光学传递函数评价象质

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1、第一章绪论光学系统的成象评价一直是应用光学领域中众所瞩目的问题。所谓成象质量，主要是象与物之间在不考虑放大倍率的情况下强度和色度的空间分布一致性。人们设计、生产光学仪器总希望能正确的反映目标形状，能分辨所观察目标的结构。总之要求它们尽可能准确的反映物面上的光强分布。这就很自然的引出如何评价光学系统的成象质量的优劣问题。如何评价光学系统的象质及其检验是从事各类光学仪器的科研、生产必备的基础知识。经国内外光学专家的长期努力一致认为光学传递函数是一种评价光学系统成象的较为完善的方法。我国光学传递函数方面的工作起步较晚，在测试仪器和推广研究和应用方面跟不上国际科学技术发展水平。尽

2、管如此，多年来不少科研单位的光学工作者已作了大量研究和分析工作，取得了不少成果和经验。上世纪70年代起在应用光学传递函数测量与评价照相机、目视望远镜和办公用复印机等象质方面做了大量的研究和探讨工作，并于1984年自行研制成功了检验望远镜产品XCH-2型光学传递函数测量仪，在1992年又完成研制了红外内焦面光学传递函数测量仪。1982年起我国开始起草制订光学传递函数的国家行业标准，目前已同相应的国际标准一一匹配。另外，在国内的照相机行业中已采用光学传递函数来解决照相物镜设计中的计算以及象质评价中的测试，并取得了良好的成果。国外从上世纪70年代已开始把光学传递函数广泛的应用到

3、工业生产的测量中，如：英国国防部，军用装甲车辆研究院以及联邦德国和南非等国家都采用光学传递函数测量望远镜。一些工业发达国家，如：英国、联邦德国、美国和日本都相继制订了本国的光学传递函数标准。国际化标准组织光学和光学仪器标准化技术委员会（ISO/TC172）从1977年开始起草制订光学传递函数的国际标准。目前，已完成了光学传递函数的定义和关系、测量原理和程序、系列应用（35mm照相机可换镜头和办公复印机镜头以及望远镜）及测量精度等四大部分国际标准。近代光学理论的发展，证明了光学系统可以有效得看作一个空间频率的滤波器。而它的成象特征和象质评价则可以用物质之间的频谱之比来表示。

4、光学系统这个频率对比特性就是所谓的光学传递函数。空间滤波概念被引入光学系统后，导致了许多有益的尝试，并开始在频率寻找和探索评价光学传递函数概念的开发。本文从光学传递函数的基本概念入手，介绍了光学传递函数的测量原理及方法，并详细重点的探讨了光学传递函数评价象质的方法与应用以及它与传统象质评价方法的联系。第二章光学传递函数的基本概念2.1使用光学传递函数的前提条件使用光学传递函数的前提条件是成象系统应满足线性条件和空间不变性条件。2.1.1线性条件线性条件是指光学系统的物方图样(非相干光照明)与象面图样之间的光强度满足线性叠加的条件。满足线性条件的光学系统,其象面上任一点处的

5、光强度，等于物平面上各点的光强度在象平面处所形成光强度的叠加，如图2.1所示。图2.1光学系统成象1物平面2光学系统3象平面象的光强度分布为=(2.1)式中为物平面内物体光强度分布范围：为系统的脉冲响应函数，即光强度为单位值的物点经光学系统后，在象面上形成的光强度分布。若物面处物体范围外的光强度为零则上式可写为(2.2)可见,利用系统线性叠加的特性，可将物方图样分解为许多基元是已知的,则这些基元的象方图样的线性叠加便得总的象方图样，用点基元或余弦基元描述成象系统的物象关系的方法，分别称为点基元法和余弦基元法。2.1.2空间不变性条件系统满足空间不变性是指:物面任意位置处光

6、强度为单位值的物点，在象平面所形成的光强度分布是相同的，也就是说当物点沿物面移动时，仅仅改变点象在象面的空间坐标位置，而不改变点象分布函数的形式，这种系统称为空间不变性系统，其脉冲响应函数仅是象点的空间坐标位置差和的函数.即：（2.3）在讨论光学传递函数概念时，通常把物在象平面上成理想象的坐标位置坐标规划成与物平面上坐标一样(使垂轴放大率为1)，以消去横向放大率的影响，并将实际成象位置直接与这一理想位置比较，当成象系统满足空间不变性条件时，物象关系式(2.2)可改写为：（2.4）上式反映线性空间不变性系统的一个成象过程，即：象的光强度分布可表示为物面光强度分布与脉冲响应函

7、数的卷积。故脉冲响应函数完全决定了系统的成象质量、特性。光学系统的空间不变形条件又叫等晕条件，它要求物面上任意物点，在象面上都有相同的光强分布，即有相同的成象质量，只有当点象光强分布与物一样仍为函数时，物象间才严格的点对点的关系。实际光学系统，由于光瞳孔径的衍射，存在残余象差工艺缺陷等，点象光强分布不是函数，其卷积的结果是对远物光强分布的平滑作用，故造成系统成象的失真。实际上只是在象点附近较小范围内才满足空间不变性条件，即当光学系统轴上点满足正弦条件或轴外点满足余弦条件时，则在相应的轴上象点及轴外象点附近不大区域中，在象的光强