光学成像质量评价-电子发烧友网

1. 理想成像和像差从几何光学的角度看，光学系统只对被成像物体进行放大或缩小，物平面上的一点经过透镜的作用，变成像平面上的一点，称为“点点成像”，或“理想成像”，像和物具有等同的清晰度，分辨率为无限高，相应的系统称为理想光学系统。

图1. 理想成像和衍射受限

像差和弥散圆：一个物点经过实际成像镜头形成的像不再是点像，具有弥散，称为“像差”。像差的主要原因为：

▷镜头有限孔径光栏（ F 数）限制，称为“衍射受限”（diffraction-limited）;

▷单色光照射，由设计、材料、加工、调试不完善形成的像差（单色光像差）；

▷宽波段光波（多色光）照射形成的像差（色差）。

▷在像差不太严重时，弥散斑近似为圆形，称弥散圆。光学设计软件ZEMAX给出弥散圆的半径（ RRMS ：RMS radius）

图.2 实际光学系统的弥散斑

2. 衍射受限成像（diffraction limited imaging）

▷从物面上任意一点发出的光波，携带着该物点的信息，本来是向着所有方向发射的，但成像镜头都有孔径光栏，限制了物点发出的光束，只接收孔径角2u 范围内的光束进入系统并传递，参与成像。超出该孔径的光束通不过透镜。

▷从信息论的观点看，有限孔径形成信息的损失，光波在透镜边缘的衍射（又称“绕射”）使波面边缘发生畸变。孔径角2u越小，信息的损失越大。

图3. 衍射受限图示

▷一个设计、材料、加工、装配调试都完美的镜头（无像差镜头），仅由于孔径限制形成的像差称“衍射受限”像差。其弥散斑半径为：

其中n为折射率，F为F数，F=f/D ， D是入射孔径大小， f为焦距，u为孔径角，相关图形称艾里斑（Airy disk）。该系统称为“衍射受限光学系统”，是实际光学系统的极限。

图.4 艾里斑 ▷我们注意到：即使设计加工都完美，透镜仍然实现不了“点点成像”，物点的像是一个艾里斑（图4）。 ▷也正由于设计、材料、加工、装配调试的误差，实际镜头的弥散斑大于甚至远大于艾里斑。只有精密显微物镜、望远物镜、高级光刻制版镜头中心视场（0视场）的弥散圆接近艾里斑。3. 弥散圆和像质评价▷弥散斑表示实际光学系统（像差光学系统）对于衍射受限系统的偏离，常用弥散斑来评价实际光学系统。 ▷对弥散斑的要求是尽可能高的能量集中度，具体来讲，要求： □RRMS 尽量小； □弥散斑尽量接近圆（旋转对称），参见图5。

图5. CCD镜头不同视场的弥

▷RRMS 、最小分辨长度、CCD/CMOS像素 □设为探测图像的CCD/CMOS相机的像素尺寸，经验表明：

□在能量相对集中，弥散圆比较对称的情况下，最小分辨长度（偏紧估计）

□相应的传递函数为

□例如，当像素尺寸时，高性能镜头要求。中等性能镜头，相应传递函数值为50/mm（每毫米50线对）。

□不同视场的弥散圆大小一般不相同，应分别考虑。例如图5。

4. 影响成像质量的因素 ▷影响因素为：设计、材料、加工、装配调试。 ▷设计： □光学设计人员首先必须了解客户提出的技术指标，主要为使用波段、焦距值、孔径、视场、最近物距、放大率、景深、畸变、分辨率等。 □在实际使用过程中对一个光学系统的评价是非常广泛的，不但要求它有理想的成像质量，还需考虑体积、重量、外形、适应性、牢固度、工艺性能、材料选用、造价等等。 □体积、重量等要求，有时直接地影响着实际使用价值。过分追求某一指标而忽略其它指标都是片面的。 □在满足技术指标的前提下，要求尽可能简单、元件数要尽量少，结构要紧凑，采用胶合镜，尽量使用常用玻璃。 □尽量采用已有的典型设计，或略作修改，例如CCD/CMOS镜头：双胶合、三片式、天赛、双高斯及其变形；显微物镜一般就是李斯特型、阿贝型等。一般不鼓励创新。