第8章 光学系统成像质量评价.ppt

* §8－1 像差概述 第8章 光学系统成像质量评价 实际光学系统所成的象都不可能是完全符合理想的,所谓象差也就是实际光学系统和理想系统成像的差别.像差的大小也就代表了光学系统成像质量的优劣.这一章就是讨论如何表示一个光学系统的像差?那么各种像差的意义是什么呢? 由第二、三章可知，理想光学系统对空间任意大的物体以任意宽的光束通过系统均能成完善象，实际光学系统只有在近轴区，即孔径和视场近于零的情况下才能完善成像。这样的光学系统是没有实际意义的。因为，恰恰是相对孔径和视场与光学系统的功能和应用价值紧密相连，光学系统都需要一定的孔径和视场，它远远超出近轴区的限定范围。 讨论象差的是为了能动地校正像差，使光学系统能够在一定的相对孔径下给顶大小的视场成满意的象。为此，必须讨论各种像差的成因，度量和计算方法，并找出其与相对孔径、视场之间的关系，与光学系统机构参数之间的关系。 在所有的光学零件中，平面反射是唯一能成完善象的光学零件。 如果只讨论单色光的成像，光学系统会产生五种性质不同的像差，它们分别是球差、慧差、象散、像面弯曲和畸变，统称为单色像差。 实际上，绝大多数光学系统以白光或复色光成像。白光是由不同波长的单色光所组成的，它们对于光学介质具有不同的折射率，因而白光进入光学系统后就会因色散而有不同的传播光路，形成了复色像差。这种由不同色光的光路差别引起的像差称为色差。色差有两种，位置色差和倍率色差。 白光经光学系统后，由于各种单色光有各自的单色像差，可见白光成像是很复杂的。为了便于对像差的分析，才将白光的像差分成单色像差和色差。其中，单色像差是对光能接收器最为灵敏的色光而言的，而色差是对光能接收器的有效波段内两种边缘色光而言的。所谓消像差，也只是消这种色光的单色像差和这两种色光的色差。 成像质量评价的方法分为两大类： 1、光学系统实际制造完成以后的成像质量评价； 2、在光学系统设计阶段的成像质量评价 第一类评价方法主要采用的是分辨率检验和星点检验 由同一物点发出的光线，通过理想光学系统后，应全部聚交于一点，光线是传输能量的几何线，这些几何线的交点应该是一个既没有体积也没有面积的几何点。但是，在像面上实际得到却是一个具有一定面积的光斑。为什么会出现上述现象呢？这是因为，把光看作光线只是几何光学的一个基本假设，实际上，光并不是几何线，而是电磁波。虽然大部分光学现象可以利用光线的假设进行说明，但是在某些特殊的情况下，比如光束聚焦点附近的光能分布问题，就本能用几何光学来准确地说明。 分辨率就是光学系统成像时所能分辩的最小间隔?的倒数 （8－1） 其中，lp/mm 表示每毫米能分辩的线对数 图8－1 分辩率法可以用一个数值定量表示光学系统质量的好坏，测定分辨率也教简单方便，因此，在实际工作中得到普遍应用。但是，分辨率的测定值随着测试条件不同，接收器不同而有所不同。所以，分辨率是一个不很确定的量，而且分辨率并不是随像差的增加而单调的下降，在实际系统中，像差主要导致能量分散，直接影响线条的清晰度，而对分辨率影响则并不显著，因为分辨率和成像清晰度之间并无必然的联系，有时会出现分辨率高而成像反而不清晰的情况。因此，尽管分辨率至今仍被广泛用来评价象质，但它还并不是一种十分完美的评价方法。 另一种检验实际系统成像质量的方法称为星点法。它是将被检光学零件或光学系统对点光源成像。根据所得到的象点形状和大小来测定系统质量的好坏，并由此找出象质不好的原因。具体检验系统与分辨率测定系统相同，只是把分辨率板换成星孔板。光源将星孔板照亮，照亮了的星孔板便是一个点光源，经平行光管物镜和被检镜头后，在被检镜头焦面上形成星点象，星点象经显微镜放大后进行观察，根据实际象点与理想象点的差异来评定零件或系统的质量。 星点检验只是一种定性的相互比较的检验方法，无法作定量的检验，但由于它所使用的设备简单，现象直观，而且灵敏度较高，有经验的检验人员根据星点象便能很快判明星点象中所包含的成像误差，很快找出造成质量不好的原因。因此，在工厂实际生产中经常使用星点检验。 本章主要介绍光学设计阶段所采用的像质评价方法 包括：几何像差、波像差、瑞利判据和点列图、光学 传递函数等；至于物理光学方法，本章不作介绍。 §8－2 介质的色散和光学系统的色差 当光学系统对白光等复色光进行成象时，就会产生色差。 一、 位置色差 1、? 产生的原因 当入射光波为复色光时，由于光中含有许多不同的波长的单色光波，波长越小其象距越小，从而形成按波长由短至长，各自象点离透镜由近及远排列在光轴上，