光学成像系统1.ppt

* 第五章 光学成像系统的频率特性 5.1、相干照明衍射受限系统的点扩散函数 5.2、透镜的成像：点扩散函数 5.3、衍射受限的相干传递函数 5.4、衍射受限的非相干传递函数 5.5、像差对成像系统系统传递函数的影响 5.6、相干与非相干成像系统的比较 一、问题的提出——光学成像系统的评价方法 光学成像系统是一种最基本的光学信息传递 与处理系统， 它用于传递二维的光学图像信息。 光学成像系统 (孔径有限、像差、缺陷等) 物 面 像 面 评价光学成像系统的性能，即成像质量的好 坏。有两类方法。 1．传统方法（空域、几何光学） 2．频域（频谱）评价方法 （一）传统方法（空域、几何光学） 1）星点法： 检验点光源经过光学系统所成像的像斑。 根据像斑的大小、弥散情况，规则及对称性方面来判断系统的成像性能。一般是定性的、主观判断。 2）分辨率法：分辨率测试板，细节分辨能力。不能 对可分辨范围内的像质好坏作全面的定量评价。 （二）频域评价方法 把光学成像系统看成是线性系统 (平移不变)， 用线性系统理论来研究光学成像系统的性能。 光波携带输入图像信息（图像的细节、对比等） 从系统物面传播到像面，输出的图像信息及输出 图像的质量取决于系统的频率传递特性。 把输入图像分解为多种空间频率分量，考查这些 分量在通过系统的传递过程中的丢失、衰减、相位 移动的变化，即研究成像系统的空间频率传递特性 ——传递函数，做到对系统全面、定量的评价。 光学成像系统 S{?} h(x,y) H(u,v) 物面 像面 空域描述： 频域描述： 得到系统传递函数，就可以由传递函数全面定量 地评价系统。 系统的传递函数可由两种方法获得 (1)由系统的设计数据（结构参数等）计算出来： ——叫做传递函数的计算。 (2)由检测仪器进行测定: ——叫传递函数的测定。 本章内容就是讨论光学成像系统的频率传递特性— 传递函数。 二、本章的基本思路 相干照明衍射受 限系统 h(x, y) H(u, v) (CTF) 非相干照明衍射 受限系统 hI (x, y) (OTF) （MTF和PTF） 相干照明衍射受限单透镜 h(x,y) 考虑像差影响 相干与非相 干成像系统 的比较 CTF OTF 有像差系统 (相干与非相干) 思路：相干照明下，系统对复振幅是线性的。 把物面光场分布看成是无数小面元(物点)的组合， 每一个小面元（物点）可看成一个加权的?函数。 5.1 相干照明衍射受限系统的点扩散函数 若能知物面上任何一个物点通过成像系统后在像面上的光场分布，通过线性叠加，可求得整个物面光场分布通过系统后所形成的像的光场分布，进而求得像的强度分布。即： 关键是: 求点物的像场分布——点扩散函数（脉冲响应） 5.1-1 单透镜相干成像的点扩散函数 为了求得 ，考虑物面上位于任一 的物点（单位脉冲），求它在像面上的光场分布。 di d0 求法：沿光波传播方向，逐个计算三个特定面上 的光场分布； 1)紧靠透镜前的平面上 2)紧靠透镜后的平面上 3)像平面上 1) 求dUl ，（利用菲涅耳衍射积分公式） 该式其实就是由物面上 物点发出的球面波的 傍轴近似。 由于 是任意的，上式略去常相位因子 2) 求dU’l , 通过孔径函数为 P(x,y)、焦距为 f 的透镜后， 3) 求dUi ，（利用菲涅耳衍射积分公式） 代入上式且略去常相位因子及负号，得： (略去了exp[jkd0], exp[jkn△0], exp[jkdi]及由1/jkd0与 1/jkdi 相乘产生的负号） 此式是单透镜相干成像点扩散函数的一般表示式。 下面对上式进行近似、简化 (1) 上式中的 对像的强度分布无影响，可略去。 (2) 上式中的 也可以略去，但有条件，不能简单的略去， 需要讨论。 在满足一定条件下，才能取近似略去 求整个像场分布时，积分变量是(xo,yo), 是对整个 物面积分。 理论上， 对整个像场有影响。 当透镜的孔径较大时，物面上每一物点产生的脉冲 响应（即像点分布）是一个很小的光斑。 为求整个像场分布进行叠加积分时，能够对像点(xi,yi)处的 光场分布产生影响的， 必定是以物面上的相应物点(xo,yo) 为中心的微小区域。 (xo,y