴(yán)重時,像就變得糢糊不清. 所以任何光學(xué)系統(tǒng)都必須校正好球差.
( 二 ) 慧差
軸外點(diǎn)B發(fā)出子午光束,主光線,上光線和下光線不交于一點(diǎn).在折射前主光線是光束的軸線,而折射后主光線不再是光束的軸線.光線失去了對稱性.
用上,下光線交點(diǎn)到主光線的垂直光軸方向的偏離來表示這種光束的不對稱, 稱為子午慧差. K’T=1/2(Y’a+Y'b)-Y'z
Y’a---上光線在高斯像面上的交點(diǎn)高度.
Y'b---下光線在高斯像面上的交點(diǎn)高度
Y'z---主光線在高斯像面上的交點(diǎn)高度
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( 三 ) 像散
當(dāng)軸外物點(diǎn)B通過有像散的光學(xué)系統(tǒng)成像時,使一屏沿光軸移動,在不同位置時,B點(diǎn)的像就會發(fā)生很大的變化.
在位置1時,為一長軸垂直于子午面的橢圓;移到位置2時為一垂直于子午面的短線;在位置3時又成為一長軸和子午面垂直的橢圓;在位置4時形成一個原斑;在位置5時形成一長軸在子午面內(nèi)的橢圓;位置6時形成一子午面內(nèi)的短線;位置7時又?jǐn)U散成為橢圓。
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即使光欄開得很小,使很細(xì)光束通過光學(xué)系統(tǒng),仍然有這種現(xiàn)像.
如果物體是一個”十”字形圖案,就會形成以下圖案:
像散值,如下式:
X’t-s=l’t - l’s
( 四 ) 像面彎曲 ( 場曲 )
軸外點(diǎn)由于存在像散,形成了子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn),而軸上點(diǎn)則無此現(xiàn)象.因此一個平面物體必然形成兩個像面,如下圖:
在不同視場時, 子午像面和弧矢像面對于理想像面的偏離以X’t和X’s表示.稱為子午場曲和弧矢場曲.計算公式如下:
X’t=l't-l' X’s=l't-l'
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( 五 )畸變
主光線和高斯像面交點(diǎn)的高度不等于理想像高，其差別就是光學(xué)系統(tǒng)的畸變。隨著視場的改變，畸變值也改變。
計算公式如下：
δY'z=Y'z -y'
( 六 )位置色差(軸向色差)
光學(xué)系統(tǒng)往往對包括各種色光的白光成像。光學(xué)材料對不同波長的色光折射率不同，波長越短折射率越高。由公式：
1/f'=(n-1) (1/R1-1/R2)
可知，同一透鏡對不同色光有不同焦距。因此，有不同像距。
這種現(xiàn)象就是位置色差。
位置色差由下式表示：
ΔL'λ1,λ2=L'λ1-L'λ2
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(七 )倍率色差(垂軸色差)
對軸外點(diǎn)來說，由式β=x'/f'可知，不同色光的焦距不等時，放大率也不等，因而有不同的像高。
由下式表示：
ΔY'λ1λ2=Y'λ1-Y'λ2
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三.成像質(zhì)量評價方法
(一) 光學(xué)系統(tǒng)的像差容限(允許值)
1.球差 δL'm≤4λ/n'Sin2U'm(初級球差)
δL'm≤6λ/n'Sin2U'm(當(dāng)1視場球差校正為0時，0.707帶球差允許值)
2. 慧差 K'S= K'T≤λ/2n'SinU'm
3. 正弦差 OSC'≤λ/2n'y'SinU'm
或OSC'≤0.0025 ~ 0.00025
4. 像散 X't s=X't - X's≤λ/n'Sin2U'm
5. 畸變 ≤5%
6. 位置色差 ΔL'FC≤λ/n'Sin2U'm
7. 倍率色差 ≤ 2' ~ 4'
8. 像面彎曲 ( 場曲 ) 應(yīng)在眼睛調(diào)節(jié)范圍內(nèi).
9.波色差 WFC ≤ λ/2 ~ λ/4
10. 波像差 ≤ 2λ ~ 5λ
( 二 ) 成像質(zhì)量評價方法
在光學(xué)設(shè)計中不可能使所有像差校正為零.因此提出兩個問題:一個是光學(xué)系統(tǒng)的像差容限(允許值),另一個是最佳校正方案.為此必須對成像質(zhì)量進(jìn)行評價.
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1. 瑞利判斷
1879年瑞利(Rayleigh)提出:”實(shí)際球面和參考球面之間的最大波像差不超過1/4λ時,此波面可看作是無缺陷的”.即:
W ≤ 1/4 λ
從光波傳播光能觀點(diǎn)看, 瑞利判斷是不夠嚴(yán)密的.因?yàn)樗豢紤]波面上的缺陷部分在整個面積中所占的比重,而只考慮波像差的最大值.
進(jìn)行瑞利判斷評價,要先計算出波像差曲線.對于小像差系統(tǒng),如望遠(yuǎn)物鏡和顯微物鏡,用此方法評價,認(rèn)為很好的解決了問題.
2. 中心點(diǎn)亮度 (斯特列爾判斷)[K.Strehl]
1894年斯特列爾[K.Strehl]提出用有像差時衍射形中最大亮度(愛里斑亮度)與無像差圖時衍射圖形中最大亮度之比來表示光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量,這個比值稱為
中心點(diǎn)亮度.
衍射圖形光能量分布與波像差的關(guān)系如下:
波 像 差 W中心亮度能量外面?zhèn)€環(huán)能量S. D.
0 λ84%16%1.0
1/16 λ83%17%0.99
1/8 λ80%20%0.95
1/4 λ68%32%0.81
S.D. ≥ 0.8 認(rèn)為像質(zhì)是完善的.
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3. 分辨率 ( 解像力 )
由于衍射的原因,一個物點(diǎn)即使通過理想光學(xué)系統(tǒng)成像也不是一個點(diǎn),而是在像面上一個衍射斑(愛里斑).
因此,光學(xué)系統(tǒng)不能分辨開無限接近的兩個像點(diǎn). 光學(xué)系統(tǒng)能分辨開兩個像點(diǎn)的最小距離,稱為系統(tǒng)的分辨率.
(1) 望遠(yuǎn)系統(tǒng)
Ψ = 1.22λ/D入
或 Ψ" = 140"/ D入
(2) 顯微系統(tǒng)
σ = 0.61λ/NA
(3) 攝影系統(tǒng)
1/N = 1/NL+1/NP
NL= 1475 D入/f'
4. 點(diǎn)列圖
由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，由于像差，其與像面的交點(diǎn)不再位于同一點(diǎn)，而是形成了散開的圖形，稱之為點(diǎn)列圖.
用點(diǎn)列圖中這些點(diǎn)的密集程度可以衡量系統(tǒng)的質(zhì)量優(yōu)劣.舉例如下:
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5. 光學(xué)傳遞函數(shù) ( OTF )
光學(xué)傳遞函數(shù) ( OTF )包含兩部分:
(1) 調(diào)制傳遞函數(shù) ( MTF )
[Modulation transfer function]
(2) 位相傳遞函數(shù) ( PTF )
[Phase transfer function]
調(diào)制傳遞函數(shù) ( MTF )反映了除畸變之外的各種像差的綜合狀況.而位相傳遞函數(shù) ( PTF ) 反映了畸變的狀況.
光學(xué)傳遞函數(shù) ( OTF )的特點(diǎn)是:用它來評價像質(zhì)比用以前別的方法更全面,更客觀.在整個成像系統(tǒng)
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中,只要知道各個環(huán)節(jié)的光學(xué)傳遞函數(shù),總體的光學(xué)傳遞函數(shù)就容易求得.
光學(xué)傳遞函數(shù)在像質(zhì)評價中的應(yīng)用：
(一) OTF曲線表達(dá)方式
光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)與EFL, FOV, 中心波長λ, F/NO,像面位置(BFL)等等參數(shù)有關(guān).均可畫出相對應(yīng)的曲線.最常用的OTF曲線如下:
(二) 根據(jù)MTF確定像質(zhì)
1. 比較分析MTF曲線:設(shè)有兩個鏡頭A與B,它們的MTF曲線如下圖:
一般認(rèn)為人眼對比閾為0.03左右,因此像對比降到0.03的那一個頻率就是目視分辨率.由上圖可見,鏡頭B的分辨率.比鏡頭A高, 但當(dāng)對比M=0.1時, 鏡頭A鏡頭A鏡頭B好,因此,如果作為攝影鏡頭,則鏡頭A比B好,因?yàn)閺腗TF曲線看,在低頻部分的一個較寛的笵圍內(nèi),MTF下降較慢,低對比傳遞能力強(qiáng),鏡頭A拍攝出的影像層次豐富,真實(shí)感強(qiáng).
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2. 特征頻率的MTF值
根據(jù)鏡頭工作的情況,確定一個或幾個特征頻率,以與其對應(yīng)的MTF值作為評價指標(biāo).如下圖:
對于各類攝影物鏡,一般情況下,根據(jù)兩三個特征頻率下的MTF值,便可較好的確定它的像質(zhì).舉例如下表:
孔 徑視 場空 間 頻 率LP/MM
15 30
全 孔 徑FOV=00.550.30
FOV=0.70.250.15
F/NO=5.6FOV=00.700.40
FOV=0.70.350.20
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3. 特定MTF值對應(yīng)的頻率
根據(jù)MTF值降低到某一特定值時,相對應(yīng)的空間頻率應(yīng)不小于某個LP/MM值來評價.如下圖:
4. MTF積分值
上述兩種評價方法只反映MTF曲線上少數(shù)點(diǎn)的情況,本方法可反映整體性質(zhì).如圖.
分以下幾種:
(1) MTF積分值
(2) 加權(quán)積分指標(biāo)V
V=∫Τ(ν)W(ν)dν/∫W(ν)dν W(ν)-權(quán)函數(shù)
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(3)平方積分N N=∫[T(ν)]2dν
(4)MTFA
(5)主觀像質(zhì)指標(biāo)SQF:
為了充分估計接收器的作用,在研究人眼性能的基礎(chǔ)上提出的指標(biāo)SQF
SQF=K∫ln12∫2πT(lnν,Ψ)dlnνdΨ
ln8 0
如果考慮多色光的影響,則有
SQFM=K∫ln12∫2π∫700T(lnν,Ψ,λ)S(λ)V(λ)dlnνdΨdλ
ln8 0 400