光学与光电系统成像性能评测PPT讲稿.ppt

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1、光学与光电系统成像性能评测第1页，共75页，编辑于2022年，星期五3.1 3.1 光电系统成像性能评测基本理论光电系统成像性能评测基本理论 3.2 3.2 分辨率测量分辨率测量 3.3 3.3 光学传递函数测量光学传递函数测量 3.4 3.4 畸变测量畸变测量第第3 3章章 光学与光电系统成像性能评测光学与光电系统成像性能评测第2页，共75页，编辑于2022年，星期五 光学（或光电）成像系统的成像性能，即成像质量问题，光学（或光电）成像系统的成像性能，即成像质量问题，光学（或光电）成像系统的成像性能，即成像质量问题，光学（或光电）成像系统的成像性能，即成像质量问题，是光学测量所关注并要研究和

2、解决的重要问题。在成像用的是光学测量所关注并要研究和解决的重要问题。在成像用的是光学测量所关注并要研究和解决的重要问题。在成像用的是光学测量所关注并要研究和解决的重要问题。在成像用的光学（或光电）系统的设计、制造和使用中，十分关注该系光学（或光电）系统的设计、制造和使用中，十分关注该系光学（或光电）系统的设计、制造和使用中，十分关注该系光学（或光电）系统的设计、制造和使用中，十分关注该系统的成像性能，如何有效地检测出系统的成像质量，则是评统的成像性能，如何有效地检测出系统的成像质量，则是评统的成像性能，如何有效地检测出系统的成像质量，则是评统的成像性能，如何有效地检测出系统的成像质量，则是评价

3、一个成像光学系统性能优劣的前提。随着成像系统朝着红价一个成像光学系统性能优劣的前提。随着成像系统朝着红价一个成像光学系统性能优劣的前提。随着成像系统朝着红价一个成像光学系统性能优劣的前提。随着成像系统朝着红外和紫外波段延伸，多种新型光电成像器件的涌现，对成像外和紫外波段延伸，多种新型光电成像器件的涌现，对成像外和紫外波段延伸，多种新型光电成像器件的涌现，对成像外和紫外波段延伸，多种新型光电成像器件的涌现，对成像系统的评测从纯光学系统向复杂光电系统方向发展，也对光系统的评测从纯光学系统向复杂光电系统方向发展，也对光系统的评测从纯光学系统向复杂光电系统方向发展，也对光系统的评测从纯光学系统向复杂光

4、电系统方向发展，也对光学（或光电）系统成像问题提出了新的课题。学（或光电）系统成像问题提出了新的课题。学（或光电）系统成像问题提出了新的课题。学（或光电）系统成像问题提出了新的课题。光学系统成像性能的要求有两个方面：第一方面是光学系统成像性能的要求有两个方面：第一方面是光学系统成像性能的要求有两个方面：第一方面是光学系统成像性能的要求有两个方面：第一方面是光学特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、光学特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、光学特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、光学特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等；第二方面是成像质量，光学系统所

5、成的像入瞳距离等；第二方面是成像质量，光学系统所成的像入瞳距离等；第二方面是成像质量，光学系统所成的像入瞳距离等；第二方面是成像质量，光学系统所成的像应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。第3页，共75页，编辑于2022年，星期五 图图3-1影响图像质量的因素影响图像质量的因素第4页，共75页，编辑于2022年，星期五 从物理光学或波动光学角度出发，人们推导出波从物理光学或波动光学角度出发，人们推导出波从物理光学或波动光学角度出发，人们推导出波从物理光学或波动光学角度出发，人们推导

6、出波像差和传递函数等像质评价指标；从几何光学角度出像差和传递函数等像质评价指标；从几何光学角度出像差和传递函数等像质评价指标；从几何光学角度出像差和传递函数等像质评价指标；从几何光学角度出发，人们推导出几何像差等像质评价指标。发，人们推导出几何像差等像质评价指标。发，人们推导出几何像差等像质评价指标。发，人们推导出几何像差等像质评价指标。用于成像质量评价的指标有几何像差、波像差、点列用于成像质量评价的指标有几何像差、波像差、点列用于成像质量评价的指标有几何像差、波像差、点列用于成像质量评价的指标有几何像差、波像差、点列图、分辨率、星点检验和光学传递函数。几何像差、波像图、分辨率、星点检验和光学

7、传递函数。几何像差、波像图、分辨率、星点检验和光学传递函数。几何像差、波像图、分辨率、星点检验和光学传递函数。几何像差、波像差和点列图主要是在设计阶段用于评价系统的设计质量；差和点列图主要是在设计阶段用于评价系统的设计质量；差和点列图主要是在设计阶段用于评价系统的设计质量；差和点列图主要是在设计阶段用于评价系统的设计质量；分辨率和星点检验主要用于生产制造过程中检验产品的实分辨率和星点检验主要用于生产制造过程中检验产品的实分辨率和星点检验主要用于生产制造过程中检验产品的实分辨率和星点检验主要用于生产制造过程中检验产品的实际成像质量。光学传递函数则是对设计、制造和使用都适际成像质量。光学传递函数则

8、是对设计、制造和使用都适际成像质量。光学传递函数则是对设计、制造和使用都适际成像质量。光学传递函数则是对设计、制造和使用都适用的客观统一的成像质量评价标准。用的客观统一的成像质量评价标准。用的客观统一的成像质量评价标准。用的客观统一的成像质量评价标准。第5页，共75页，编辑于2022年，星期五 3.1 3.1 光电系统成像性能评测基本理论光电系统成像性能评测基本理论 3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 光电成像性能的研究方法概述光电成像性能的研究方法概述光电成像性能的研究方法概述光电成像性能的研究方法概述 如图如图如图如图3-23-23-23-2所示所示所示所示,光学（电）成像系统

9、光学（电）成像系统光学（电）成像系统光学（电）成像系统,可以把成像系统的功可以把成像系统的功可以把成像系统的功可以把成像系统的功能描述为能描述为能描述为能描述为,接收其输入物信息后接收其输入物信息后接收其输入物信息后接收其输入物信息后,将其转换为所需求的和感兴趣将其转换为所需求的和感兴趣将其转换为所需求的和感兴趣将其转换为所需求的和感兴趣的输出像信息。该输入物信息包括，如目标物的辐照度分布的输出像信息。该输入物信息包括，如目标物的辐照度分布的输出像信息。该输入物信息包括，如目标物的辐照度分布的输出像信息。该输入物信息包括，如目标物的辐照度分布及其频谱、色谱，时间响应特性，及其背景和传输介质等，

10、及其频谱、色谱，时间响应特性，及其背景和传输介质等，及其频谱、色谱，时间响应特性，及其背景和传输介质等，及其频谱、色谱，时间响应特性，及其背景和传输介质等，还包括其目标物的散射等特性。该输出像信息既包括输入物还包括其目标物的散射等特性。该输出像信息既包括输入物还包括其目标物的散射等特性。该输出像信息既包括输入物还包括其目标物的散射等特性。该输出像信息既包括输入物的相似性或一致性的信息，也包括其它附加的或衍生的信息。的相似性或一致性的信息，也包括其它附加的或衍生的信息。的相似性或一致性的信息，也包括其它附加的或衍生的信息。的相似性或一致性的信息，也包括其它附加的或衍生的信息。输入输入物信息物信息

11、光学成像系统光学成像系统输出输出像信息像信息图图3-2 3-2 光学（电）成像系统的等效框图光学（电）成像系统的等效框图 第6页，共75页，编辑于2022年，星期五 一个光学（电）成像系统也可以描述为一种空间一个光学（电）成像系统也可以描述为一种空间一个光学（电）成像系统也可以描述为一种空间一个光学（电）成像系统也可以描述为一种空间/时间滤波器。对于一个静态的常规光学成像系统则可时间滤波器。对于一个静态的常规光学成像系统则可时间滤波器。对于一个静态的常规光学成像系统则可时间滤波器。对于一个静态的常规光学成像系统则可以描述为一个等效的空间低通滤波器。以描述为一个等效的空间低通滤波器。以描述为一个

12、等效的空间低通滤波器。以描述为一个等效的空间低通滤波器。图图3-3 3-3 光学成像系统等效于一种空间低通滤波器光学成像系统等效于一种空间低通滤波器 第7页，共75页，编辑于2022年，星期五 对于成像系统，撇开时间响应特性后，最主要关心对于成像系统，撇开时间响应特性后，最主要关心对于成像系统，撇开时间响应特性后，最主要关心对于成像系统，撇开时间响应特性后，最主要关心的是下列三个基本问题。的是下列三个基本问题。的是下列三个基本问题。的是下列三个基本问题。物与像的辐照度分布一致性问题物与像的辐照度分布一致性问题物与像的辐照度分布一致性问题物与像的辐照度分布一致性问题 所涉及的像质判据有光学传递函

13、数、畸变、分辨率、所涉及的像质判据有光学传递函数、畸变、分辨率、所涉及的像质判据有光学传递函数、畸变、分辨率、所涉及的像质判据有光学传递函数、畸变、分辨率、星点、波像差、灰阶和动态范围等等，统称为成像的失星点、波像差、灰阶和动态范围等等，统称为成像的失星点、波像差、灰阶和动态范围等等，统称为成像的失星点、波像差、灰阶和动态范围等等，统称为成像的失真度性能。真度性能。真度性能。真度性能。光度或辐射度性能的问题光度或辐射度性能的问题光度或辐射度性能的问题光度或辐射度性能的问题所涉及的像质数据有透射比、杂光、像面辐照度均所涉及的像质数据有透射比、杂光、像面辐照度均所涉及的像质数据有透射比、杂光、像面

14、辐照度均所涉及的像质数据有透射比、杂光、像面辐照度均匀性、信噪比等，统称为光度或辐射度性能。匀性、信噪比等，统称为光度或辐射度性能。匀性、信噪比等，统称为光度或辐射度性能。匀性、信噪比等，统称为光度或辐射度性能。色度性能的问题色度性能的问题色度性能的问题色度性能的问题 系统的颜色还原空间的色调、饱和度和明度等，统称为系统的颜色还原空间的色调、饱和度和明度等，统称为系统的颜色还原空间的色调、饱和度和明度等，统称为系统的颜色还原空间的色调、饱和度和明度等，统称为色度性能。色度性能。色度性能。色度性能。第8页，共75页，编辑于2022年，星期五 随着科学技术的迅猛发展，对于成像仪器的要求也在随着科学

15、技术的迅猛发展，对于成像仪器的要求也在随着科学技术的迅猛发展，对于成像仪器的要求也在随着科学技术的迅猛发展，对于成像仪器的要求也在某些性能要求和范围方面提升。尤其是新型光电成像系统某些性能要求和范围方面提升。尤其是新型光电成像系统某些性能要求和范围方面提升。尤其是新型光电成像系统某些性能要求和范围方面提升。尤其是新型光电成像系统与探测器件的应用，除要考虑包括光学系统的性能参数外，与探测器件的应用，除要考虑包括光学系统的性能参数外，与探测器件的应用，除要考虑包括光学系统的性能参数外，与探测器件的应用，除要考虑包括光学系统的性能参数外，还应研究诸如人眼、胶片、扩放照片、还应研究诸如人眼、胶片、扩放

16、照片、还应研究诸如人眼、胶片、扩放照片、还应研究诸如人眼、胶片、扩放照片、CCDCCDCCDCCD或或或或CMOSCMOSCMOSCMOS、液、液、液、液晶屏显示、荧光屏等光电转换的特性，及其与光学系统组晶屏显示、荧光屏等光电转换的特性，及其与光学系统组晶屏显示、荧光屏等光电转换的特性，及其与光学系统组晶屏显示、荧光屏等光电转换的特性，及其与光学系统组合后的总体性能。合后的总体性能。合后的总体性能。合后的总体性能。第9页，共75页，编辑于2022年，星期五 3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 光学像质的基本成像理论光学像质的基本成像理论光学像质的基本成像理论光学像质的基本成像理论

17、1 1、光的衍射成像理论及其计算光的衍射成像理论及其计算光的衍射成像理论及其计算光的衍射成像理论及其计算 常用的圆孔衍射受限光学系统，反映其三维辐照度常用的圆孔衍射受限光学系统，反映其三维辐照度常用的圆孔衍射受限光学系统，反映其三维辐照度常用的圆孔衍射受限光学系统，反映其三维辐照度分布的等强度线如图分布的等强度线如图分布的等强度线如图分布的等强度线如图3-43-43-43-4所示，图中横坐标采用归一化所示，图中横坐标采用归一化所示，图中横坐标采用归一化所示，图中横坐标采用归一化光轴单位，纵坐标采用归一化焦平面单位。其中，沿轴光轴单位，纵坐标采用归一化焦平面单位。其中，沿轴光轴单位，纵坐标采用归

18、一化焦平面单位。其中，沿轴光轴单位，纵坐标采用归一化焦平面单位。其中，沿轴上的归一化幅照度分布上的归一化幅照度分布上的归一化幅照度分布上的归一化幅照度分布,其公式为：其公式为：其公式为：其公式为：（3-13-1）其焦面上的归一化点像辐照度分布则是圆孔函数的其焦面上的归一化点像辐照度分布则是圆孔函数的其焦面上的归一化点像辐照度分布则是圆孔函数的其焦面上的归一化点像辐照度分布则是圆孔函数的傅里叶变换的模的平方，即艾里斑分布：傅里叶变换的模的平方，即艾里斑分布：傅里叶变换的模的平方，即艾里斑分布：傅里叶变换的模的平方，即艾里斑分布：（3-23-2）在实际工作中，常用艾里斑分布公式评估像斑尺寸、在实际

19、工作中，常用艾里斑分布公式评估像斑尺寸、在实际工作中，常用艾里斑分布公式评估像斑尺寸、在实际工作中，常用艾里斑分布公式评估像斑尺寸、分辨能力等。分辨能力等。分辨能力等。分辨能力等。第10页，共75页，编辑于2022年，星期五 图图3-4 3-4 圆孔衍射会聚球面波子午面上焦点附近的等强度线圆孔衍射会聚球面波子午面上焦点附近的等强度线 第11页，共75页，编辑于2022年，星期五 2 2、线性空间不变系统与空间卷积成像线性空间不变系统与空间卷积成像线性空间不变系统与空间卷积成像线性空间不变系统与空间卷积成像 空域的点扩散函数空域的点扩散函数空域的点扩散函数空域的点扩散函数 (1)(1)线性系统线

20、性系统线性系统线性系统满足线性条件的系统，其像平面上任一点处所形成满足线性条件的系统，其像平面上任一点处所形成满足线性条件的系统，其像平面上任一点处所形成满足线性条件的系统，其像平面上任一点处所形成的光强的光强的光强的光强 可以看成是物平面上每一点处的光强可以看成是物平面上每一点处的光强可以看成是物平面上每一点处的光强可以看成是物平面上每一点处的光强，在像平面处所形成的光强的线性叠加（如图，在像平面处所形成的光强的线性叠加（如图，在像平面处所形成的光强的线性叠加（如图，在像平面处所形成的光强的线性叠加（如图3-3-3-3-5 5 5 5）即：）即：）即：）即：(3-3)(3-3)对于非相干成像

21、光学系统，一般认为满足辐照度的线性叠对于非相干成像光学系统，一般认为满足辐照度的线性叠对于非相干成像光学系统，一般认为满足辐照度的线性叠对于非相干成像光学系统，一般认为满足辐照度的线性叠加条件。加条件。加条件。加条件。第12页，共75页，编辑于2022年，星期五 图图 3-53-53-53-5 光学系统成像光学系统成像第13页，共75页，编辑于2022年，星期五(2)(2)空间平移不变性空间平移不变性空间平移不变性空间平移不变性 空间平移不变性是指空间平移不变性是指空间平移不变性是指空间平移不变性是指:当一个物点在光学系统的物当一个物点在光学系统的物当一个物点在光学系统的物当一个物点在光学系统

22、的物平面上移动时，其像平面上只会发生所对应像点按一定平面上移动时，其像平面上只会发生所对应像点按一定平面上移动时，其像平面上只会发生所对应像点按一定平面上移动时，其像平面上只会发生所对应像点按一定比例的平移，而像点在平移过程中的辐照度分布则没有比例的平移，而像点在平移过程中的辐照度分布则没有比例的平移，而像点在平移过程中的辐照度分布则没有比例的平移，而像点在平移过程中的辐照度分布则没有发生变化。对于实际光学系统来说，不同物面位置或不发生变化。对于实际光学系统来说，不同物面位置或不发生变化。对于实际光学系统来说，不同物面位置或不发生变化。对于实际光学系统来说，不同物面位置或不同视场位置的物点，在

23、像平面上的辐照度分布总会有所同视场位置的物点，在像平面上的辐照度分布总会有所同视场位置的物点，在像平面上的辐照度分布总会有所同视场位置的物点，在像平面上的辐照度分布总会有所差别。但对经过良好消像差处理的光学系统，通常能将差别。但对经过良好消像差处理的光学系统，通常能将差别。但对经过良好消像差处理的光学系统，通常能将差别。但对经过良好消像差处理的光学系统，通常能将其分割为几个视场区域，在每个视场区域内，分别近似其分割为几个视场区域，在每个视场区域内，分别近似其分割为几个视场区域，在每个视场区域内，分别近似其分割为几个视场区域，在每个视场区域内，分别近似满足空间平移不变性条件，称满足空间平移不变性

24、条件满足空间平移不变性条件，称满足空间平移不变性条件满足空间平移不变性条件，称满足空间平移不变性条件满足空间平移不变性条件，称满足空间平移不变性条件的视场区域为该光学系统的的视场区域为该光学系统的的视场区域为该光学系统的的视场区域为该光学系统的等晕区等晕区等晕区等晕区。第14页，共75页，编辑于2022年，星期五(3)(3)空间卷积成像空间卷积成像空间卷积成像空间卷积成像 将物方图样分解为无穷多个独立的、具有不同辐照度的点将物方图样分解为无穷多个独立的、具有不同辐照度的点将物方图样分解为无穷多个独立的、具有不同辐照度的点将物方图样分解为无穷多个独立的、具有不同辐照度的点基元。这些点基元，可以理

25、解为一个个无限小的点光源，故用基元。这些点基元，可以理解为一个个无限小的点光源，故用基元。这些点基元，可以理解为一个个无限小的点光源，故用基元。这些点基元，可以理解为一个个无限小的点光源，故用单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数 来表示。这个过程可以用如下数学关系式来表示。这个过程可以用如下数学关系式来表示。这个过程可以用如下数学关系式来表示。这个过程可以用如下数学关系式描述：描述：描述：描述：(3-4)(3-4)在光学系统满足线性和空间不变性的条件下，像方图样在光学系统满足线性和空间不变性的条件下，像方图样在光学系统满足线性和空间不变性的条件下，像方图样在光学系统满足线性和空间不

26、变性的条件下，像方图样的辐照度分布可用如下的线性算子，即卷积形式来的辐照度分布可用如下的线性算子，即卷积形式来的辐照度分布可用如下的线性算子，即卷积形式来的辐照度分布可用如下的线性算子，即卷积形式来表示：表示：表示：表示：(3-5)(3-5)第15页，共75页，编辑于2022年，星期五 式式式式(3-5)(3-5)(3-5)(3-5)表示了线性空间不变性系统的成像过程。该式表示了线性空间不变性系统的成像过程。该式表示了线性空间不变性系统的成像过程。该式表示了线性空间不变性系统的成像过程。该式表明，将任意的物辐照度分布与该系统的点像分布作卷积就表明，将任意的物辐照度分布与该系统的点像分布作卷积就

27、表明，将任意的物辐照度分布与该系统的点像分布作卷积就表明，将任意的物辐照度分布与该系统的点像分布作卷积就可得到像的辐照度分布，点物基元的像分布完全决定了系统可得到像的辐照度分布，点物基元的像分布完全决定了系统可得到像的辐照度分布，点物基元的像分布完全决定了系统可得到像的辐照度分布，点物基元的像分布完全决定了系统的成像特性。只有当点物基元的像分布为的成像特性。只有当点物基元的像分布为的成像特性。只有当点物基元的像分布为的成像特性。只有当点物基元的像分布为 函数，才能严格函数，才能严格函数，才能严格函数，才能严格保证物像之间的点对应点的关系。但是，对于受限衍射保证物像之间的点对应点的关系。但是，对

28、于受限衍射保证物像之间的点对应点的关系。但是，对于受限衍射保证物像之间的点对应点的关系。但是，对于受限衍射的光学系统，每一个点物基元通过其焦面上的归一化点的光学系统，每一个点物基元通过其焦面上的归一化点的光学系统，每一个点物基元通过其焦面上的归一化点的光学系统，每一个点物基元通过其焦面上的归一化点像幅照度分布是艾里斑分布，而不是像幅照度分布是艾里斑分布，而不是像幅照度分布是艾里斑分布，而不是像幅照度分布是艾里斑分布，而不是 函数。加上残余函数。加上残余函数。加上残余函数。加上残余像差和工艺疵病等的影响，其点像分布要比艾里斑分布像差和工艺疵病等的影响，其点像分布要比艾里斑分布像差和工艺疵病等的影

29、响，其点像分布要比艾里斑分布像差和工艺疵病等的影响，其点像分布要比艾里斑分布弥散还要大。弥散还要大。弥散还要大。弥散还要大。因此，一个实际光学系统，其像分布是对其物分布经因此，一个实际光学系统，其像分布是对其物分布经因此，一个实际光学系统，其像分布是对其物分布经因此，一个实际光学系统，其像分布是对其物分布经点像分布的卷积，结果是对原物辐照度分布起了平滑作用，点像分布的卷积，结果是对原物辐照度分布起了平滑作用，点像分布的卷积，结果是对原物辐照度分布起了平滑作用，点像分布的卷积，结果是对原物辐照度分布起了平滑作用，从而造成点物基元经系统成像后的从而造成点物基元经系统成像后的从而造成点物基元经系统成

30、像后的从而造成点物基元经系统成像后的“失真失真失真失真”。第16页，共75页，编辑于2022年，星期五 总之，通过一个物方图样与点像分布的卷积就可得总之，通过一个物方图样与点像分布的卷积就可得总之，通过一个物方图样与点像分布的卷积就可得总之，通过一个物方图样与点像分布的卷积就可得到像方图样，这种从物空间点基元出发来描述光学成像到像方图样，这种从物空间点基元出发来描述光学成像到像方图样，这种从物空间点基元出发来描述光学成像到像方图样，这种从物空间点基元出发来描述光学成像系统的成像过程，其本质上是一个系统的成像过程，其本质上是一个系统的成像过程，其本质上是一个系统的成像过程，其本质上是一个“空间域

31、的卷积成像空间域的卷积成像空间域的卷积成像空间域的卷积成像”过程，该系统的成像基元就是点扩散函数。过程，该系统的成像基元就是点扩散函数。过程，该系统的成像基元就是点扩散函数。过程，该系统的成像基元就是点扩散函数。如何通过实验手段获取一个实际成像系统的点物基如何通过实验手段获取一个实际成像系统的点物基如何通过实验手段获取一个实际成像系统的点物基如何通过实验手段获取一个实际成像系统的点物基元的像分布，是完整描述和评价该系统成像性能的关键元的像分布，是完整描述和评价该系统成像性能的关键元的像分布，是完整描述和评价该系统成像性能的关键元的像分布，是完整描述和评价该系统成像性能的关键所在。所在。所在。所

32、在。第17页，共75页，编辑于2022年，星期五(4)(4)线性空间不变系统的测量保证线性空间不变系统的测量保证线性空间不变系统的测量保证线性空间不变系统的测量保证具体可采用的技术措施有如下三条。具体可采用的技术措施有如下三条。具体可采用的技术措施有如下三条。具体可采用的技术措施有如下三条。对有一定尺寸的目标物采用良好的非相干照明。对有一定尺寸的目标物采用良好的非相干照明。对有一定尺寸的目标物采用良好的非相干照明。对有一定尺寸的目标物采用良好的非相干照明。对测量仪器中采用的光电接收器件都有一个线性响应对测量仪器中采用的光电接收器件都有一个线性响应对测量仪器中采用的光电接收器件都有一个线性响应对

33、测量仪器中采用的光电接收器件都有一个线性响应的工作范围，超过此范围则其会产生显著的非线性。因此，的工作范围，超过此范围则其会产生显著的非线性。因此，的工作范围，超过此范围则其会产生显著的非线性。因此，的工作范围，超过此范围则其会产生显著的非线性。因此，要对其进行实际的标定测试后，保证其工作在良好的线性要对其进行实际的标定测试后，保证其工作在良好的线性要对其进行实际的标定测试后，保证其工作在良好的线性要对其进行实际的标定测试后，保证其工作在良好的线性响应区内，或者对响应信号进行非线性修正。响应区内，或者对响应信号进行非线性修正。响应区内，或者对响应信号进行非线性修正。响应区内，或者对响应信号进行

34、非线性修正。注意将测量仪器的目标物的限度尺寸限制在等晕区内注意将测量仪器的目标物的限度尺寸限制在等晕区内注意将测量仪器的目标物的限度尺寸限制在等晕区内注意将测量仪器的目标物的限度尺寸限制在等晕区内工作。工作。工作。工作。第18页，共75页，编辑于2022年，星期五 图图 3-6 3-6 线性空间不变性光学系统线性空间不变性光学系统第19页，共75页，编辑于2022年，星期五 3 3、线性空间低通滤波器与频域滤波成像、线性空间低通滤波器与频域滤波成像、线性空间低通滤波器与频域滤波成像、线性空间低通滤波器与频域滤波成像 频域的光学传递函数频域的光学传递函数频域的光学传递函数频域的光学传递函数 对于

35、线性空间不变的成像系统，像面上的分布是考虑对于线性空间不变的成像系统，像面上的分布是考虑对于线性空间不变的成像系统，像面上的分布是考虑对于线性空间不变的成像系统，像面上的分布是考虑了物象放大比例关系后的物面上辐照度分布与点像辐照度了物象放大比例关系后的物面上辐照度分布与点像辐照度了物象放大比例关系后的物面上辐照度分布与点像辐照度了物象放大比例关系后的物面上辐照度分布与点像辐照度分布的卷积。对于成像系统的整个像面分布的卷积。对于成像系统的整个像面分布的卷积。对于成像系统的整个像面分布的卷积。对于成像系统的整个像面,总可分为若干等总可分为若干等总可分为若干等总可分为若干等晕区晕区晕区晕区,在各个等

36、晕区内在各个等晕区内在各个等晕区内在各个等晕区内,有各自的点像辐照度分布有各自的点像辐照度分布有各自的点像辐照度分布有各自的点像辐照度分布,其像面上其像面上其像面上其像面上的点像辐照度分布与物面上辐照度分布是一个空域卷积成的点像辐照度分布与物面上辐照度分布是一个空域卷积成的点像辐照度分布与物面上辐照度分布是一个空域卷积成的点像辐照度分布与物面上辐照度分布是一个空域卷积成像的关系。由于卷积计算比较麻烦，如果把它用傅里叶积像的关系。由于卷积计算比较麻烦，如果把它用傅里叶积像的关系。由于卷积计算比较麻烦，如果把它用傅里叶积像的关系。由于卷积计算比较麻烦，如果把它用傅里叶积分算子变换到频谱域内，式分算

37、子变换到频谱域内，式分算子变换到频谱域内，式分算子变换到频谱域内，式(3-5)(3-5)(3-5)(3-5)则变为如下简单的乘积则变为如下简单的乘积则变为如下简单的乘积则变为如下简单的乘积关系：关系：关系：关系：（3-6）第20页，共75页，编辑于2022年，星期五 定义在非相干照明条件下，点物所成点像的归一化辐照定义在非相干照明条件下，点物所成点像的归一化辐照定义在非相干照明条件下，点物所成点像的归一化辐照定义在非相干照明条件下，点物所成点像的归一化辐照度分布为点扩展函数，记为度分布为点扩展函数，记为度分布为点扩展函数，记为度分布为点扩展函数，记为 ：它是某像面上的相对辐照度分布它是某像面上

38、的相对辐照度分布它是某像面上的相对辐照度分布它是某像面上的相对辐照度分布(单位面积上的辐单位面积上的辐单位面积上的辐单位面积上的辐射功率射功率射功率射功率)。这时，其相应的傅里叶变换就是该成像系统。这时，其相应的傅里叶变换就是该成像系统。这时，其相应的傅里叶变换就是该成像系统。这时，其相应的傅里叶变换就是该成像系统的光学传递函数，记为的光学传递函数，记为的光学传递函数，记为的光学传递函数，记为：其中和分别定义为光学系统的调制传递函数其中和分别定义为光学系统的调制传递函数其中和分别定义为光学系统的调制传递函数其中和分别定义为光学系统的调制传递函数和相位传递函数。和相位传递函数。和相位传递函数。和

39、相位传递函数。（3-7）（3-8）（3-9）第21页，共75页，编辑于2022年，星期五 光学传递函数是一个复值函数，其模称为光学光学传递函数是一个复值函数，其模称为光学光学传递函数是一个复值函数，其模称为光学光学传递函数是一个复值函数，其模称为光学系统的调制传递函数，表示了像方图样中各种频率余弦成分系统的调制传递函数，表示了像方图样中各种频率余弦成分系统的调制传递函数，表示了像方图样中各种频率余弦成分系统的调制传递函数，表示了像方图样中各种频率余弦成分的调制度衰减大小，由此线性叠加后的像，因各种余弦成分的调制度衰减大小，由此线性叠加后的像，因各种余弦成分的调制度衰减大小，由此线性叠加后的像，

40、因各种余弦成分的调制度衰减大小，由此线性叠加后的像，因各种余弦成分有了不同调制度的衰减，就决定了成像的清晰度性能；其辐有了不同调制度的衰减，就决定了成像的清晰度性能；其辐有了不同调制度的衰减，就决定了成像的清晰度性能；其辐有了不同调制度的衰减，就决定了成像的清晰度性能；其辐角称为光学系统的相位传递函数，其中的非线性部角称为光学系统的相位传递函数，其中的非线性部角称为光学系统的相位传递函数，其中的非线性部角称为光学系统的相位传递函数，其中的非线性部分对应于光强分布各种谐波成分空间位移不一致，由此导致分对应于光强分布各种谐波成分空间位移不一致，由此导致分对应于光强分布各种谐波成分空间位移不一致，由

41、此导致分对应于光强分布各种谐波成分空间位移不一致，由此导致了成像分布的变形。了成像分布的变形。了成像分布的变形。了成像分布的变形。由上所述，对于非相干成像的线性光学系统，其成像的由上所述，对于非相干成像的线性光学系统，其成像的由上所述，对于非相干成像的线性光学系统，其成像的由上所述，对于非相干成像的线性光学系统，其成像的物理本质就是物理本质就是物理本质就是物理本质就是“频域滤波成像频域滤波成像频域滤波成像频域滤波成像”过程。过程。过程。过程。第22页，共75页，编辑于2022年，星期五 图图图图3-73-73-73-7所示在空间频率域描述成像系统的物像关系时，不所示在空间频率域描述成像系统的物

42、像关系时，不所示在空间频率域描述成像系统的物像关系时，不所示在空间频率域描述成像系统的物像关系时，不同空间频率成分的余弦幅照度的物分布，通过该线性空间滤波同空间频率成分的余弦幅照度的物分布，通过该线性空间滤波同空间频率成分的余弦幅照度的物分布，通过该线性空间滤波同空间频率成分的余弦幅照度的物分布，通过该线性空间滤波器后，仍一一对应于各个空间频率成分的余弦幅照度的像分布，器后，仍一一对应于各个空间频率成分的余弦幅照度的像分布，器后，仍一一对应于各个空间频率成分的余弦幅照度的像分布，器后，仍一一对应于各个空间频率成分的余弦幅照度的像分布，只是该频率成分像分布的调制度有不同程度的衰减，直至某个只是该

43、频率成分像分布的调制度有不同程度的衰减，直至某个只是该频率成分像分布的调制度有不同程度的衰减，直至某个只是该频率成分像分布的调制度有不同程度的衰减，直至某个空间频率后完全被截止空间频率后完全被截止空间频率后完全被截止空间频率后完全被截止。图图 3-7 3-7 频域滤波成像频域滤波成像第23页，共75页，编辑于2022年，星期五 系统成像几何轮廓形状是否清晰，对应的是像的低频成系统成像几何轮廓形状是否清晰，对应的是像的低频成系统成像几何轮廓形状是否清晰，对应的是像的低频成系统成像几何轮廓形状是否清晰，对应的是像的低频成分调制度衰减的大小，即对应像低频成分是否能很好分辨；分调制度衰减的大小，即对应

44、像低频成分是否能很好分辨；分调制度衰减的大小，即对应像低频成分是否能很好分辨；分调制度衰减的大小，即对应像低频成分是否能很好分辨；系统成像轮廓锐度的大小，对应的是像的高频成分调制度衰系统成像轮廓锐度的大小，对应的是像的高频成分调制度衰系统成像轮廓锐度的大小，对应的是像的高频成分调制度衰系统成像轮廓锐度的大小，对应的是像的高频成分调制度衰减的大小，即对应像高频成分是否能分辨；减的大小，即对应像高频成分是否能分辨；减的大小，即对应像高频成分是否能分辨；减的大小，即对应像高频成分是否能分辨；如果说，系统成像的层次感丰富、清晰度高，对应是像如果说，系统成像的层次感丰富、清晰度高，对应是像如果说，系统成

45、像的层次感丰富、清晰度高，对应是像如果说，系统成像的层次感丰富、清晰度高，对应是像的低频、中频和高频成分调制度衰减都少，即整个调制传的低频、中频和高频成分调制度衰减都少，即整个调制传的低频、中频和高频成分调制度衰减都少，即整个调制传的低频、中频和高频成分调制度衰减都少，即整个调制传递函数曲线（面）和光传感器阈值曲线（面）以上所围的递函数曲线（面）和光传感器阈值曲线（面）以上所围的递函数曲线（面）和光传感器阈值曲线（面）以上所围的递函数曲线（面）和光传感器阈值曲线（面）以上所围的面（体）积所含的成像信息量高。面（体）积所含的成像信息量高。面（体）积所含的成像信息量高。面（体）积所含的成像信息量高

46、。成像的形状是否失真，即是否变形，对应的是成像系统不同成像的形状是否失真，即是否变形，对应的是成像系统不同成像的形状是否失真，即是否变形，对应的是成像系统不同成像的形状是否失真，即是否变形，对应的是成像系统不同视场的放大率不一致引起的分布形状的几何形变，又称为畸变。视场的放大率不一致引起的分布形状的几何形变，又称为畸变。视场的放大率不一致引起的分布形状的几何形变，又称为畸变。视场的放大率不一致引起的分布形状的几何形变，又称为畸变。在频谱域中，畸变反映的本质就是，该成像系统不同视场的零在频谱域中，畸变反映的本质就是，该成像系统不同视场的零在频谱域中，畸变反映的本质就是，该成像系统不同视场的零在频

47、谱域中，畸变反映的本质就是，该成像系统不同视场的零频处相位传递函数斜率发生变化不为零。频处相位传递函数斜率发生变化不为零。频处相位传递函数斜率发生变化不为零。频处相位传递函数斜率发生变化不为零。第24页，共75页，编辑于2022年，星期五 4 4、复合成像系统的成像关系、复合成像系统的成像关系、复合成像系统的成像关系、复合成像系统的成像关系 复杂的成像仪器是由多个光学或光电系统或器件组合而成。复杂的成像仪器是由多个光学或光电系统或器件组合而成。复杂的成像仪器是由多个光学或光电系统或器件组合而成。复杂的成像仪器是由多个光学或光电系统或器件组合而成。它们之间在成像作用中的关系有三种不同的耦合成像的

48、情形它们之间在成像作用中的关系有三种不同的耦合成像的情形它们之间在成像作用中的关系有三种不同的耦合成像的情形它们之间在成像作用中的关系有三种不同的耦合成像的情形(以物镜组与目镜组之间插入不同的光学介质为例以物镜组与目镜组之间插入不同的光学介质为例以物镜组与目镜组之间插入不同的光学介质为例以物镜组与目镜组之间插入不同的光学介质为例)。物镜组与目镜组之间插入一块透明分划板，可以把三者合物镜组与目镜组之间插入一块透明分划板，可以把三者合物镜组与目镜组之间插入一块透明分划板，可以把三者合物镜组与目镜组之间插入一块透明分划板，可以把三者合为一个光学系统，即完全相干耦合成像的关系。为一个光学系统，即完全相

49、干耦合成像的关系。为一个光学系统，即完全相干耦合成像的关系。为一个光学系统，即完全相干耦合成像的关系。物镜组与目镜组之间插入光纤面板、带荧光屏变像管或毛物镜组与目镜组之间插入光纤面板、带荧光屏变像管或毛物镜组与目镜组之间插入光纤面板、带荧光屏变像管或毛物镜组与目镜组之间插入光纤面板、带荧光屏变像管或毛玻璃屏之类玻璃屏之类玻璃屏之类玻璃屏之类“接像接像接像接像”器件的情况，即非相干成像的关系。器件的情况，即非相干成像的关系。器件的情况，即非相干成像的关系。器件的情况，即非相干成像的关系。物镜组与目镜组之间插入部分相干的成像器件，三者之间变物镜组与目镜组之间插入部分相干的成像器件，三者之间变物镜组

50、与目镜组之间插入部分相干的成像器件，三者之间变物镜组与目镜组之间插入部分相干的成像器件，三者之间变为部分相干成像的关系。为部分相干成像的关系。为部分相干成像的关系。为部分相干成像的关系。第25页，共75页，编辑于2022年，星期五 3.2 3.2 光电成像系统像质评价技术光电成像系统像质评价技术3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 分辨率测试技术分辨率测试技术分辨率测试技术分辨率测试技术 分辨率测量能以确定的数值作为评价被测系统像质分辨率测量能以确定的数值作为评价被测系统像质分辨率测量能以确定的数值作为评价被测系统像质分辨率测量能以确定的数值作为评价被测系统像质的综合性指标。分辨率测