像质评价方法分析

像质评价方法分析光学系统的主要作用是把目标光线，按要求改变其传播方向，最终送入仪器接收器，而整个过程的主要目的是让我们得到目标光线的各种我们所需的信息，因此，成像质量的评价就反映了这个光学系统对目标信息的还原能力，譬如光学系统所成的像应该足够清晰,并且物像相似，变形要小。像质评价大致可分为检测阶段和设计阶段的评价,检测阶段的像质评价指标常用星点检测和分辨率检测来评价,设计阶段的像质评价指标常用几何像差,垂轴像差,波像差,光学传递函数,点列图,点扩散函数,包围圆能量等来评价。星点检验是观察点光源通过光学系统所得到的像斑形状。光学系统没有几何像差时，像斑为标准的艾里圆，有几何像差或离焦时，光强分散。分辨率法比较简单、方便、意义明确，能够用数量表示。但它只能表述细节能不能分辨的界限，对于较粗线条的成像质量，不能作出定量的评价。基于几何像差的概念，用米字形光阑模拟光线，测量除畸变、倍率色差外的其它五种几何像差。其优点是§测量结果可直接与光线追踪结果相比较。但它没考虑衍射，且测量工作量大。此外还有阴影法、干涉法，它们比较适用于非成像光学系统，对于成像光学系统主要用于测量轴上点成象质量，测量范围受限制。一．常见的像质评价方法由于课上及课件中我们对于分辨率法,瑞利判断等的推导，对原理都已经有了一定的了解，并且掌握了一些判定技巧，在这里就不再进行赘述。下面我们对常见的几种评价方式的优缺点分别进行简单的分析与概括：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优缺点缺点：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。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。4波差干涉检验4.1原理：通过对被检波面与已知波面所形成的干涉条纹的观察、测定,得出光学系统的波像差。4.2优缺点优点：干涉检验能定量,并且测试精度高,可测得λ/10的波像差.缺点：检测设备成本太高，而且反映不出系统的杂光情况。5光学传递函数评价成像质量前面所列举的几种像质评价方法的共同的缺点是没有一种方法能在设计和制造两个阶段都能用，而光学函数弥补了这一缺陷，它不仅用于控制光学自动设计过程像差校正和设计结果像质评价，还能用于光学镜头质量检验，光学系统总体设计和光学信息处理等方面。5.1传递函数定义若把光学系统看成是线性不变系统，那么物体经光学系统成像，可视为物体经光学系统传递后，其传递效果是频率不变的，但其对比度下降，相位要发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为零。这种对比度的降低和相位推移是随频率不同而不同的，其函数关系我们称为光学传递函数。5.2优点：客观可靠，能同时运用于小像差光学系统和大像差光学系统。5.3利用光学传函评价成像质量5.3．1用MTF曲线评价成像质量用光学传函评价系统成像质量，目前最常用的方式是给出若干视场用子午和弧矢振幅传函MTFt和MTFs曲线来代表成像质量。因为MTF表示多种不同频率z正弦强度分布函数经光学系统成像后其对比度的衰减程度，当某一频率对比度下降到0时，说明该频率光强分布已经无亮度变化，即该频率被截止。这是利用光学传函来评价光学系统像质主要方法。具体来说，MTF有以下用途：5.3.1.1确定不同对比度目标，经光学系统成像后，光学系统截止空间频率就是该系统分辨率极限，用不同接收器接收时能达到的对比度阈值相对应的分辨率为实际分辨率。据清华大学王民强教授的经验人为与接受其对比度阈值相对应目视系统MTF1≥0.05，电视摄录，照相摄影系统MTF2≥0.15；有些文献指出：MTF1≥0.03，MTF2≥0.01；还有些认为MTF1≥0.03,MTF2≥0.2。5.3.1.2判断不同设计方案的优势。5.3.1.3用来指导进一步校正像差的方向。5.3.2用特征频率传递函数值评价光学系统像质这是一种最简单，直观的像质评价方法。对一定用途的光学系统，为了简化有时也采用若干指定空间频率的MTF值来代表它的成像质量，特征频率。特征频率的选取，随仪器用途的不同而异。5.3.3用MTF曲线的积分值来评价成像质量从理论上可以证明，像差中心点亮度值等于MTF曲线所围的面积。MTF所围的面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，光学系统成像质量越好，图像越清晰。因此，在光学系统接收器截止频率范围内利用MTF曲线所围面积的大小来评价光学系统成像质量是非常有效的。二．利用传函对照相机像质评价实例我们下面引入照相机像质评价的经典实例，来具体说明一下利用传函对像质的评价方法：我们采用下面方法来测定系统的传函，从而来评价光学系统：图一1．球面镜2.卤素灯3.准直镜4．聚光镜5．目标狭缝10μm6.被测物镜7.平面镜8.平行光管：f=1600.D/f=1/109.CCD,2048线阵10.前置放大器11.示波器12.十二位A/D13.电脑14.显示器15.打印机图一所示的光路装置中，澳钨灯位于球面镜的曲率中心,光束经准直镜,聚光镜等组成的光学系统聚焦于狭缝上,这一被照明的狭缝经被测物镜,平行光管后成像于位于平行光管焦平面处的CCD上,CCD扫描接收这一信号,经先前置放大器放大后,一路在示波器上显示被采样的线扩散函数图形,用以监视调焦情况:另一路经A/D转换,把扫描采样的线扩散函数变成数字量以DMA方式存贮于计算机内存,由计算机对扫描所得的线扩散函数进行快速付里叶变换（FFT)运算,即可求出被测物镜的MTF和PTF值。结果可以由显示器和打印机输出。整个系统的传递函数如下：设所测线扩散函数为L(x),则所测OTF为L(x)的付里叶变换,即:xdxixLOTF22exp)(由于非相干系统的传递函数可表示为每个独立的系统传递函数的乘积则有MTFMTFMTFMTFslitCCDlen测镜头的传递函数为：MTFMTFMTFMTFslitCCDlen测式中：MTFlen：被测镜头的传递函数MTFCCD：CCD的传递函数MTFslit：狭缝的传递函数.MTF测：实测的整个系统传递函数。NnNcCCDcos1expsin:MTFNdcslit,,sinMTF2121-N021-N01-N02sin2cos1MTFhkkhkkkkNxxLNxxLxL测以上各式中△为CCD像元间距;d为狭缝宽度:为CCD电荷一次传输的损耗率。可见,只要我们确定线扩散函数,经付氏变换即可求得传递函数。通过对传递函数的比较我们就能得出物镜像质的好坏。