第六章 光学系统成像质量评价

07光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价是在光学系统设计或优化过程中非常重要的一个环节。

成像质量的好坏直接影响到光学系统的性能和性能表现。

在评价光学系统成像质量时，通常会考虑几个方面的因素，包括分辨率、畸变、色差、光照均匀性等。

下面将详细介绍如何评价这些因素，以及如何综合评价光学系统的成像质量。

1.分辨率分辨率是一种衡量光学系统成像质量的重要指标，它是指系统能够解析出多细小物体的能力。

分辨率通常用线对数幅度频率响应（MTF）来描述，MTF曲线可以反映系统对不同空间频率的细节信息的传递情况。

一般来说，MTF曲线的高频段越平坦，系统的分辨率就越高。

2.畸变畸变是另一个常见的成像质量评价指标，它通常分为径向畸变和切向畸变两种。

径向畸变使圆形物体在图像中呈现出畸变变形，而切向畸变则使直线在图像中呈现曲线形状。

畸变的存在会影响物体准确的形状和尺寸的表现，因此需要通过校正或减小畸变来提高成像质量。

3.色差色差是由于光线在透镜中经过不同波长的光线会有不同的弯曲程度而导致的，这会使不同波长的光线聚焦在不同的焦平面上。

色差会导致图像出现色散的现象，即物体的边缘会呈现出彩虹色的班驳状，影响成像质量的清晰度和色彩还原度。

4.光照均匀性光照均匀性是指光学系统对于入射光的均匀性程度。

如果系统的光照均匀性不够好，会导致图像中出现暗部或亮部突出的情况，从而影响整体的成像质量。

为了保证光照均匀性，需要对系统的光学元件和照明系统进行设计和校正。

综合评价光学系统的成像质量时，需要综合考虋上述因子，通过对各项指标的量化分析和实验测试，得出一个综合评价。

通常情况下，可以采用主观评价和客观评价相结合的方式，主观评价可以通过专业人员观察系统输出的图像，并根据其清晰度、色彩还原度和细节表现等方面给出评价。

客观评价则可以通过各种测试仪器测量系统的MTF曲线、畸变程度和色差情况，并将这些数据进行综合分析。

总的来说，光学系统的成像质量评价需要综合考虑多个因素，通过定量和定性的方式对系统的各项指标进行评价，从而找出系统存在的问题并提出改进方案，最终达到提高系统成像质量的目的。

mtf光学系统成像质量评估方法-回复MTF（Modulation Transfer Function）光学系统成像质量评估方法是一种广泛应用于光学系统性能评价的方法。

MTF描述了光学系统在不同空间频率上对图像细节的传输特性，通过分析MTF曲线可以评估光学系统的分辨力和成像质量。

在本文中，我们将逐步介绍MTF光学系统成像质量评估方法的基本原理、实验测量方法以及其在光学系统设计和优化中的应用。

一、MTF成像质量评估方法的基本原理MTF是一种用于描述光学系统对图像细节的传输特性的函数，其数学定义为输入图像的复杂振幅频谱与输出图像振幅频谱之比的绝对值。

在频域中，MTF可以表示为系统输出的振幅响应与输入振幅响应之比的幅度。

MTF的数值表示了光学系统对不同空间频率对比度的传输能力，也就是描述了光学系统对不同细节大小的图像细节的传输特性。

通常，MTF曲线的高频段表示系统的分辨力，即系统在传输高频细节时的能力；而低频段表示系统的图像对比度传输能力，即系统在传输低频细节时的能力。

二、MTF成像质量评估方法的实验测量方法为了评估光学系统的成像质量，我们可以通过以下步骤进行MTF测量：1. 准备测试样品：选择一系列具有不同空间频率的测试图像作为输入样品，这些图像可以包含线条、圆圈、方格等具有不同细节大小的特征。

2. 实验装置搭建：搭建用于测量MTF的实验装置，包括一个光源、光学系统和一个用于接收光学系统输出图像的传感器（如CCD或CMOS器件）。

3. 测量过程：将测试样品置于光源和传感器之间，并通过光学系统进行成像。

根据实验装置的要求，可以调整光源的强度和光学系统的参数（如焦距、孔径等）来控制实验条件。

4. 数据处理与分析：利用图像处理软件分析输出图像的频域信息，计算每个空间频率下的系统传输函数。

根据传输函数，计算相应的MTF曲线。

5. 统计与比较：通过比较不同光学系统的MTF曲线，我们可以评估光学系统的成像质量。

通常，MTF曲线越高且越接近理论上界，表示光学系统的成像质量越好。

现代光学设计作业一、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法，对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。

常用指标评价光学系统成像质量的方法：1.1 用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量：分辨力检测和星点检测星点检测：实际上每一个发光点物基元通过光学系统后，由于衍射和像差以及其他工艺瑕疵的影响，绝对地点对应点的成像是不存在的，因此卷记的结果是对原物强度分布起了平滑的作用，从而造成点物基元经系统成像后的失真，因此，采用点物基元描述成像的过程，其实是一个卷积成像过程，通过考察光学系统对一个点物基元的成像质量就可以了解和评价光学系统对任意物分布的成像质量，这就是星点检验的思想。

分辨力检测：所谓分辨力就是光学系统成像时所能分辨的最小间隔，它是衡量图像细节表现力的技术参数。

测量分辨力所获得的有关被测系统像质的信息量虽然不及星点检验多，发现像差和误差的灵敏度也不如星点检验高；但分辨力能确定的数值作为评价被测系统的像质综合性指标，并且不需要多少经验就能获得正确的分辨力值。

1.2 用于设计阶段的像质评价指标主要有几何像差、垂轴像差、波象差、光学传递函数、点阵图、点扩散函数、包围圆能量等。

任何一个实际光学系统的实际成像总与理想成像存在差异，实际成像不可能绝对地清晰和没有变形，这种成像差异就是所谓的像差。

下面对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。

1.2.1 几何像差主要分为两种：轴上点像差和轴外点像差。

（1）轴上点的像差又分为：轴上点的球差和轴上点的色差。

轴上点的球差：由物点A 发出与光轴夹角相等为在同一锥面上的光线对经系统以后，其出射光线同样位在一个锥面上，锥面顶点就是这些光线的聚焦点，而且必然位在光轴上。

光线与光轴的夹角不同聚焦点的位置发生改变。

也就是物点A 发出的光不再聚焦于同一点，我们称其为球差。

用不同孔径光线对理想像点'0A 的距离''''''0 1.000.8500.7A A A A A A ........表示。

科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON2008N O .12SC I ENCE &TEC HN OLO GY I NFO RM ATI O N学术论坛1瑞利判断和中心点亮度1.1瑞利判断定义：实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过4/λ时，此波面可看作是无缺陷的。

优点：便于实际应用缺点：不够严密。

适用范围：是一种较为严格的像质评价方法，适用于小像差光学系统。

1.2中心点亮度1)中心点亮度：光学系统存在像差时，其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比S.D 来表示光学系统的成像质量。

2)斯托列尔准则：当S.D ≥0.8，认为光学系统的成像质量是完善的。

3)适用范围：是一种高质量的像质评价标准，适用于小像差光学系统。

4)缺点：计算相当复杂，很少作为计算评价方法使用。

2分辨率分辨率反映光学系统分辨物体细节的能力，是一个很重要的指标参数，故也可用分辨率作为光学系统的成像质量评价方法。

2.1分辨率基本公式根据衍射理论，光学系统的最小分辨角为Δθ：Δθ=1.22λ/D对不同类型的光学系统，可由上式得到不同的表示形式。

2.2缺点1)只适用于大像差光学系统；2)与实际情况存在差异；3)存在伪分辨现象.故用分辨率来评价光学系统的成像质量也不是一种严格而可靠的评价方法。

2.3优点其指标单一，便于测量，在光学系统像质检测中得到广泛应用。

3点列图3.1点列图定义在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称为点列图。

3.2适用范围适用于大像差光学系统。

照相物镜的像质评价：利用集中30％以上的点或光线所构成的图形区域作为其实际有效的弥散斑，弥散斑直径的倒数为系统的分辨率。

3.3优缺点优点：简便易行，形象直观。

缺点：工作量非常大，只有利用计算机才能实现。

广东技术师范大学实训报告实验 （五） 项目名称：__光学系统的PSF 及MTF 评价_一、实验目的：1． 了解光学系统的PSF 及MTF 的基本物理概念。

2． 掌握利用干涉法测波差求PSF 及MTF 的基本方法。

3． 掌握光学系统的PSF 及MTF 的评价方法。

二、实验原理光学系统相对于理想物点的成像点的质量，可作为光学系统成像质量的评价指标。

实验中为便于形成理想物点，对一般光学系统，通常选择理想物点位于光轴上的无穷远处，即采用平行光入射被测光学系统的方法，这时所要考察的像方焦点的分布即为点扩散函数PSF 。

根据光学系统的傅里叶变换特性，点扩散函数PSF 可直接由波差计算得到ηξηξηξd d y x fDikikW C y x ASF )](2ex p[)],(ex p[),(+-=⎰⎰ （1） 式中，),(y x ASF 为点振幅分布函数，C 为常数，D 为光学系统的口径，f 为光学系统的焦距，ηξ,取单位圆中的规化坐标。

则点扩散函数为),(),(),(*y x ASF y x ASF y x PSF = （2）一般使PSF 规一化，即)0,0(),(),(PSF y x PSF y x PSF normal =（3）调制传递函数（MTF ）反映了光学系统对不同分辨率的物点在其相应的像点中对比度的下降情况。

可通过对点扩散函数进行傅里叶反变换求得。

⎰⎰+=dxdy vy ux i y x PSF v u OTF )](2exp[),(),(π （4） 式中，),(v u OTF 为光学传递函数。

规一化后的调制传递函数为)0,0(),(),(OTF v u OTF v u MTF =（5）学院： 光电工程学院 专业：班级：成绩：姓名：学号：组别：组员：实验地点： 实验楼202实验日期：指导教师签名：调制传递函数也用自相关方法从波差求得⎰⎰⎰⎰∑-++=ηξηξηξληλξσd d d d W fv fu W ik v u MTF )]},(),([ex p{),( （6）式中，σ表示两错开光瞳的重叠区，∑表示出瞳孔径范围。

第七章像质评价7.1 引言在前面中，我们讲述了光线计算和光学系统中的像差。

根据前面所学到的知识，基本上就可以进行光学仪器中的光路设计了，但设计的结果怎么样?质量如何?是否满足使用要求就不得而知了。

这就需要有一套评价光学系统质量优劣的方法和手段。

由光线追迹知道，由点目标发出的一束光线经过光学系统后，这些光线并不都相交于像面上一点。

如果我们选定某一点作为参考点，那么这些光线的交点与参考点的偏差就是像差。

我们还可以这样说，从几何光学观点看，如果一个光学系统是理想的，那么光学系统对点目标所成的像也是一个点。

也就是说，目标点和所成的像点是一一对应的。

但是，由于绝大多数光学系统均有像差存在，这种一一对应的关系就被破坏了，点目标所成的像不再是一个点，而是有一定几何尺寸的弥散斑。

实际上，点目标的像是成像光线在像面上交点的集合。

从物理光学观点看，即使光学系统是没有任何像差的理想光学系统，那么一个点目标通过该系统所成的像也不是一个点像，而是和光学系统口径有直接关系的、具有一定尺寸的衍射图样。

如果光学系统的通光孔径是圆形的，那么点目标的衍射图样便是以中心亮盘为中心，周围环绕以亮度逐渐减弱的、明暗交替的环，其形状便是著名“爱里斑”。

由上面的分析知道，光学系统对点目标所成的像并非一个“点”，而是具有一定几何尺寸的弥散斑。

弥散斑的尺寸取决丁光学系统的通光口径、波长和光学系统的像差。

我们可以把目标看做是由大量的点元组成的集合体。

目标中的每一个点通过光学系统成像后均为一个弥散斑，这些弥散斑的集合就构成了目标的图像。

因此，详细讨论点目标(包括轴上点和轴外点)的成像特件，并对其成像质量进行评价是十分有意义的。

我们现在面对的事实是：一个光学系统对点目标所成的像，即弥散斑的尺寸有多大，它是衍射效应占主导，还是几何像差占主导，多大尺寸的弥散斑是可以接受的，弥散斑内的能量是如何分布的，图像的对比度降低了多少，该系统的整体质量如何，这些问题集中起来就是像质评价要解决的主要内容。