光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)方法

任何光學(xué)系統(tǒng)都是把目標(biāo)發(fā)出的光量?jī)?yōu)劣的評(píng)價(jià)問題。光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法分為兩個(gè)方面統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣。常用的評(píng)價(jià)方法有：幾何像差、波像差、瑞利判據(jù)、點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞學(xué)特性和成像質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面的要求進(jìn)展有關(guān)像差的計(jì)算與校正數(shù)。幾何像差及垂軸像差的曲線表示是具有簡(jiǎn)單幾何構(gòu)造的像散光束，在像面上形成一彌散斑，使得像變模糊光束位置、構(gòu)造間的差異以及像與物外形偏離相像的幾何參數(shù)稱為幾何像差。1〕球差曲線ZEMAX使用環(huán)境下，點(diǎn)擊菜單欄中Anaysis按鈕，彈出下拉菜單，點(diǎn)擊Mscellaneous按鈕，再?gòu)棾鱿录?jí)下拉菜單，選擇點(diǎn)擊菜單LongitudinalAberraion,3.1〔a〕所示球差曲線圖。圖3.1〔a〕中，球差曲線縱坐標(biāo)是孔徑，橫坐標(biāo)是球差〔色球差。點(diǎn)擊圖3.1〔a〕中的Text按鈕，即可獲得具體的球差數(shù)據(jù)報(bào)表，如圖3.1〔b〕所示。由圖可知此系曲線間的距離很大，說明系統(tǒng)存在很大的位置色差〔軸向色差。3.1〔a〕球差曲線圖3.1〔b〕球差數(shù)據(jù)報(bào)表2)焦點(diǎn)色位移ZEMAX使用環(huán)境下，點(diǎn)擊菜單欄中Anaysis按鈕，彈出下拉菜單，點(diǎn)擊MscellaneousChromaticFocalShift,3.2所示曲線3.23.2軸外細(xì)光束像差曲線ZEMAX使用環(huán)境下，點(diǎn)擊菜單欄中Anaysis按鈕，彈出下拉菜單，點(diǎn)擊Mscellaneous按鈕，再?gòu)棾鱿录?jí)下拉菜單，選擇點(diǎn)擊菜單FieldCurv/Dist,3.3所示軸外細(xì)光同色光，TS分別表示子午和弧矢量，一樣顏色的TS間的距離表示像散的大小，縱坐標(biāo)為視場(chǎng)。左圖橫坐標(biāo)是場(chǎng)曲，右圖是畸變的百分比值。3.3軸外細(xì)光束像差曲線子午光束與弧矢光束垂軸像差曲線ZEMAXAnaysisFans按鈕，再?gòu)棾鱿录?jí)下拉菜單，選擇點(diǎn)擊菜單RayAberration,3.4所示子午光束與弧矢EYy”，EX表示x”對(duì)應(yīng)的區(qū)間就是子午光束與弧矢光束在抱負(fù)像平面上的最大彌散范圍3.43.4〔a〕子午光束垂軸像

3.4〔b〕弧矢光束垂軸像差曲線垂軸色差〔倍率色差〕在ZEMAX使用環(huán)境下，點(diǎn)擊菜單欄中Anaysis按鈕，彈出下拉菜單，點(diǎn)擊Mscellaneous按鈕，再?gòu)棾鱿录?jí)下拉菜單，選擇點(diǎn)擊菜單LateralColor,3.5所示的垂軸色差〔倍率色差。圖中橫坐標(biāo)表示不同色光與參考色光像高的像差，縱坐標(biāo)表示視場(chǎng)。圖中兩條AIRY表示的曲線為艾里斑范圍，從圖中可以看出系統(tǒng)的垂軸色差小于艾里斑范圍，垂軸色差已經(jīng)得到較好的校正。3.5垂軸色差〔倍率色差〕成像質(zhì)量的波像差表示與瑞利〔Reyleigh〕判據(jù)抱負(fù)像點(diǎn)，它的波面為沒有缺陷的球面〔抱負(fù)波面；當(dāng)系統(tǒng)存在像差時(shí)，點(diǎn)像的波面就不3.6OPD〔OpticalPathDifference〕ZEMAX使用環(huán)境下，點(diǎn)擊菜單欄中Anaysis按鈕，彈出下拉菜單，點(diǎn)擊Fans按鈕，再?gòu)棾鱿录?jí)下拉OpticalPath,3.7所示的光程差曲線圖。或者直接點(diǎn)擊工Opd按鈕。3.6球差與波像差的關(guān)系3.7光程差曲線1879年瑞利提出/4時(shí)，則剩余像差對(duì)成像質(zhì)量沒有明顯的有害影響稱為瑞利判據(jù)。依據(jù)瑞利判據(jù)，由波像差≤λ/4的要求，可以得出相應(yīng)幾何像差的允許值，求高的小像差光學(xué)系統(tǒng)。中心點(diǎn)亮度瑞利判據(jù)是依據(jù)成像波面的變形程度來推斷成像質(zhì)量的統(tǒng)存在像差時(shí)其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時(shí)衍射斑的中心亮度之比來表示光學(xué)S.DS.D≥0.8這就是斯托列爾準(zhǔn)則。最大波像差為λ/4S.D0.8，這說明兩種評(píng)價(jià)成像質(zhì)量的方法是全都3.8表示了像面上點(diǎn)集中函數(shù)的二維分布狀況，并說明白點(diǎn)像的分布范圍，圖中的斯托列爾比S.D=0.961>0.8，系統(tǒng)成像質(zhì)量比較好。圖3.9標(biāo)為對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)光能量占總光能的百分比，依據(jù)占總光能30%所對(duì)應(yīng)的圓半徑，即可分析得ZEMAXAnaysis按鈕，彈出下拉菜單，PSF按鈕，再?gòu)棾鱿录?jí)下拉菜單，選擇點(diǎn)擊菜單HuygensPSF,3.8所示的EncircledEnergy,3.9。3.83.8點(diǎn)集中函數(shù)圖3.9包圍圓能量圖幾何點(diǎn)列圖的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法何像差的存在使得各條光線與像面的交點(diǎn)不再集中于同一點(diǎn)圍內(nèi)的彌散圖形。在ZEMAX使用環(huán)境下，點(diǎn)擊菜單欄中Anaysis按鈕，彈出下拉菜單，點(diǎn)擊SpotDiagrams3.10以衡量光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣。利用點(diǎn)列圖來評(píng)價(jià)成像質(zhì)量，必需計(jì)算大量光線的光路，點(diǎn)。點(diǎn)列圖中點(diǎn)的密度就代表了點(diǎn)像的光能亮分布。統(tǒng)。例如，照相物鏡設(shè)計(jì)時(shí)，將以集中30%以上的點(diǎn)或光線所構(gòu)成的圖形區(qū)域作為其實(shí)際有效的彌散斑，彌散斑直徑的倒數(shù)則為系統(tǒng)的區(qū)分率。光學(xué)傳遞函數(shù)進(jìn)展試制就能比較具體地了解光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際成像性能主要方法。常用的方式是給出假設(shè)干視場(chǎng)的子午MTFMTFZEMAX使用環(huán)AnaysisMTF3.11可以看出，當(dāng)空間頻率N=0MTF=1,隨著NMTF值時(shí)，MTF降為零，與此對(duì)應(yīng)的頻率稱為光學(xué)系統(tǒng)的截止頻率。一般來說，高頻傳遞函數(shù)反物體層次的傳遞力量。3.11MTF曲線圖傳遞函數(shù)曲線在光學(xué)設(shè)計(jì)中有以下用途1光學(xué)系統(tǒng)的截止空間頻率就是該系統(tǒng)的區(qū)分率極限2方向；3MTF像質(zhì)量，所指定的頻率稱為特征頻率。0.136時(shí)，該兩點(diǎn)仍能區(qū)分。假設(shè)目標(biāo)為高比照，即目標(biāo)光強(qiáng)分布比照度K=1，則調(diào)制傳遞函數(shù)因子MTF=0.136，在MTF曲線上，由MTF=