2018光电成像器件原理与应用-光学系统和光学传递函数.ppt
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1、光电成像器件原理与应用光电成像器件原理与应用哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学理学院理学院光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三2(四四)光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光电成像器件原理与应用光电成像器件原理与应用光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三3第一节、光电成像光学系统功能及特点第一节、光电成像光学系统功能及特点第二节、成像光学系统特征参数第二节、成像光学系统特征参数第三节、光学传递函数像质评价第三节、光学传递函数像质评价第四节、典型的光
2、学系统第四节、典型的光学系统第四章第四章 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三4 图图31 微光成像系微光成像系统统示意示意图图 3.1 光电成像光学系统功能及特点光电成像光学系统功能及特点光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三5物镜的物镜的技术特点技术特点:倒像倒像。近贴微光管,输出的来自物镜像面的。近贴微光管,输出的来自物镜像面的景物倒像必须用光纤扭像器或光学透镜倒像景物倒像必须用光纤扭像器或光学透镜倒
3、像器,才能为目镜提供正立的输入图像。器,才能为目镜提供正立的输入图像。一、物镜系统的功能及特点一、物镜系统的功能及特点大的有效通光孔径和高透过率大的有效通光孔径和高透过率。低照度分辨。低照度分辨率率(视距视距)应与物镜的有效孔径和光透过率的平应与物镜的有效孔径和光透过率的平方根成正比。(提高信噪比)方根成正比。(提高信噪比)光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三6物镜的技术特点物镜的技术特点长的焦距长的焦距。在中等微光。在中等微光(10(102 21x)1x)照度下,照度下,有较高的空间极限分辨率有较高的空间极限分辨率(视
4、距视距)。光敏面尺寸比人眼入瞳光敏面尺寸比人眼入瞳(8)(8)大得多,要求大得多,要求物镜尽可能提供更物镜尽可能提供更均匀的像面照度均匀的像面照度分布。分布。在有效的空间频率域中(在有效的空间频率域中(低通滤波器低通滤波器),应),应有好的调制传递函数有好的调制传递函数(MTFMTF)特性。特性。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三7二、目镜系统功能及特点二、目镜系统功能及特点放大荧光屏输出图像的细节,弥补人眼空间分放大荧光屏输出图像的细节,弥补人眼空间分辨能力的不足。裸眼辨能力的不足。裸眼41p41pmmmm;微光管可
5、达;微光管可达3030601p601pmmmm;目镜;目镜8 8x x1515x x,提取更丰富的景物细节信息。,提取更丰富的景物细节信息。放大的放大的正像正像。大视场大视场、高高MTFMTF特性特性、高光能收集高光能收集效率效率和和低畸变低畸变等。等。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三83.23.2成像光学系统特征参数成像光学系统特征参数p像面照度像面照度E Ek k(1x)(1x)p仪器有效视场仪器有效视场FOV(FOV(o o)p仪器放大倍率仪器放大倍率(倍倍)p仪器分辨角仪器分辨角(rad)(rad)p像差像差
6、 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三9n对远距离目标对远距离目标式中:数物/物,T物为物镜透过率n对近距离对近距离式中:p像面照度像面照度E Ek k(1x)(1x)光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三10p仪器有效视场仪器有效视场FOV(FOV(o o)式中:dk为成像器件有效输入直径。视场角大,有利于捕获目标。要求探测器的面积大,噪声与探测器尺寸成正比,信噪比降低。p仪器放大倍率仪器放大倍率(倍倍)(角放大率)(角放大率)式中:为成像器件的电
7、子光学放大率。p仪器分辨角仪器分辨角(rad)(rad)式中:鉴别率(lpmm);W可分辨最小宽度;l观察距离。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三11p像差像差 “理想成像位置理想成像位置”系由单色、近轴成像规律决定。系由单色、近轴成像规律决定。研究像差的性质,估算像差的大小并设法校正研究像差的性质,估算像差的大小并设法校正和减小像差,是光学系统设计中一个极为重要的和减小像差,是光学系统设计中一个极为重要的问题。问题。像差像差单色像差单色像差 色差色差 球差球差彗差彗差像散像散场曲场曲畸变畸变不同波长成像的位置及大小都
8、有所不同。不同波长成像的位置及大小都有所不同。纵向色差纵向色差横向色差横向色差光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数球差球差:轴上点发出的同心光束经光学系统后,不再是同心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(光束,不同入射高度(孔径角孔径角)的光线将交光轴于不同位的光线将交光轴于不同位置,相对于理想像点有不同程度的偏离,这就是球差。正透置,相对于理想像点有不同程度的偏离,这就是球差。正透镜镜产生负球差;负透镜产生负球差;负透镜产生正球差;将正负透镜组产生正球差;将正负透镜组合,则有可能消除球差。合,则有可能消除球差。光
9、学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数彗差:轴外一点发出的宽光束通过一个消球差透镜的不同环带后仍不会聚于一点,在像面上呈现彗星形状的光斑,这就是“彗差”。分为子午彗差和弧矢彗差;经透镜边缘的光线所成的点像大于通过中间光线所成的像,只有主光线形成理想像点。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三14 若系统不存在彗差,则这三条光线的像方光线应该若系统不存在彗差,则这三条光线的像方光线应该相交于一点,但是如果存在彗差,则可能会不再相交共相交于一点,但是如果存在彗差,则可能会不再相交
10、共点,而是点,而是失去了对称性失去了对称性。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数彗差彗差小视场大孔径像差小视场大孔径像差光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数当轴外点以细光束成像时,没有彗差,由于子午面和弧矢面相对折射球面的位置不同,它们在球面上的截线曲率不等,子午像点和弧矢像点不重合,两者分开的轴向距离称为像散。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三17由于像散的存在,观察到的物点的像沿着光轴方向会有由于像散的存在,观察
11、到的物点的像沿着光轴方向会有不同的形状。不同的形状。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数场曲场曲物面为平面,折反射面为曲面物面为平面,折反射面为曲面场曲:像散必然引起像面弯曲。像散的大小随视场而变,即物面上离光轴不同距离的各点在成像时,像散值各不相同,一个平面物必然形成两个曲面像,即子午像面和弧矢像面。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数畸变畸变主光线的实际角放大率不等于主光线的实际角放大率不等于1畸变:主要是指主光线的像差。理想成像时,其垂轴放大率为常数。视场较大时,放大率随视场而变,不再
12、是常数,使像相对于物失去相似性,这种成像缺陷称为畸变。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数位置色差位置色差不同颜色的光在介质中不同颜色的光在介质中n不同不同色差:透镜对不同波长的光具有不同的折射率,导致入射复色平行光束被聚焦后,会有不同的焦点位置,称为色差。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数倍率色差倍率色差光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三223.3 光学传递函数像质评价光学传递函数像质评价 空间频率特性空间频率特
13、性 描述方法:描述方法:分辨率分辨率、调制传递函数调制传递函数。一、分辨力一、分辨力高对比度的高对比度的标准测试板标准测试板图案图案聚焦在像管的光阴极面上,用聚焦在像管的光阴极面上,用目视方法从荧光屏上每毫米尚目视方法从荧光屏上每毫米尚能分辨得开的黑白相间等宽矩能分辨得开的黑白相间等宽矩形条纹的对数,即形条纹的对数,即LPLPmmmm。10-3lx光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三23缺陷缺陷:p极限分辨力一样,成像质量可能有很大差异。极限分辨力一样,成像质量可能有很大差异。p极限分辨力模糊不清,难以分辨。极限分辨力模
14、糊不清,难以分辨。p以目测为手段,受主观因素的限制。以目测为手段,受主观因素的限制。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三24二、光学传递函数像质评价二、光学传递函数像质评价p评价像质的几个有关问题评价像质的几个有关问题pOTFOTF和和MTFMTFp串联系统的光学传递函数串联系统的光学传递函数 p调制传递函数的测试原理调制传递函数的测试原理 p调制传递函数的解析表达(调制传递函数的解析表达(经验公式经验公式)p传递函数在像质评价上的意义传递函数在像质评价上的意义 p小结小结 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光
15、学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三25(1)(1)点扩展函数和线扩展函数点扩展函数和线扩展函数 物面点物面点(x,y),像面点,像面点(x,y),则弥散斑的光能分布,则弥散斑的光能分布函数函数h(x,y)称为称为点扩展函数。点扩展函数。p评价像质的几个有关问题评价像质的几个有关问题系统对点物的响应由系统对点物的响应由点扩展函数点扩展函数来描述来描述归一化条件归一化条件光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三26(2)(2)线性成像系统条件线性成像系统条件可叠加性可叠加性l迄迄今今我我们们看看到到
16、的的绝绝大大多多数数成成像像系系统统都都可可以以看看作作一一个个线线性性的的系系统统,光光从从样样品品到到像像面面的的过过程程在在数数学学上上可可以以用扰动与响应表示。用扰动与响应表示。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三27l成像元件满足成像元件满足“等晕等晕”成像条件。成像条件。l对于像质评价,像的大小、正倒是无关紧要的,总取对于像质评价,像的大小、正倒是无关紧要的,总取V V+1+1,可把物面和像面迭在一起对比。,可把物面和像面迭在一起对比。(3)(3)空间不变性空间不变性l共轭面上空间不变的区域称为共轭面上空间不
17、变的区域称为等晕区。等晕区。l透镜的傍轴区往往是等晕的。透镜的傍轴区往往是等晕的。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三28若物平面若物平面I(x)I(x),则像面的光强分布,则像面的光强分布 物理意义:物理意义:像面强度分布像面强度分布I(x)I(x)是各是各I(x)h(xI(x)h(xx)x)叠加。叠加。即物的像是线扩展函数对物函数的卷积即物的像是线扩展函数对物函数的卷积(4)(4)卷积成像原理卷积成像原理(5)(5)调制度调制度 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数
18、2024/5/1 周三29p OTFOTF和和MTFMTF 联系物和像频谱函数的函数关系称为联系物和像频谱函数的函数关系称为光学传递函数光学传递函数(Optical Transfer Function)。)。设物光中有一个空间频率为设物光中有一个空间频率为N N的谐波的谐波根据卷积成像原理根据卷积成像原理令令x-xx-x光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三30令 结论:结论:l物面上某一空间频率谐波经线性成像系统成像后,在像面物面上某一空间频率谐波经线性成像系统成像后,在像面上仍为同一空间频率的谐波,平均强度相同。上仍为
19、同一空间频率的谐波,平均强度相同。l交交变变部部分分振振幅幅b,经经过过光光学学系系统统后后,像像的的振振幅幅被被调调制制减小为减小为bM(N);位相由;位相由0偏移到偏移到。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三31 M(N)调制传递函数调制传递函数 MTF(Modulation Transfer Function)位相传递函数位相传递函数 PTF(Phase Transfer Function)H(N)M(N)e-i(N)H(N)被称为被称为光学传递函数光学传递函数OTF(Optical Transfer Functi
20、on)从数学上讲,从数学上讲,OTFOTF是光学系统线扩展函数是光学系统线扩展函数h(h()的归一化的归一化后的傅里叶变换后的傅里叶变换光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三32光学传递函数(光学传递函数(OTF)由傅氏变换的卷积定理:由傅氏变换的卷积定理:定义定义:若H(N)=1,则I(N)=I(N)表示光学系统对任意谐波成份是完全透明,并对各次谐波无相位上的位移,即理想光学系统。实际上H(N)永远小于1,是空间频率N的函数。MTFMTF的物理意义:的物理意义:光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传
21、递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三33 对于由几个独立的线性光学元件级联而成的线性成像系统,对于由几个独立的线性光学元件级联而成的线性成像系统,其光学传递函数如何?其光学传递函数如何?X0物面物面 X1一次像面一次像面 X2二次像面二次像面I0(x0)h1(x1-x0)h2(x2-x1)由卷积成像定理:由卷积成像定理:p串联系统的光学传递函数串联系统的光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三34对对I I2 2(x(x2 2)作傅氏变换:作傅氏变换:作数学上变换作数学上变换换积分次序换积分次序 光
22、学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三35串联系统串联系统n n级耦合的光学系统传递函数级耦合的光学系统传递函数结论:结论:(1 1)复合系统的调制传递函数)复合系统的调制传递函数M(N)M(N)是各独立系统是各独立系统M(N)M(N)之积之积(2 2)复合系统的位相传递因子)复合系统的位相传递因子(N)(N)是各独立系统是各独立系统(N)(N)之和之和 研究和改进光电成像系统研究和改进光电成像系统衬度传递特性衬度传递特性的重要依据的重要依据光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递
23、函数2024/5/1 周三36(1)调制度法)调制度法 调制传递函数就等于正弦(余弦)图案的调制度传递调制传递函数就等于正弦(余弦)图案的调制度传递函数,只要测出正弦图案的物和像的调制度,相除即可。函数,只要测出正弦图案的物和像的调制度,相除即可。p调制传递函数的测试原理调制传递函数的测试原理光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三37(2 2)光学模拟傅立叶变换法)光学模拟傅立叶变换法定义:定义:M(f)=Fh(x),对器件输入,对器件输入(x)物,对输出像函物,对输出像函数数h(x)进行傅立叶变换,其模就是进行傅立叶变换
24、,其模就是MTF。光学模拟傅氏变换法光学模拟傅氏变换法,就是将狭缝的像直接投射在不同,就是将狭缝的像直接投射在不同频率的正弦板上,作用相当于下式频率的正弦板上,作用相当于下式 测试时,使正弦板沿垂测试时,使正弦板沿垂直狭缝的方向扫描,并直狭缝的方向扫描,并将其透光量用光电倍增将其透光量用光电倍增管转换成电信号,以供管转换成电信号,以供记录或显示。记录或显示。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三38设狭缝亮度分布为设狭缝亮度分布为矩形函数矩形函数,即,即 b0b0,b0b0,入射狭缝为有限宽度时,像函数的傅立叶变换并不等于
25、入射狭缝为有限宽度时,像函数的傅立叶变换并不等于OTFOTF,应加修正因子。,应加修正因子。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三39(3 3)刀口响应法)刀口响应法 输入输入“物物”的亮度空间分布为的亮度空间分布为一阶跃波一阶跃波,像的亮度分布,像的亮度分布即即阶跃响应函数阶跃响应函数E(x)E(x)。(x)E(x)u看看E E(x)(x)曲线的陡度。曲线越陡,成像质量越高。曲线的陡度。曲线越陡,成像质量越高。uE E(x)(x)求求H(x),做傅立叶变换,得到,做傅立叶变换,得到OTF和和MTF。H(x)S(x)光学系
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