光學(xué)成像質(zhì)量評價

1. 理想成像和像差從幾何光學(xué)的角度看，光學(xué)系統(tǒng)只對被成像物體進行放大或縮小，物平面上的一點經(jīng)過透鏡的作用，變成像平面上的一點，稱為“點點成像”，或“理想成像”，像和物具有等同的清晰度，分辨率為無限高，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為理想光學(xué)系統(tǒng)。

圖1. 理想成像和衍射受限

像差和彌散圓：一個物點經(jīng)過實際成像鏡頭形成的像不再是點像，具有彌散，稱為“像差”。像差的主要原因為：

?鏡頭有限孔徑光欄（ F 數(shù)）限制，稱為“衍射受限”（diffraction-limited）;

?單色光照射，由設(shè)計、材料、加工、調(diào)試不完善形成的像差（單色光像差）；

?寬波段光波（多色光）照射形成的像差（色差）。

?在像差不太嚴重時，彌散斑近似為圓形，稱彌散圓。光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX給出彌散圓的半徑（ RRMS ：RMS radius）

圖.2 實際光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑

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

?從物面上任意一點發(fā)出的光波，攜帶著該物點的信息，本來是向著所有方向發(fā)射的，但成像鏡頭都有孔徑光欄，限制了物點發(fā)出的光束，只接收孔徑角2u 范圍內(nèi)的光束進入系統(tǒng)并傳遞，參與成像。超出該孔徑的光束通不過透鏡。

?從信息論的觀點看，有限孔徑形成信息的損失，光波在透鏡邊緣的衍射（又稱“繞射”）使波面邊緣發(fā)生畸變?？讖浇?u越小，信息的損失越大。

圖3. 衍射受限圖示

?一個設(shè)計、材料、加工、裝配調(diào)試都完美的鏡頭（無像差鏡頭），僅由于孔徑限制形成的像差稱“衍射受限”像差。其彌散斑半徑為：

其中n為折射率，F(xiàn)為F數(shù)，F(xiàn)=f/D ， D是入射孔徑大小， f為焦距，u為孔徑角，相關(guān)圖形稱艾里斑（Airy disk）。該系統(tǒng)稱為“衍射受限光學(xué)系統(tǒng)”，是實際光學(xué)系統(tǒng)的極限。

圖.4 艾里斑 ?我們注意到：即使設(shè)計加工都完美，透鏡仍然實現(xiàn)不了“點點成像”，物點的像是一個艾里斑（圖4）。 ?也正由于設(shè)計、材料、加工、裝配調(diào)試的誤差，實際鏡頭的彌散斑大于甚至遠大于艾里斑。只有精密顯微物鏡、望遠物鏡、高級光刻制版鏡頭中心視場（0視場）的彌散圓接近艾里斑。3. 彌散圓和像質(zhì)評價?彌散斑表示實際光學(xué)系統(tǒng)（像差光學(xué)系統(tǒng)）對于衍射受限系統(tǒng)的偏離，常用彌散斑來評價實際光學(xué)系統(tǒng)。 ?對彌散斑的要求是盡可能高的能量集中度，具體來講，要求： □RRMS 盡量?。?□彌散斑盡量接近圓（旋轉(zhuǎn)對稱），參見圖5。

圖5. CCD鏡頭不同視場的彌

?RRMS 、最小分辨長度、CCD/CMOS像素 □設(shè)為探測圖像的CCD/CMOS相機的像素尺寸，經(jīng)驗表明：

□在能量相對集中，彌散圓比較對稱的情況下，最小分辨長度（偏緊估計）

□相應(yīng)的傳遞函數(shù)為

□例如，當像素尺寸時，高性能鏡頭要求。中等性能鏡頭，相應(yīng)傳遞函數(shù)值為50/mm（每毫米50線對）。?

□不同視場的彌散圓大小一般不相同，應(yīng)分別考慮。例如圖5。

4. 影響成像質(zhì)量的因素 ?影響因素為：設(shè)計、材料、加工、裝配調(diào)試。 ?設(shè)計： □光學(xué)設(shè)計人員首先必須了解客戶提出的技術(shù)指標，主要為使用波段、焦距值、孔徑、視場、最近物距、放大率、景深、畸變、分辨率等。 □在實際使用過程中對一個光學(xué)系統(tǒng)的評價是非常廣泛的，不但要求它有理想的成像質(zhì)量，還需考慮體積、重量、外形、適應(yīng)性、牢固度、工藝性能、材料選用、造價等等。 □體積、重量等要求，有時直接地影響著實際使用價值。過分追求某一指標而忽略其它指標都是片面的。 □在滿足技術(shù)指標的前提下，要求盡可能簡單、元件數(shù)要盡量少，結(jié)構(gòu)要緊湊，采用膠合鏡，盡量使用常用玻璃。 □盡量采用已有的典型設(shè)計，或略作修改，例如CCD/CMOS鏡頭：雙膠合、三片式、天賽、雙高斯及其變形；顯微物鏡一般就是李斯特型、阿貝型等。一般不鼓勵創(chuàng)新。

圖5. 典型CCD/CMOS物鏡

圖6.典型顯微物鏡

□最好的設(shè)計指標，如果在工藝上，材料的物理、化學(xué)性能上無法保證，也無法批量生產(chǎn)。

□以上要求都不是絕對的，必要時可采用非球面、特種玻璃、大像差等特殊設(shè)計。

?加工：

□近年來，機加工設(shè)備自動化程度、加工水平普遍提高，加工達不到指標的情況不多。

□先進光學(xué)加工設(shè)備雖已使用，但仍有較多傳統(tǒng)老設(shè)備在使用。在一些小廠，和一些小批加工訂單，傳統(tǒng)工藝仍在大量使用，檢驗不嚴格。

□機加工的公差帶已提升1到2級，光學(xué)加工仍在沿用原來的公差帶。

□對鏡頭成像質(zhì)量影響，依次為：鏡框跳動、鏡片安裝傾斜、外 圓 直 徑 （外圓和鏡框的間隙）、透鏡中心偏（concentricity）、厚度、光圈、光潔度。

?裝配調(diào)試：

□裝配調(diào)試是鏡頭生產(chǎn)的最后一道工序，要求：

☆環(huán)境潔凈；

☆裝配工具工裝（旋轉(zhuǎn)臺、鏡片承載臺、小鏡片的吸盤、自動改錐、壓圈旋緊器）；

☆近代批量裝配的概念為：鏡片、鏡框公差恰當，原則上鏡頭不需調(diào)試，只需檢測；

☆裝配用膠軟硬恰到好處、不產(chǎn)生應(yīng)力。

□目前的問題為：

☆缺少合理的裝配工藝，缺乏裝配工藝工程師。

☆裝配的一致性較差；

☆鏡片松緊程度不一致，過松不能用，過緊產(chǎn)生應(yīng)力。

☆裝配用膠不一定合適；

☆潔凈度差距大。

□目前水平，基本上不能承擔偏振要求高的產(chǎn)品裝配，以及高分辨率鏡頭，例如：

☆偏振顯微鏡物鏡；

☆的CCD/CMOS物鏡；?

☆半導(dǎo)體檢測鏡頭（光刻、制版鏡頭）。

?材料：折射率、阿貝數(shù)偏差

□折射率誤差引起焦距相對誤差：

在折射率低的玻璃、鏡片數(shù)較多時這個問題相對突出。

5. 高品質(zhì)成像：

分辨率足夠高、反差適中、層次豐富、雜光少、彩色還原正確、畸變符合要求（一般≤5％，高性能≤1％）、畫面中各處照度均勻、畫面的“調(diào)子”軟硬恰當、景深夠用、景物質(zhì)感強，適合批量生產(chǎn)，就是高品質(zhì)的成像物鏡。