中的像质评价方法

时间：2022-02-12 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，ZEMAX软件已被广泛使用于全世界各个国家与地区的相关制造及研发单位。图中曲线纵坐标上对应的区间就是子午光束与弧矢光束在理想像平面上的最大弥散范围。曲线形状与像差数量之间的具体对应关系参看有关光学设计教材。点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。图14.40表示的是系统光程差曲线，图中三组曲线分别是三个视场的子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。

14.7　ZEMAX中的像质评价方法

ZEMAX是由Focus Software公司开发出的一套综合性的光学设计软件。它集成了光学系统的定义、设计、优化、分析、公差分析和文档整理等诸多功能。目前有SE（标准版）、XE（完整版）、EE（专业版）等版本。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。目前，ZEMAX软件已被广泛使用于全世界各个国家与地区的相关制造及研发单位。

图14.32　广角物镜外型结构图

本节主要结合相对孔径1/4、视场94度的1/6英寸CCD广角物镜设计参数（如表14.4和图14.32所示），介绍利用ZEMAX来表述和分析光学系统的成像质量。

根据表14.4定义的光学系统数据，利用ZEMAX提供的丰富的像质评价指标，如几何像差分析（如Longtudinal Aberration，Chromatic Focal Shift，Field Curvature/Distortion，Ray Fan，Lateral Color）、点列图分析（Spot Diagram）、波像差（Optical Path Difference，Wavefornt Function）、点扩散函数（PSF）、包围圆能量（Enclrcled Energy）、传递函数（MTF）等，可以进行像质的综合评价与分析。图14.33为ZEMAX中Analysis功能下拉菜单图，设计分析人员根据评价指标要求，选择相应的按钮，软件即自动进行分析计算。像质评价结果的形式多种多样，既有各种直观的图形表示方法，也有详细的数据报表。现将主要评价结果介绍如下。

表14.4　广角物镜结构参数

1）几何像差曲线

（1）球差曲线

在ZEMAX使用环境中，点击菜单栏中Anaysis按钮，弹出下拉菜单，点击Mscellaneous按钮，再弹出下级下拉菜单，选择点击菜单Longitudinal Aberration，即可出现如图14.34（a）所示球差曲线图。图14.34（a）中，球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差）。根据瑞利判据以及式（14.40）可知，广角物镜的焦深为0.037mm。图14.34（a）所示系统主要存在的球差为初级球差，球差公差大小为0.15mm，从图中可以算出系统最大剩余球差0.04mm，剩余球差非常小。另外不同色光之间的曲线分开程度也比较小，约0.0133mm，小于焦深值，说明位置色差也很小。在使用球差曲线图分析像质时，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统还存在很严重位置色差。

图14.33　ZEMAX中分析功能下拉菜单图

图14.34　轴向像差——球差分析

如要获得具体的球差数据，可点击图14.34（a）中Text按钮，即可获得如图14.34（b）所示的详细的球差数据报表。

后面所介绍的各种像质图像分析操作过程基本与上述过程相似，且这些分析除有图形表示外，大部分也具有数据报表输出功能，在后面介绍中对有关操作不再重复叙述，而只介绍相应的功能分析。

（2）焦点色位移

图14.35曲线表示的是系统工作波长范围内不同波长的色光近焦距位移。图中，横坐标表示焦点位移，纵坐标为不同色光的波长，整个图形以主波长的近轴焦点为参考基准。图下方显示最大焦点色位移范围为13.3μm，衍射极限范围为37.2μm，与图14.34结果一致。

（3）轴外细光束像差曲线

图14.36表示的是轴外细光束像差曲线，该图由两个曲线图构成，左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值。从图中可以看出系统的像散和场曲都在一倍焦深范围内，校正得较好；视场边缘畸变为－29.5％，对广角物镜来说还不算太大，能满足使用要求。

图14.35　焦点色位移

图14.36　轴外细光束像差曲线

（4）子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线

图14.37表示的是子午光束与弧矢光束的垂轴像差曲线，横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差，EY表示δy＇，EX表示δz＇。图14.37中有三组分别表示不同视场的像差曲线，每组曲线中左图为子午光束垂轴像差，右图为弧矢光束垂轴像差。子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线全面反映了子午光束与弧矢光束的成像质量。图中曲线纵坐标上对应的区间就是子午光束与弧矢光束在理想像平面上的最大弥散范围。图14.37中曲线的形状由轴外像差如场曲、轴外球差、慧差决定，曲线形状与像差数量的对应关系经常在校正像差过程中使用，因此图14.37又称为像差特征曲线，它全面地反映了系统的像差情况。曲线形状与像差数量之间的具体对应关系参看有关光学设计教材。

图14.37　子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线

（5）垂轴色差（倍率色差）

垂轴色差（倍率色差）曲线如图14.38所示，横坐标表示不同色光与参考色光像高的像差，纵坐标表示视场。图中两条AIRY表示的曲线为艾里斑范围，从图中可以看出系统的垂轴色差远小于艾里斑范围，垂轴色差已得较好的校正。

图14.38　垂轴色差（倍率色差）

图14.39　点列图

2）点列图

由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。图14.39中的三个图分别表示给定视场上不同光线与像面交点的分布情况。图中圆表示AIRY光斑大小，由于图下方给的数可以看出三个视场的RMSRADIUS（均方根半径值）均小于AIRY光斑半径，GEORADIUS（几何半径，最大半径）边缘视场偏大。主要原因可以从图14.37中得出，轴外视场边缘孔径的子午光束垂轴像差δy＇偏大，但是这部分光束在整个光斑中所占的能量极少，因此对成像清晰度影响不大。

使用点列图，要注意下方表格中的数值，值越小成像质量越好。另外根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等，有经验的设计者可以根据不同的情况采取相应的措施。

3）波像差

图14.40　光程差曲线

图14.41　波面三维图

图14.40表示的是系统光程差曲线，图中三组曲线分别是三个视场的子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。横坐标表示光束孔径大小，纵坐标表示光程差。下方表格的数据为纵坐标（光程差）的最大值，0.5个波长。图14.41为波面三维图，此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的峰谷值（PEAK TO VALLEY）大小为0.1114个波长。从上述图中可方便地看出系统波像差小于1/4波长。

4）点扩散函数和包围圆能量

图14.42表示了像面上点扩散函数的二维分布情况，并说明了点像的分布范围，图中矩形大小为16μm×16μm，斯特列尔比（STREHL RATIO）S.D=0.962＞0.8，系统成像质量比较好。图14.43为包围圆能量图，横坐标为圆半径，纵坐标为在对应圆范围内光能量占总光能的百分比，根据占总光能30％所对应的圆半径，即可分析得到系统的分辨率极限。