光学传递函数的测量和像质评价
引言
光学传递函数是表征光学系统对不同空间频率的目标函数的传递性能，是评价光学系统的指标之一。它将傅里叶变换这种数学工具引入应用光学领域，从而使像质评价有了数学依据。由此人们可以把物体成像看作光能量在像平面上的再分配，也可以把光学系统看成对空间频率的低通滤波器，并通过频谱分析对光学系统的成像质量进行评价。到现在为止，光学传递函数成为了像质评价的一种主要方法。
一、实验目的
了解光学镜头传递函数的基本测量原理，掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方法，学习抽样、平均和统计算法，熟悉光学软件的应用。
二、基本原理
光学系统在一定条件下可以近似看作线性空间中的不变系统，因此我们可以在空间频率域来讨论光学系统的响应特性。其基本的数学原理就是傅里叶变换和逆变换，即：
dxdy y x i y x )](2exp[,ηξπψηξψ+-=??）
（），（ （1） ηξηξπηξψψd d y x i y x )](2exp[),(),(+=?? （2）
式中),(ηξψ是),(y x ψ的傅里叶频谱，是物体所包含的空间频率),(ηξ的成分含量，低频成分表示缓慢变化的背景和大的轮廓，高频成分表示物体细节，积分范围是全空间或者是有光通过空间范围。
当物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表为
），（），（），（ηξηξψηξφH ?= （3）
式中），（ηξφ表示像的傅里叶频谱。），（ηξH 成为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制度传递函数（modulation transfer function, MTF ），相位部分则为相位传递函数（phase transfer function, PTF ）。显然，当H =1时，表示象和物完全一致，即成象过程完全保真，象包含了物的全部信息，没有失真,光学系统成完善象。由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及象差（包括设计中的余留象差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越差。要得到像的复振幅分布，只需要将像的傅里叶频谱作一次逆傅里叶变换即可。
在光学中，调制度定义为 min
max min max I I I I m +-= (4) 式中max I 、min I 表示光强的极大值和极小值。光学系统的调制传递函数可表为给定空间频率
下像和物的调制度之比：
）（ηξ,MTF = )
,(),(ηξηξo i m m 一般说来,MTF 越高，系统像越清晰，我们说光学传递函数往往就是指调制传递函数。调制传递函数随视场变化而变化，我们可以通过调制传递函数的各个不同值来评价光学系统的成像质量。
通过CCD 采集的图像，然后通过计算机软件进行处理，就可以得出MTF 值；采集不同的图像，得出的值不同。实际上由于光学系统的像不是完善像，给定空间频率下满幅调制的矩形光栅抽样得到的像不是矩形的，而是得到不同大小频率的统计直方图。直方图中的极大值与极小值之差就代表该给定频率下的MTF 值。（按照操做步骤作完后就可以看到直方图）测出高、中、低不同频率的MTF ，从而大体绘出被测光学系统的MTF 曲线。
三、仪器用具
光学平台、光源、可变光阑、透镜、滤光片、波形发生器、待测光学系统、CCD 、计算机终端（包括图像采集处理软件）
四、实验内容及操作步骤
一．光学系统的调试，光路图如下：
二．两种方法进行图像采集和处理：
操作方法一：
1：调节波形发生器，利用Hrj2d 对进行实时调节得到所需的采集图样，然后关闭Hrj2d
，1 2 3 4 5 6 7 8 9
图 1 光路图
1—光源 2—照明透镜 3—可变光阑 4—红色滤光片 5—减光片
6—照明透镜 7—波形发生器 8—待测光学系统 9—CCD 系统
打开MTF，点击功能表中的标定，点击工具栏上的黑框，并在黑色区域内选择恰当面积（注意鼠标选择的起始点应在面积选择框的左上角），点击Black，选择透过率为0时，在灰度中键入标定植，点击ADD；同样，点击白色方框，在白色区域内选择适当的面积，点击White，选择透过率为1时，键入标定植，点击ADD，标定结束。
2：在功能表中点击MTF，点横方框，在横向条纹区域选择适当面积，选择好后，点击“横向条纹”（此时可以可以得到关于灰度或者透过率的直方图）并观察黑白色彩对比，确定区域适当后，点击OK；点击竖方框，操作同上。
3：输入视场（通常在正入射时角度设置为0，否则应测出相应视场角），并在选定通道中选择相应滤光片的颜色（选红）。选择method1,点击计算，可得此条件下的2个MTF 值，计算出平均值。（选择method2,点击计算，同样得到此条件下的2个MTF值。
如MTF1（r），1表示是用方法1所测的值，r表示为红色滤光片。）
4：调节波形发生器，改变线数，按前述方法，得出至少3个不同空间频率下的MTF值。
5：作图，纵坐标为MTF值，横坐标为线数（空间频谱）。并作出分析。
说明：method1为两边缘透过率之差，为灰度的最大值-最小值；method2为两个累计数最大值对应的透过率之差，即灰度统计数最大值-最小值。
操作方法二：
1：点击Hrj2d，调节波形发生器至恰当位置(黑白横竖都出现)，选定位置后，按空格键选定图形。
2：在图像运算中点击线灰度测量，拉红线，使其跨越欲测的区域，双击红线，通过灰度的分布是否合理来确定所选位置时候合适（这一步可与光路的调节配合使用）。
3：点击局部存储，调节红色方框（取景框）在白色区域合适位置，双击红线方框内，保存文件（起名如bai.Prn）,同样方法获得横竖条纹区域和黑色区域的相应文件。注意的是，取景框的大小在取景时要保证一致，否则得不到计算结果。
4：点击MTF-new(要确保实验所得的4个文件与MTF-new文件在同一目录下，MTF-new文件在D：/Mcad/MTF-new),在MTF data processing下的1.data acqisition 中相应位置输入相应文件名（column为子午线，即为横线，即横条纹对应得文件），或查找MTF在任何位置，在获得的文件名如bai.Prn前面加上路径名也行，或在MTF-new1下（此文件已添好路径名，寻找文件的方式：开始—程序—Mathsoft APPs —Mathcad 2001 professional—MTF-new）即可得到相关MTF数据（分别是弧矢方向和子午方向）。
5：更换线数，重复前步骤，得到至少3个不同空间频率下的6个MTF值，记录数据，同时观察直方图，并进行分析。
6：实验完毕后，将自己的4个文件确认后删除。
说明：MTF Data Processing 各个部分意义见程序右侧文字解说。例如Data acqisition 中，M 、N 比表示数块长与宽（ccd像素数），data_column表示子午光栅像的抽样数据，data_row 表示弧矢光栅像的抽样数据，等等。
五、数据记录和处理：
记录各个MTF值，得出MTF曲线。
六、思考题：
1．按照要求用两种操作方法得出每组MTF值，做出MTF曲线。
2．方法一与方法二实验结果有无不同，为什么？试分析原因。
调制传递函数值MTF与哪些因素有关？
光学系统像差测量实验 RLE-ME01 实 验 讲 义 版本：2012 发布日期：2012年8月
前言 实际光学系统与理想光学系统成像的差异称为像差。光学系统成像的差异是《工程光学》课程重要章节，也是教学的难点章节，针对此知识点的教学实验产品匮乏。RealLight?开发的像差测量实验采用专门设计的像差镜头，像差现象清晰；涉及知识点紧贴像差理论的重点内容，是学生掌握像差理论的非常理想的教学实验系统。
目录 1．光学系统像差的计算机模拟 1.1.引言---------------------------------------------1 1.2.实验目的-----------------------------------------1 1.3.实验原理-----------------------------------------1 1.4.实验仪器-----------------------------------------4 1.5.实验步骤-----------------------------------------4 1.6.思考题-------------------------------------------5 2. 平行光管的调节使用及位置色差的测量 2.1.引言---------------------------------------------6 2.2.实验目的-----------------------------------------6 2.3.实验原理-----------------------------------------6 2.4.实验仪器-----------------------------------------7 2.5.实验步骤-----------------------------------------8 2.6.实验数据处理-------------------------------------9 2.7.思考题-------------------------------------------9 3. 星点法观测光学系统单色像差 3.1.引言---------------------------------------------10 3.2.实验目的-----------------------------------------10 3.3.实验原理-----------------------------------------10
传递函数的测量方法 一．测量原理 设输入激励为X （f ），系统（即受试的试件）检测点上的响应信号，即通过系统后在该响应 点的输出为Y (f )，则该系统的传递函数H (f )可以用下式表示： )() ()(f X f Y f H = 如果，设输入激励为X （f ）为常量k ，则该系统的传递函数H (f )可以用下式表示： )()(f kY f H = 也就是说，我们在检测点上测到的响应信号，就是该系统的传递函数。 二．测量方法 1. 将控制加速度传感器固定在振动台的工作台面上。注意：如果试件是通过夹具安装在振动台 的工作台面上，则控制加速度传感器应该安装在夹具与试件的连接点附近。如果试件与夹具的连 接是通过多个连接点固定，则应该选择主要连接点，或者采取多点控制的方法。 2. 将测量加速度传感器固定在选择的测量点（即响应点）上。 3. 试验采用正弦扫频方式，试验加速度选择1g ，扫频速率为0.5 Oct/min （或者更慢一些），试 验频率范围可以选择自己需要的频率范围。在试验中屏幕上显示的该激励曲线（也就是控制曲 线）应该是一条平直的曲线。这就保证对被测量试件来说是受到一个常量激励。 注意：在测量传递函数时，最好是采用线性扫频。因为，线性扫频是等速度扫频，这对于高频 段共振点的搜索比较好，能大大减少共振点的遗漏。而对于对数扫频来说，在低频段，扫频速 度比较慢；在高频段。扫频速度就比较快，这就有可能遗漏共振点。不少人之所以喜欢在测量 传递函数时采用对数扫频，是因为对于同样频率段的扫频来说，线性扫频要比对数扫频使用的 时间要多。 4. 通过控制仪，选择不同的颜色在屏幕上显示响应曲线。该响应曲线就是系统的频响曲线，在 这里也是该系统的传递函数曲线。注意：该控制仪可以在屏幕上同时显示好几条曲线。 三．其他方法 1. 测量原理 在闭环反馈控制时，为了保证控制点上被控制的物理量不变，当被控制的试件由于本身的 频率特性而将输入的激励信号放大时，从控制点上检测到的响应信号也将随着变大，也就是反馈 信号变大。由于，通常都是采取负反馈控制，那么，反馈信号与输入信号综合后再输入到系统中， 就会使控制点上的响应信号变小，而返回到原来的量级。 反过来，如果被控制的试件由于本身的频率特性而将输入的激励信号缩小时，从控制点上检 测到的响应信号也将随着变小，也就是反馈信号变小，那么，反馈信号与输入信号综合后再输入
实验四 光学传递函数测量和透镜像质评价 一. 实验目的 1. 了解光学镜头传递函数测量的基本原理； 2. 掌握传递函数测量和光学系统成像品质评价的近似方法 3. 学习抽样、平均和统计算法。 二. 主要仪器及设备 1. 导轨，滑块，调节支座，支杆，可调自定心透镜夹持器，干板夹； 2. 多用途三色LED 面光源； 3. 波形发生器，待测双凸透镜（Φ30，f120），待测双胶合透镜（Φ30，f90）； 4. CCD 及其稳压电源，CCD 光阑； 5. 图像采集卡及其与CCD 连线，微机及相应软件。 三. 实验原理 傅里叶光学证明了光学成像过程可以近似作为线形空间中的不变系统来处理，从而可以在频域中讨论光学系统的响应特性。任何二维物体ψo (x , y )都可以分解成一系列x 方向和y 方向的不同空间频率 (νx ,νy )简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加： 式中ψo (νx ,νy )为ψo (x , y )的傅里叶谱，它正是物体所包含的空间频 率(νx ,νy )的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。 当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表为 []) 1(,)(2exp ),(),(o o y x y x y x d d y x i Ψy x ννννπννψ+= ??∞∞-∞ ∞-) 2(),,(),(),(o i y x y x y x ΨH Ψνννννν?=
)4( , min max min max A A A A m + - = [] y x y x y x d d i Ψν ν η ν ξ ν π ν ν η ξ ψ) ( 2 exp ) , ( ) , ( i i + =?? ∞ ∞ - ∞ ∞ - 式中ψi(νx,νy)表示像的傅里叶谱。H(νx,νy)称为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制度传递函数（modulation transfer function, MTF），相位部分则为相位传递函数（phase transfer function, PTF）。显然，当H=1时，表示像和物完全一致，即成像过程完全保真，像包含了物的全部信息，没有失真,光学系统成完善像。 由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及像差（包括设计中的余留像差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越差。 对像的傅里叶谱ψi(νx,νy)再作一次逆变换，就得到像的复振幅分布： (3) 调制度m定义为 式中A max和A min分别表示光强的极大值和极小值。光学系统的调制传递函数可表为给定空间频率下像和物的调制度之比： 除零频以外，MTF的值永远小于1。MTF(νx,νy)表示在传递过程中调制度的变化，一般说MTF越高，系统的像越清晰。平时所说的光学传递函数往往是指调制度传递函数MTF。图1给出一个光学镜头的设计MTF 曲线，不同视场的MTF不相同。 在生产检验中，为了提高效率，通常采用如下近似处理： 图1.光学传递函数（不同曲线对应于不同视场） )5( , ) , ( ) , ( ) , ( MTF o i y x y x y x m m ν ν ν ν ν ν=
实验1 单透镜（a singlet） 实验目的开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spot diagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。 实验要求：设计一个F/4 的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7 玻璃 实验步骤：1 运行ZEMAX。ZEMAX 主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。 2 选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，在第一个“波长”行中输入486，，在第二行的波长列中输入587，后在第三行输入656。“权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS 点尺寸和STREHL 率。现在让所有的权为1.0，单击OK 保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。 3 设置这个孔径值，选择“系统”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入一个值：25。插入第四个面，只需移动光标到像平面（后一个面）的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT 键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。 4 现在我们将要输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“玻璃（Glass）”列，即在左边被标作STO 的面。输入“BK7”并敲回车键。移动光标到第1 面（我们刚才输入了BK7 的地方）的厚度列并输入“4”。 5 现在，我们需要为镜片输入每一面的曲率半径值。在第1 （STO）和2 面中分别输入这些值。符号约定为：如果曲率中心在镜片的右边为正，在左边为负。这些符号（+100，-100）会产生一个等凸的镜片。我们还需要在镜片焦点处设置像平面的位置，所以要输入一个100 的值，作为第 2 面的厚度。 6 先选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，再选择“光线像差（Ray Aberration）”。你将会看到光线特性曲线图在一个小窗口显示出来（如果看到任何出错信息，退回并确认是否所有你所输入的数据与所描述的是一致的）。光线特性曲线图如图所示。 7 在第2 面的厚度上双击，弹出SOLVE 对话框，它只简单地显示“固定（Fixed）”。在下拉框上单击，将SOLVE 类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”，然后单击OK。从光线特性曲线窗口菜单，单击“更新（Update）”（在窗口任何地方双击也可更新），其光线特性曲线图如图所示。
系统传递函数的测试方法 专业：通信工程 班级：010913 小组成员：陈娟01091312 陈欢01091264
摘要 随机信号在通信系统中有着重要的应用，信号处理技术及通信网络系统与计 算机网络的相互融合，都要求我们对研究分析电子系统受随机信号激励后的响应及测量方法有一个深入的了解。我们利用MATLAB仿真软件系统在数字信号处理 平台上进行系统仿真设计，并进行调试和数据分析，获得实验结果。 通信技术的广泛应用,也使其不得不面临各种环境的考验，本实验旨在通过matlab仿真产生理想高斯白噪声，利用互相关算法求取线性时不变系统的冲击响应，通过被测系统后的理想高斯白噪声信号与理想高斯白噪声信号进行互相关运算后产生一个信号a（t）。用matlab模拟低通滤波器和微分器，使a(t)通过该滤波器，获得线性系统单位冲击响应h(t)，分析该信号的均值、方差、相关函数、概率密度、频谱密度等数字特征。通过实验，可以了解matlab在系统仿真中的重要作用，并对电子系统受信号激励后的响应及测量方法有了一定的了解及认知。 关键词:互相关线性系统matlab
目录 一、实验目的 (4) 二、实验仪器 (4) 三、实验内容 (4) 四、实验步骤 (6) 高斯白噪声的导入 (6) 通过系统 (8) 通过被测系统后的信号与理想高斯白噪声进行互相关 (12) 通过低通滤波器得输出信号 (12) 五、计算x(t)、noise(t)、y(t)信号的均值（数学期望）、方差、相关函数、概率密度、频谱及功率谱密度等 (13) 1. noise(t)（白噪声） (13) 2. x(t) (15) 3. y(t) (17) 六、小结 (19) 七、参考文献 (19)
光学传递函数的测量和像质评价 引言 光学传递函数是表征光学系统对不同空间频率的目标函数的传递性能，是评价光学系统的指标之一。它将傅里叶变换这种数学工具引入应用光学领域，从而使像质评价有了数学依据。由此人们可以把物体成像看作光能量在像平面上的再分配，也可以把光学系统看成对空间频率的低通滤波器，并通过频谱分析对光学系统的成像质量进行评价。到现在为止，光学传递函数成为了像质评价的一种主要方法。 一、实验目的 了解光学镜头传递函数的基本测量原理，掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方法，学习抽样、平均和统计算法，熟悉光学软件的应用。 二、基本原理 光学系统在一定条件下可以近似看作线性空间中的不变系统，因此我们可以在空间频率域来讨论光学系统的响应特性。其基本的数学原理就是傅里叶变换和逆变换，即： dxdy y x i y x )](2exp[,ηξπψηξψ+-=??） （），（ （1） ηξηξπηξψψd d y x i y x )](2exp[),(),(+=?? （2） 式中),(ηξψ是),(y x ψ的傅里叶频谱，是物体所包含的空间频率),(ηξ的成分含量，低频成分表示缓慢变化的背景和大的轮廓，高频成分表示物体细节，积分范围是全空间或者是有光通过空间范围。 当物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表为 ），（），（），（ηξηξψηξφH ?= （3） 式中），（ηξφ表示像的傅里叶频谱。），（ηξH 成为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制度传递函数（modulation transfer function, MTF ），相位部分则为相位传递函数（phase transfer function, PTF ）。显然，当H =1时，表示象和物完全一致，即成象过程完全保真，象包含了物的全部信息，没有失真,光学系统成完善象。由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及象差（包括设计中的余留象差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越差。要得到像的复振幅分布，只需要将像的傅里叶频谱作一次逆傅里叶变换即可。 在光学中，调制度定义为 min max min max I I I I m +-= (4) 式中max I 、min I 表示光强的极大值和极小值。光学系统的调制传递函数可表为给定空间频率
第五节光学系统像差实验 一、引言 如果成像系统是理想光学系统 , 则同一物点发出的所有光线通过系统以后 , 应该聚焦在理想像面上的同一点 , 且高度同理想像高一致。但实际光学系统成像不可能完全符合理想 , 物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束 , 该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。 二、实验目的 掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象。 三、基本原理 光学系统所成实际像与理想像的差异称为像差，只有在近轴区且以单色光所 成像之像才是完善的（此时视场趋近于 0，孔径趋近于 0）。但实际的光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光束进行成像，故此时的像已不具备理想成像的条件及特性，即像并不完善。可见，像差是由球面本身的特性所决定的，即使透镜的折射率非常均匀，球面加工的非常完美，像差仍会存在。 几何像差主要有七种：球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差及倍率色差。前五种为单色像差，后二种为色差。 1.球差 轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差（ L ）。如图1-1所示。 图 1-1 轴上点球差 2．慧差 彗差是轴外像差之一，它体现的是轴外物点发出的宽光束经系统成像后的失对称情况，彗差既与孔径相关又与视场相关。若系统存在较大彗差，则将导致轴 外像点成为彗星状的弥散斑，影响轴外像点的清晰程度。如图1-2 所示。
图1-2 慧差 3.像散 像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光线的细光束经光学系统后，其子午焦线与弧矢焦线间的轴向距离表示： x ts x t x s 式中， x t , x s分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线会得到不同形状的 物至理想像面的距离，如图1-3 所示。 图1-3 像散 当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物点像。若光学系统对直线成像，由于像散的存在其成像质量与直线的方向有关。例如，若直线在子午面内其子午像是弥散的，而弧矢像是清晰的；若直线在弧矢面内，其弧矢像是弥散的而子午像是清晰的；若直线既不在子午面内也不在弧矢面内，则其子午像和弧矢像均不清晰，故而影响轴外像点的成像清晰度。 4.场曲 使垂直光轴的物平面成曲面像的象差称为场曲。如图1-4 所示。 子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的子午场曲；弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的弧矢场曲。而且即使像散消失了（即子午像面与弧矢像面相重合），则场曲依旧存在（像面是弯曲的）。 场曲是视场的函数，随着视场的变化而变化。当系统存在较大场曲时，就不
光学传递函数的测量和评价 引言 光学传递函数是表征光学系统对不同空间频率的目标函数的传递性能,是评价光学系统 的指标之一。它将傅里叶变换这种数学工具引入应用光学领域,从而使像质评价有了数学依据。由此人们可以把物体成像看作光能量在像平面上的再分配,也可以把光学系统看成对空间频率的低通滤波器,并通过频谱分析对光学系统的成像质量进行评价。到现在为止,光学传递函数成为了像质评价的一种主要方法。 一、实验目的 了解光学镜头传递函数的基本测量原理,掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方 法,学习抽样、平均和统计算法,熟悉光学软件的应用。 二、基本原理 光学系统在一定条件下可以近似看作线性空间中的不变系统,因此我们可以在空间频率域来讨论光学系统的响应特性。其基本的数学原理就是傅里叶变换和逆变换,即: dxdy y x i y x ](2exp[,ηξπψηξψ+-=?? (,( (1 ηξηξπηξψψd d y x i y x ](2exp[,(,(+=?? (2 式中,(ηξψ是,(y x ψ的傅里叶频谱,是物体所包含的空间频率,(ηξ的成分含量,低频成分表示缓慢变化的背景和大的轮廓,高频成分表示物体细节,积分范围是全空间或者是有光通过空间范围。
当物体经过光学系统后,各个不同频率的正弦信号发生两个变化:首先是调制度(或反 差度下降,其次是相位发生变化,这一综合过程可表为 ,(,(,(ηξηξψηξφH ?= (3 式中,(ηξφ表示像的傅里叶频谱。,(ηξH 成为光学传递函数,是一个复函数, 它的模为调制度传递函数(modulation transfer function, MTF ,相位部分则为相位传递函数(phase transfer function, PTF 。显然,当H =1时,表示象和物完全一致,即成象过程完全保真,象包含了物的全部信息,没有失真,光学系统成完善象。由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及象差(包括设计中的余留象差及加工、装调中的误差,信息在传递过程中不可避免要出现失真,总的来讲,空间频率越高,传递性能越差。要得到像的复振幅分布,只需要将像的傅里叶频谱作一次逆傅里叶变换即可。 在光学中,调制度定义为 min max min max I I I I m +-= (4 式中max I 、min I 表示光强的极大值和极小值。光学系统的调制传递函数可表为给定空间频率 下像和物的调制度之比: (ηξ,M TF = ,(,(ηξηξo i m m 一般说来,MTF 越高,系统像越清晰,我们说光学传递函数往往就是指调制传递函数。调制 传递函数随视场变化而变化,我们可以通过调制传递函数的各个不同值来评价光学系统的成 像质量。
文章编号!"##$%$&’#()##’*#$%##+,%#$ 光学传递函数测试仪的现状和发展趋势- 樊翔.倪旭翔 (浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心.浙江杭州’"##)/* 摘要!光学传递函数被公认为目前评价光学系统成像质量比较客观0有效的方法1给出光学传递函数的基本理论.介绍了目前国内外主要光学传递函数测试仪的数学模型0测试 原理0基本结构和主要性能.并阐述了今后光学传递函数测试仪的发展趋势1 关键词!光学传递函数2测试仪2现状2发展趋势 中图分类号!34/+文献标识码!5 67898:;9;<;=9<:>>8?8@A B C8:;;78:>A D E F G;89;H:IH:9;7=C8:; J5K L M N O P.KQ L R S T M N O P (U V W X UY Z[\]^_‘a b c d e^[f g h d^.i j h k_a d lm d_n h[e_^o.p a d l q j Z f’"##)/.U j_d a* r s9;7
c 2?解：由 n -得: v I =30 °有几何关系可得该店反射和折射的光线间的夹角为 6、若水面下 200mm 处有一发光点，我们在水面上能看到被该发光点照亮的范围 （圆直 径） 有多大？ 解：已知水的折射率为 1.333,。由全反射的知识知光从水中到空气中传播时临界角为： 1 Sin l m 半= =0.75，可得I m =48.59 ； tanl m =1.13389，由几何关系可得被该发光点照 n 1.333 光在水中的传播速度：V 水 3 1Q8(m/S) 2.25(m/s) 1.333 光在玻璃中的传播速度：v 玻璃 C 3 1 沁 1.818(m/s) 1.65 n 玻璃 5米的路灯（设为点光源）1.5米处，求其影子长度。 1 7 x 解：根据光的直线传播。设其影子长度为 X ,则有 可得x =0.773米 5 1.5 x 4.一针孔照相机对一物体于屏上形成一 60毫米高的像。若将屏拉远 70毫米。试求针孔到屏间的原始距离。 3?—高度为1.7米的人立于离高度为 50毫米，则像的高度为 解：根据光的直线传播，设针孔到屏间的原始距离为 X ，则有 卫_ 50 x 60 可得x =300 (毫米) x 5.有一光线以60 的入射角入射于■:'的磨光玻璃球的任一点上, 到球表面的另一点上，试求在该点反射和折射的光线间的夹角。 其折射光线继续传播 解：根据光的反射定律得反射角 I =60 °而有折射定律 n sin I nsin I 可得到折射角 90 °
亮的范围（圆直径）是2*200*1.13389=453.6（mm） 7、入射到折射率为；- ..「1二的等直角棱镜的一束会聚光束（见图1-3）,若要求在斜面上发生全反射，试求光束的最大孔径角--' 解：当会聚光入射到直角棱镜上时，对孔径角有一定的限制，超过这个限制，就不会发生全反射了。 1 由sinl m —,得临界角I m 41.26 n 得从直角边出射时，入射角i 180 l m 90 45 3.74 由折射定律■S匹丄，得U 5.68即2U 11.36 sinU n
实验八 数字式光学传递函数的测量和像质评价实验 1．实验目的 了解光学镜头传递函数测量的基本原理； 掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方法； 学习抽样、平均和统计算法。 2. 基本原理 光学传递函数（Optical transfer function, OTF ）表征光学系统对不同空间频率目标的传递性能，广泛用于对系统成像质量的评价。 傅里叶光学证明了光学成像过程可以近似作为线形空间中的不变系统来处理，从而可以在频域中讨论光学系统的响应特性。任何二维物体ψo (x , y )都可以分解成一系列x 方向和y 方向的不同空间频率(f x ,f y )简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加： o o (,)(,)exp 2(),(1)x y x y x y x y f f i f x f y df df ψπ∞∞ -∞-∞??= Φ+???? 式中Φo (f x ,f y )为ψo (x , y )的傅里叶谱，它正是物体所包含的空间频率(f x ,f y )的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。 当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表为 i o (,)(,)(,),(2)x y x y x y f f H f f f f Φ=?Φ 式中Φi (f x ,f y )表示像的傅里叶谱。H (f x ,f y )称为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制度传递函数（modulation transfer function, MTF ），相位部分则为相位传递函数（phase transfer function, PTF ）。显然，当H =1时，表示像和物完全一致，即成像过程完全保真，像包含了物的全部信息，没有失真,光学系统成完善像。 由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及像差（包括设计中的余留像差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越差。 对像的傅里叶谱Φi (f x ,f y )再作一次逆变换，就得到像的复振幅分布：
光学系统像差测量实验RLE-ME01 实 验 讲 义 版本：2012 发布日期：2012年8月
前言 实际光学系统与理想光学系统成像的差异称为像差。光学系统成像的差异是《工程光学》课程重要章节，也是教学的难点章节，针对此知识点的教学实验产品匮乏。RealLight?开发的像差测量实验采用专门设计的像差镜头，像差现象清晰；涉及知识点紧贴像差理论的重点内容，是学生掌握像差理论的非常理想的教学实验系统。
目录 1．光学系统像差的计算机模拟 1.1.引言---------------------------------------------1 1.2.实验目的-----------------------------------------1 1.3.实验原理-----------------------------------------1 1.4.实验仪器-----------------------------------------4 1.5.实验步骤-----------------------------------------4 1.6.思考题-------------------------------------------5 2. 平行光管的调节使用及位置色差的测量 2.1.引言---------------------------------------------6 2.2.实验目的-----------------------------------------6 2.3.实验原理-----------------------------------------6 2.4.实验仪器-----------------------------------------7 2.5.实验步骤-----------------------------------------8 2.6.实验数据处理-------------------------------------9 2.7.思考题-------------------------------------------9 3. 星点法观测光学系统单色像差
数字式光学传递函数的测量和像质评价实 验 实验讲义 大恒新纪元科技股份有限公司 版权所有不得翻印
) 4(,min max min max A A A A m +-=[]y x y x y x d d i Ψννηνξνπννηξψ)(2exp ),(),(i i +=??∞∞-∞∞-数字式光学传递函数的测量和像质评价实验 1.引言 光学传递函数（Optical transfer function, OTF ）表征光学系统对不同空间频率的目标的传递性能，广泛用于对系统成像质量的评价。 2．实验目的 了解光学镜头传递函数测量的基本原理，掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方法，学习抽样、平均和统计算法。 3. 基本原理 傅里叶光学证明了光学成像过程可以近似作为线形空间中的不变系统来处理，从而可以在频域中讨论光学系统的响应特性。任何二维物体ψo (x , y )都可以分解成一系列x 方向和y 方向的不同空间频率(νx ,νy )简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加： 式中ψo (νx ,νy )为ψo (x , y )的傅里叶谱，它正是物体所包含的空间频率(νx ,νy )的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。 当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表为 式中ψi (νx ,νy )表示像的傅里叶谱。H (νx ,νy )称为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制度传递函数（modulation transfer function, MTF ），相位部分则为相位传递函数（phase transfer function, PTF ）。显然，当H =1时，表示像和物完全一致，即成像过程完全保真，像包含了物的全部信息，没有失真,光学系统成完善像。 由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及像差（包括设计中的余留像差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越差。 对像的傅里叶谱ψi (νx ,νy )再作一次逆变换，就得到像的复振幅分布： (3) 调制度m 定义为 []) 1(,)(2exp ),(),(o o y x y x y x d d y x i Ψ y x ννννπννψ+=??∞∞-∞ ∞-) 2(),,(),(),(o i y x y x y x ΨH Ψνννννν?=
系统传递函数的测试方法 实验报告 系统传递函数的测试方法实验报告 摘要 本论文主要研究分析系统受随机信号激励后的响应及系统传递函数的测量方法，阐述实验原理并且分析，了解实验步骤、设计思路，并且使用MATLAB 编写相关程序，最后对实验进行仿真，对实验中出现的问题进行逐个击破。首先通过matlab仿真产生理想高斯白噪声，通过被测系统后的理想高斯白噪声信号与理想高斯白噪声信号进行互相关运算后产生一个信号a（t）。用matlab模拟低
通滤波器和微分器，使a(t)通过该滤波器，获得线性系统单位冲击响应h(t)，分析该信号的均值、方差、相关函数、概率密度、频谱密度等数字特征。 通过这次试验，我们了解随机信号自身的特性，包括均值、均方值、方差、相关函数、概率密度、频谱及功率谱密度等的概念和特性，以及系统传递函数的测量方法。掌握了一定matlab技巧，直观地看到了随机信号以及高斯白噪声的特点及信号的变换，并体会到matlab的便利与强大。加深了对随机信号的认识，对以后的学习大有帮助。 关键词:互相关函数低通滤波器带通滤波器微分器matlab 一、实验内容简介 目的：研究分析电子系统受随机信号激励后的响应及测量方法。了解随机信号的特性，包括均值、均方值、方差、相关函数、概率密度、频谱及功率谱密度等。熟悉常用的信号处理仿真软件平台：matlab仿真。 内容：根据选题的内容和要求查阅相关的文献资料，设计具体的实现程序流程；用matlab仿真；按设计指标测试电路；分析实验结果与理论设计的误差，根据随机信号的特征，分析误差信号对信号和系统的影响。 2.1实验原理 利用互相关算法可以求取线性时不变系统的冲击响应。通过被测系统后的理想高斯白噪声信号与理想高斯白噪声进行互相关运算，产生相应的输出通过一个低通滤波器，获得线性系统单位冲激响应h(t)。其原理框图如图4-1所示：
第七章典型光学系统及其像质评价 一、选择题 1、在用照相机拍摄景物时，要获得较大的景深，应该（） A、增大照相系统的入瞳直径 B.、将对准平面置于无穷远处 C、.选用长焦距镜头 D.、增大光圈数 2、对于照相系统，正确的陈述是（） A、焦距变大，可使像增大 B、光圈变大，可使像面照度增大 C、光圈变大，可使像面照度不均匀程度变大 D、相对孔径决定了照相系统的分辨率 3、照相系统的三个重要参数是（） A、视场角、分辨率和焦距 B、视场角、相对孔径和焦距 C、视场角、数值孔径和焦距 D、视场角、相对孔径和分辨率 4、拍摄人像艺术照，为突出主要人物，使背景模糊，应选用（） A、大焦距、小F数和小对准距离 B、大焦距、大F数和小对准距离 C、大焦距、大F数和大对准距离 D、小焦距、小F数和小对准距离 二、填空 1、人眼的物方焦距要比像方焦距（）；若某人的远点距离为眼后1m，则需要佩戴（）度的老花镜，其焦距为（）mm。 2、望远镜系统的光学结构特点是（）和（）。使用伽利略望远镜观察物体时，孔径光阑是（）,视场光阑是（）。由于该系统的入窗与物面不重合，所以观察大视场时一般存在（）现象。 3、摄影物镜的三个重要参数是（）、（）和（）。其中（）影响像面的照度和分辨率。对摄影系统而言，焦距越长，景深越（）；入瞳直径越大，景深越();拍摄距离越远，景深越（）。 4、在变焦距光学系统中，对像面移动进行补偿的方法主要有机械补偿法和（）两种。机械补偿法中，焦距的变化是通过（）来实现的，其变倍比为（）。 三、简答题 1、显微系统的组成和工作原理 2、摄影（照相）系统组成与成像原理
四、计算题 1、有一个显微镜系统，物镜的放大率为-25×，目镜的倍率为10×（均按薄透镜），物镜的共轭距为195mm。求; (1）系统的等效焦距和总倍率； (2）物体的位置； (3）物镜和目镜的焦距； (4）光学筒长； (5）物镜和目镜的间距； 2、一开普勒望远镜，物镜焦距f0ˊ=200mm，目镜焦距f eˊ=25mm,物方视场角2ω=80，渐晕系数K=50%，为了使目镜通光口径D=23.7mm，在物镜后焦面上放一场镜，试求： （1）场镜焦距； （2）若该场镜试平面在前的平凸薄透镜，折射率n=1.5，求其球面的曲率。
实验二 光学传递函数测量和透镜像质评价 一. 实验目的 1. 了解光学镜头传递函数测量的基本原理； 2. 掌握传递函数测量和光学系统成像品质评价的近似方法 3. 学习抽样、平均和统计算法。 二. 主要仪器及设备 1. 导轨，滑块，调节支座，支杆，可调自定心透镜夹持器，干板夹； 2. 多用途三色LED 面光源； 3. 波形发生器，待测双凸透镜（Φ30，f120），待测双胶合透镜（Φ30，f90）； 4. CCD 及其稳压电源，CCD 光阑； 5. 图像采集卡及其与CCD 连线，微机及相应软件。 三. 实验原理 光学传递函数（Optical transfer function, OTF ）表征光学系统对物体或图像中不同空间频率的信息成分的传递特性，广泛用于对光学成像系统成像质量的评价。 信息光学的理论分析表明光学成像过程可以近似作为线性空间平移不变系统来处理，从而可以在频域中讨论光学系统的响应特性。任何二维物体（或图像）都可以分解成一系列x 方向和y 方向的不同空间频率()简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加： ),(o o o y x f v u ,[,)(2exp ),(),(dudv vy ux i v u F y x f o o o o o o += ∫∫∞∞?∞ ∞ ?π] （1） 式中为的傅里叶谱，它正是物体所包含的空间频率()的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。 ),(v u F o ),(y x f o v u ,当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表示为 ),(),(),(v u F v u H v u F o i ×=， （2） 式中表示像的傅里叶谱。称为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制 ),(v u F i ),(v u H
几何光学.像差.光学设计部分习题详解 1.人眼的角膜可认为是一曲率半径r=7.8mm的折射球面，其后是n=4/3的液体。 如果看起来瞳孔在角膜后3.6mm处，且直径为4mm，求瞳孔的实际位置和直径。 2.在夹锐角的双平面镜系统前，可看见自己的两个像。当增大夹角时，二像互相靠拢。设人站在二平面镜交线前2m处时，正好见到自己脸孔的两个像互相接触，设脸的宽度为156mm，求此时二平面镜的夹角为多少？ 3、夹角为35度的双平面镜系统，当光线以多大的入射角入射于一平面镜时，其反射光线再经另一平面镜反射后，将沿原光路反向射出？ 4、有一双平面镜系统，光线以与其中的一个镜面平行入射，经两次反射后，出射光线与另一镜面平行，问二平面镜的夹角为多少？
5、一平面朝前的平凸透镜对垂直入射的平行光束会聚于透镜后480mm处。如此透镜凸面为镀铝的反射面，则使平行光束会聚于透镜前80mm处。求透镜的折射率和凸面的曲率半径（计算时透镜的厚度忽略不计）。解题关键：反射后还要经过平面折射 6、人眼可简化成一曲率半径为5.6mm的单个折射球面，其像方折射率为4/3，求远处对眼睛张角为1度的物体在视网膜上所成像的大小。 7、一个折反射系统，以任何方向入射并充满透镜的平行光束，经系统后，其出射的光束仍为充满透镜的平行光束，并且当物面与透镜重合时，其像面也与之重合。试问此折反射系统最简单的结构是怎样的。。 8、一块厚度为15mm的平凸透镜放在报纸上，当平面朝上时，报纸上文字的虚像在平面下10mm处。当凸面朝上时，像的放大率为β＝3。求透镜的折射率和凸面的曲率半径。
9、有一望远镜，其物镜由正、负分离的二个薄透镜组成，已知f1’=500mm, f2’=－400mm, d=300mm，求其焦距。若用此望远镜观察前方200m处的物体时，仅用第二个负透镜来调焦以使像仍位于物镜的原始焦平面位置上，问该镜组应向什么方向移动多少距离，此时物镜的焦距为多少？ 10、已知二薄光组组合，f’=1000，总长（第一光组到系统像方焦点的距离）L=700，总焦点位置lF’=400, 求组成该系统的二光组焦距及其间隔。
How to Measure Modulation Transfer Function https://www.doczj.com/doc/3218029945.html,/blog/?p=1294 How to Measure Modulation Transfer Function (1) In a simple wording, the modulation transfer function or MTF is a measure of the spatial resolution of an imaging component. The latter can be an image sensor, a lens, a mirror or the complete camera. In technical terms, the MTF is the magnitude of the optical transfer function, being the Fourier transform of the response to a point illumination. The MTF is not really the most easiest measurement that can be done on an imaging system. Various methods can be used to characterize the MTF, such as the “slit image”, the “knife edge”, the “laser-speckle technique” and “imag ing of sine-wave patterns”.It should be noted that all method listed, except the “laser-speckle technique, measure the MTF of the complete imaging system : all parts of the imaging system are included, such as lens, filters (if any present), cover glass and image sensor. Even the effect of the processing of the sensor’s signal can have an influence on the MTF, and will be include in the measurement. In this first MTF-blog the measurement of the modulation transfer function based on imaging with a sine-wave pattern will be discussed. It should be noted that in this case dedicated testcharts are used to measure the MTF, but the pattern on the chart should sinusoidally change between dark parts and light parts. In the case a square-wave pattern is used, not the MTF but the CTF (= Contrast Transfer Function) will be measured. And the values obtained for the CTF will be larger than the ones obtained for the MTF. The method described here is based on the work of Anke Neumann, written down in her MSc thesis “Verfahren zur Aufloesungsmessung digitaler Kameras”, June 2003.The basic idea is to use a single testchart with a co-called Siemens-star. An example of such a testchart is illustrated in Figure 1.