Zemax中的像質(zhì)評價方法

1、 球差球差L 色差色差 lFC ，LFC 細光束子午場曲細光束子午場曲xt 子午球差子午球差LT 子午彗差子午彗差 KT 細光束弧矢場曲細光束弧矢場曲 xs 弧矢球差弧矢球差LS 弧矢彗差弧矢彗差 KS 像散像散 xts 畸變畸變yz 垂軸色差垂軸色差 yFC 球差 場曲 彗差 像散 畸變 色差色差 垂軸色差垂軸色差 Fans Spot Diagram MTF PSF Wavefront Miscellaneous (光扇圖) （幾何點列圖） (調(diào)制傳遞函數(shù))(點擴散函數(shù))（波像差） (其他或雜項) Fans(光扇圖光扇圖) 由任一物點發(fā)出的不同孔徑高的光線組分別由任一物點發(fā)出的不同孔徑高的光

2、線組分別在子午面內(nèi)和弧矢面內(nèi)，形成子午扇形光線在子午面內(nèi)和弧矢面內(nèi)，形成子午扇形光線與弧矢扇形光線組，由這些扇形光線組描述與弧矢扇形光線組，由這些扇形光線組描述跟像差有關的像質(zhì)指標，可統(tǒng)稱為跟像差有關的像質(zhì)指標，可統(tǒng)稱為Fans. 共有共有Ray Aberration、Optical path和和Pupil Aberration三種三種. . 幾何像差的垂軸表示法曲線幾何像差的垂軸表示法曲線 只考慮由一個物點發(fā)出的子午面或弧矢面內(nèi)只考慮由一個物點發(fā)出的子午面或弧矢面內(nèi)不同孔徑光線，在像面上交點離開主光線交不同孔徑光線，在像面上交點離開主光線交點的變化情況，相當于彌散大?。徊蝗タ紤]點的變化情況，

3、相當于彌散大??；不去考慮到底是沿軸分量的像差，還是垂軸分量的像到底是沿軸分量的像差，還是垂軸分量的像差，讓我們產(chǎn)生綜合的印象差，讓我們產(chǎn)生綜合的印象. . 像面像面(XOY平面平面)上上X分量像差分量像差(X aberration)和和Y分量像差分量像差(Y aberration)隨光線孔徑高的隨光線孔徑高的變化曲線變化曲線. X-aberration用用EX表示，表示，Y-aberration用用EY表示，光線孔徑高用表示，光線孔徑高用PX、PY表示表示. Ray AberrationOptical path 顯示的光瞳歸一化坐標（顯示的光瞳歸一化坐標（PX，PY）為橫）為橫軸的光程差曲線軸

4、的光程差曲線，相當于一維波像差曲線，相當于一維波像差曲線; 縱軸為光程差，以主光線所走過的光程為縱軸為光程差，以主光線所走過的光程為基準基準. Pupil Aberration 反映光瞳像差反映光瞳像差 表示實際主光線與光瞳面交點，離開高斯表示實際主光線與光瞳面交點，離開高斯主光線與光瞳面交點的距離，一般用占光主光線與光瞳面交點的距離，一般用占光瞳半徑的百分數(shù)表示瞳半徑的百分數(shù)表示. . Spot Diagram(點列圖點列圖) 反映任一物點發(fā)出充滿入瞳的光錐，在像面反映任一物點發(fā)出充滿入瞳的光錐，在像面上的交點彌散情況上的交點彌散情況; 通常以主光線與像面交點為原點，進行量化通常以主光線與像

5、面交點為原點，進行量化計算點列圖的彌散情況，計算點列圖的彌散情況，Zemax在此基礎上，在此基礎上，還給出以虛擬的還給出以虛擬的“質(zhì)心質(zhì)心”、“平均平均”為原點為原點的量化點列圖的量化點列圖. 表現(xiàn)形式有五種，即標準點列圖表現(xiàn)形式有五種，即標準點列圖(standard)、離焦點列圖（離焦點列圖（Through Focus）、反映視場象）、反映視場象高的點列圖（高的點列圖（Full Field Spot Diagrams）、）、隨視場與波長變化的點列圖陣列隨視場與波長變化的點列圖陣列(Matrix Spot Diagrams)、隨視場與多重結構變化的點列圖、隨視場與多重結構變化的點列圖陣列（陣列

6、（Configuration Matrix Spot Diagram）; 常用的是標準點列圖常用的是標準點列圖Spot Diagram(點列圖點列圖) 計算點列圖時入瞳上光線的選取有幾種，即計算點列圖時入瞳上光線的選取有幾種，即有極徑、極角劃分的極坐標形式，在有極徑、極角劃分的極坐標形式，在Zemax中稱為中稱為hexapolar（六極向）；有直角坐標網(wǎng)（六極向）；有直角坐標網(wǎng)格劃分的方形網(wǎng)格式（格劃分的方形網(wǎng)格式（Square）形式；）形式；Zemax中還提供了基于偽隨機方法的顫抖式中還提供了基于偽隨機方法的顫抖式（dithered）光瞳劃分方法）光瞳劃分方法. Spot Diagram(點

7、列圖點列圖) MTF(調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)) 既與光學系統(tǒng)的像差有關，又與光學系統(tǒng)的既與光學系統(tǒng)的像差有關，又與光學系統(tǒng)的衍射效果有關，是光學傳遞函數(shù)（衍射效果有關，是光學傳遞函數(shù)（OTF）的）的模，曲線橫軸表示像面上的空間頻率，單位模，曲線橫軸表示像面上的空間頻率，單位為為1/mm，即每毫米多少對線，縱軸表示對這，即每毫米多少對線，縱軸表示對這些黑白細實線物分辨的調(diào)制度些黑白細實線物分辨的調(diào)制度; 物理含義：應用傅立葉變換原理與光學系統(tǒng)物理含義：應用傅立葉變換原理與光學系統(tǒng)相干成像理論，計算出鏡頭對逐漸變細的黑相干成像理論，計算出鏡頭對逐漸變細的黑白線對分辨的調(diào)制度白線對分辨的調(diào)制度.

8、據(jù)計算模型的不同，可分為三類：據(jù)計算模型的不同，可分為三類：1) FFT MTF，基于快速傅立葉變換，先計算，基于快速傅立葉變換，先計算PSF（點（點擴散函數(shù)），再由擴散函數(shù)），再由PSFMTF；2) Huygens MTF，基于惠更斯波面包絡原理，先計算，基于惠更斯波面包絡原理，先計算出瞳面上的光瞳函數(shù)，然后把出瞳面細分，看成次出瞳面上的光瞳函數(shù)，然后把出瞳面細分，看成次級光源，再向像面?zhèn)鬟f；因此計算惠更斯傳函時，級光源，再向像面?zhèn)鬟f；因此計算惠更斯傳函時，要將出瞳面細分網(wǎng)格、也將像面細分網(wǎng)格采樣；要將出瞳面細分網(wǎng)格、也將像面細分網(wǎng)格采樣；3) Geometric MTF，基于幾何點列圖，轉

9、化成子午面，基于幾何點列圖，轉化成子午面或弧矢面上的線擴散函數(shù)，再經(jīng)傅立葉變換，得到或弧矢面上的線擴散函數(shù)，再經(jīng)傅立葉變換，得到調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù). MTF(調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)) 由于計算模型不同，計算結果會出現(xiàn)較小差別，但由于計算模型不同，計算結果會出現(xiàn)較小差別，但變化趨勢及量值不會差別很大，要注意區(qū)別：變化趨勢及量值不會差別很大，要注意區(qū)別：1）從計算速度上看，）從計算速度上看，F(xiàn)FT MTF最快，最快，Huygens MTF與與Geometric MTF速度較慢，但在初始結構像質(zhì)太速度較慢，但在初始結構像質(zhì)太差（如波差差（如波差PV6）時，）時，F(xiàn)FT MTF計算會顯示出錯，

10、計算會顯示出錯，這是正?，F(xiàn)象，此時幾何傳函仍可進行正常計算，這是正?，F(xiàn)象，此時幾何傳函仍可進行正常計算，只是傳函值太低；只是傳函值太低；2）從網(wǎng)格采樣來看，）從網(wǎng)格采樣來看，F(xiàn)FT MTF與與Geometric MTF只只需對像面（或物面）空間坐標進行需對像面（或物面）空間坐標進行2n2n網(wǎng)格采樣，網(wǎng)格采樣，但但Huygens MTF因計算模型差別，還要增加對出瞳因計算模型差別，還要增加對出瞳面網(wǎng)格采樣，這是導致面網(wǎng)格采樣，這是導致Huygens MTF計算速度變慢計算速度變慢的主要原因；的主要原因；3）FFT MTF與與Huygens MTF都能計算出都能計算出Surface MTF（即（即

11、3D-MTF），但），但Geometric MTF一般只計一般只計算子午與弧矢面上算子午與弧矢面上MTF，不提供，不提供Surface MTF.PSF(點擴散函數(shù)點擴散函數(shù)) PSFPoint Spread Function，反映點物經(jīng)，反映點物經(jīng)過鏡頭系統(tǒng)后，因像差或衍射在像面上造成過鏡頭系統(tǒng)后，因像差或衍射在像面上造成的擴散情況，橫軸為像面上的線性尺度，縱的擴散情況，橫軸為像面上的線性尺度，縱軸為歸一化能量（強度）分布；軸為歸一化能量（強度）分布； PSF的計算模型也有的計算模型也有FFT和和Huygens兩種。兩種。PSF一般使用在精細成像質(zhì)量或小像差系統(tǒng)一般使用在精細成像質(zhì)量或小像差系

12、統(tǒng)場合場合. Wavefront (波像差波像差) 可用于小像差光學系統(tǒng)和大像差光學系統(tǒng)，可用于小像差光學系統(tǒng)和大像差光學系統(tǒng)，同時因有瑞利標準（波像差小于同時因有瑞利標準（波像差小于/4波長，鏡波長，鏡頭系統(tǒng)成像質(zhì)量接近理想），使波像差評價頭系統(tǒng)成像質(zhì)量接近理想），使波像差評價像質(zhì)易被量化，只是對大像差系統(tǒng)時，可將像質(zhì)易被量化，只是對大像差系統(tǒng)時，可將波像差容限取成波像差容限取成24倍的瑞利標準倍的瑞利標準; 波像差跟視場有關，由一個視場物點發(fā)出充波像差跟視場有關，由一個視場物點發(fā)出充滿入瞳面的光線，相當于一個球面波入射，滿入瞳面的光線，相當于一個球面波入射，經(jīng)過鏡頭系統(tǒng)后，出射波面因像差的

13、存在發(fā)經(jīng)過鏡頭系統(tǒng)后，出射波面因像差的存在發(fā)生變形，表示存在波像差生變形，表示存在波像差.Wavefront (波像差波像差) 對于一個視場，某一波長下，計算波像差時，要對對于一個視場，某一波長下，計算波像差時，要對入瞳面進行網(wǎng)格點采樣，一般采樣密度為入瞳面進行網(wǎng)格點采樣，一般采樣密度為2n2n ，由光線追跡，計算每一個光線到達像面時所走過的由光線追跡，計算每一個光線到達像面時所走過的光程差。波像差是一種相對光程差，一般取主波長光程差。波像差是一種相對光程差，一般取主波長的的 主光線所走過光程作為參考光程，相當于取主光主光線所走過光程作為參考光程，相當于取主光線跟像面的交點，作為參考球面的球心

14、，并使參考線跟像面的交點，作為參考球面的球心，并使參考球面經(jīng)過出瞳中心球面經(jīng)過出瞳中心. Zemax對波像差還提供了對波像差還提供了Interferogram和和Foucault Analysis的菜單選項，前者可以為兩束光相干以干的菜單選項，前者可以為兩束光相干以干涉圖表示，尤其適用于分析干涉系統(tǒng)，后者用于產(chǎn)涉圖表示，尤其適用于分析干涉系統(tǒng)，后者用于產(chǎn)生傅科刀口陰影圖生傅科刀口陰影圖. Miscellaneous(雜項雜項) 幾何像差的分析功能幾何像差的分析功能 有有Field Curvature/Distortion（細光束場（細光束場曲與畸變）、曲與畸變）、 Longitudinal A

15、berration（軸向球差）、（軸向球差）、 Lateral Color（垂軸色（垂軸色差）差） Field Curv/Distortion(細光束場曲與畸變細光束場曲與畸變) 之所以稱之為細光束場曲，是因為場曲曲線之所以稱之為細光束場曲，是因為場曲曲線沒有跟光束孔徑有關沒有跟光束孔徑有關 細光束場曲反映了不同視場點的細光束像點細光束場曲反映了不同視場點的細光束像點離開像面的位置變化，初級細光束場曲跟視離開像面的位置變化，初級細光束場曲跟視場的平方成正比，其對成像的影響，是使一場的平方成正比，其對成像的影響，是使一平面物體成一彎曲像面平面物體成一彎曲像面; 細光束像散反映了子午和弧矢細光束像

16、點細光束像散反映了子午和弧矢細光束像點（或子午與弧矢彎曲像面）的不重合而分開（或子午與弧矢彎曲像面）的不重合而分開的軸向距離的軸向距離. 畸變屬于主光線像差，反映物象的相似程度，畸變屬于主光線像差，反映物象的相似程度，如小于如小于1，則認為物象幾乎完全相似，則認為物象幾乎完全相似; 畸變的基本定義，是某一視場主波長時的主畸變的基本定義，是某一視場主波長時的主光線與像面交點離開理想像點的垂軸距離光線與像面交點離開理想像點的垂軸距離. 實際使用時，據(jù)鏡頭的功用還會衍生出其他實際使用時，據(jù)鏡頭的功用還會衍生出其他計算形式，主要有：（計算形式，主要有：（1）標準畸變，（）標準畸變，（2）F-Theta

17、畸變，（畸變，（3）校準）校準(calibrated)畸變畸變. Field Curv/Distortion(細光束場曲與畸變細光束場曲與畸變)Longitudinal Aberration(軸向球差軸向球差) 所有工作波長的軸向球差曲線，以所有工作波長的軸向球差曲線，以Primary波波長的像面為計算基準，即通常所說的球差曲長的像面為計算基準，即通常所說的球差曲線線; 球差一般用于評價軸上物點的成像質(zhì)量，如球差一般用于評價軸上物點的成像質(zhì)量，如果鏡頭系統(tǒng)具有大相對孔徑，那么球差是影果鏡頭系統(tǒng)具有大相對孔徑，那么球差是影響成像質(zhì)量的主要像差，且球差與光束孔徑響成像質(zhì)量的主要像差，且球差與光束孔

18、徑高之間的關系已不僅僅是二次函數(shù)關系（即高之間的關系已不僅僅是二次函數(shù)關系（即初級球差），還會存在高次方關系（指高級初級球差），還會存在高次方關系（指高級球差）球差）. 由球差曲線，可以看出單色球差值，高由球差曲線，可以看出單色球差值，高級球差數(shù)值，級球差數(shù)值，0.707孔徑軸向色差和色球孔徑軸向色差和色球差數(shù)值差數(shù)值; Primary波長球差曲線在波長球差曲線在0孔徑時的球差孔徑時的球差值，表示鏡頭系統(tǒng)的像面與高斯像面之值，表示鏡頭系統(tǒng)的像面與高斯像面之間有無離焦量間有無離焦量.Longitudinal Aberration(軸向球差軸向球差)垂軸色差垂軸色差(Lateral Color) 又稱倍率色差，是主光線的像差又稱倍率色差，是主光線的像差 物方的一根復色主光線，因折射系統(tǒng)存在色物方的一根復色主光線，因折射系統(tǒng)存在色散，在像方出射時將變成多根光線，散，在像方出射時將變成多根光線，F(xiàn)光和光和C光在像面上的交點位置之差，稱為垂軸色差光在像面上的交點位置之差，稱為垂軸色差; 縱軸是歸一化視場，橫軸為垂軸色差數(shù)值，縱軸是歸一化視場，橫軸為垂軸色差數(shù)值，單位為單位為Microns，垂軸色差是一種只跟視場有，垂軸色差是一種只跟視場有關的像差，如果視場不大則呈現(xiàn)與視場的線關的