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光学设计 像质评价

2021/6/17 19:09:30 人评论

文章目录点列图的分析方法ray fan分析MTF曲线opd分析点列图的分析方法 点列图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。换句话说,它就是通过计算,把一系列物方的点通过光学系统以后,成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。 为了表现方便&#xf…

文章目录

  • 点列图的分析方法
  • ray fan分析
  • MTF曲线
  • opd分析

点列图的分析方法

点列图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。换句话说,它就是通过计算,把一系列物方的点通过光学系统以后,成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。
为了表现方便,它可以选择一系列预定的模板形式,具体来说,比如一个在轴上的点,从无限远成像到IMA面上,ZEMAX就模拟在无限远有若干个发光点(光束),这些点平行射入入瞳,然后经过光学系统,最后成像在IMA面上。显然如果光学系统是完美的光学系统,那么这些点成像点为一个理想的点。但对于实际的光学系统,就会成像为一个弥散斑。那么这个弥散斑在IMA面上的像,就是Spot Diagram。同理,在非轴上点,也可以参照主光线的角度和位置,形成一系列的发光点,经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。
如何通过Spot Diagram观察出光学设计的质量,简单说,这个弥散斑越小越好。如果你发现弥散斑足够小,满足你对光学系统最小弥散斑的要求(spot diagram的单位是微米)那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。换句话说,就是你的光学系统已经可以设计完成了。
如何才知道你的光学系统足够的好?这里有个参考,就是airy斑的参考。airy斑是物理光学的一个概念。它指出在形成的弥散斑直径在2.44F(主波长)以内的时候,该光学系统可以认为是理想(完美)光学系统。这样当你在Spot Diagram图中,在setting菜单中,设置显示airy斑。然后发现你的点列图完全都在airy斑环之内,你就可以认为你的光学系统设计已经完美。但实际上,很少有光学系统,可以满足符合airy斑直径的要求。那么说明你的光学系统有像差。
究竟是哪种像差在起主要作用?主要的像差有,球差,慧差,像散,场曲,畸变。这些像差在spotdiagram上的表现各不相同。但由于一个光学系统通常是各种像差的混合。因此需要你对spotdiagram的形状进行判断。确认是主要是哪种像差,然后通过修改玻璃,或者曲率以及光阑的位置等加以调整。
不同的像差有不同的像表现,同时随着像差的大小不同,这个像,也叫斑点的大小也不一样,显然像差越小的光学系统,其斑点也越小。衡量这个斑点大小有个定义,就是RMS半径定义,另外还有一个就是几何半径的定义。RMS是均方根半径,可以定量的反映这个系统实际的斑点大小。
在Spot Diagram中还有几个参数可以参考,RMS RADIUS,均平方根半径是一个重要的半径参数,它是弥散斑各个点坐标,参考中心点,进行的坐标平方和后,除以点数量,然后开方的值,这个值的半径可以反映一个典型的弥散斑的大小,以定量的反映这个系统实际的斑点大小。但它不是全部弥散斑的直径,全部弥散斑的直径是GEO RADIUS。RMS RADIUS是重要的反映弥散质量的参数,它和在优化中和MF的值极大的吻合。(就是说MF的某个视场最后值就是RMS的半径)
需要说明的是:不同的射入入瞳的光线排列会对最后的RMS半径等有影响,但并不大。
关键影响RMS半径的是,每个airy斑的中心点参考点的选择:一种选择的方式是根据主光线的位置做为斑点中心光线的中点。另外一种方式是采用斑点的实际重心做为斑点中点。
对于一个轴对称系统,在轴上,显然主光线中心和斑点重心是一点没有差别,但在轴外点成像。主光线的中心计算出来的RMS显然要比斑点重心计算的RMS半径要大。其实,通常采用的是斑点重心的参考中点方式。
Spot Diagram与RayFan的区别:
Spot Diagram的形成,我们也可以在轴外子午面上选择一点做为发光点。这个点同样将光线射向系统的入瞳和光阑位置。和Ray Fan不同的就是,这次我们考虑的更全面些。这一束光线不是Ray Fan的一个子午面方式,而是一个面阵的方式发散。而是全面的射入入瞳。为了计算和比较,有几种布置光线的方式可以选择,比如随机点方式,矩形方式,圆形方式,还有三角方式等等。目的是能尽量保证平衡射入这个系统。

ray fan分析

ray fan表示是光学系统的综合误差。
它的横坐标是光学系统的入瞳标量,因此总是从-1到+1之间。显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。纵坐标则是针对主光线(发光点直穿光阑中心点的那条光线)在像面上的位置的相对数值。
由于我们在计算光路的时候,通常仅仅考虑两类光线,子午面和弧矢面。这样对于不同的面,就有两种不同rayfan显示。
要概念上理解ray fan图,我们假设有一个薄透镜的光学系统。光阑就在这个薄透镜上。有一个在子午面上的轴外点,发出一束光线射向这个透镜,那么它在子午面的ray fan图将是这样绘制的:
首先,这一束光线会射向光学系统的入瞳(同时也是光阑)上,会在子午面上有一个光束的分布。因此他们每个对应点都将在未来的rayfan图上显示-1到+1的横坐标。显然主光线的位置是光阑的中点,就是0的位置。
然后这一束光线继续穿过光学系统,最后折射到像面上。由于由像差的存在;在像面的子午面上将形成由无数光点形成的光线。(对于理想的光学系统,还是应该形成一个点)
这个线上一定会有一个点,是由主光线形成的。这个点就做为整个像差的参考原点。其他的各个点到这个点的位置差值就是在ray fan中对应于各个横坐标入瞳位置的纵坐标值!
这样,一系列的点就可以在这个下xy的坐标系统中表示出来。只要有足够的点,就能连接绘制一个完整的ray fan图。
这就是ray fan图的含义,它表示的是这个光学系统参照入瞳位置的像差综合值。
需要指出的是:
● 由于有子午和弧矢两个面,因此对于每个视场的ray fan都有两个。一个子午T(对应于PY和EY),和一个弧矢S(对应于PX和EX)
● 又由于系统选择的光线不同,在每个视场的ray fan中可能会显示多个光线的不同ray fan。
● zemax将会给每个视场都绘制一个ray fan图。
ray fan缺省的位置是IMA面位置,缺省的采样点是20个点等等都可以在setting中进行重新设置。
关于rayfan中各种图形的含义,需要设计人员根据光学经验进行判断。
比如S形状的ray fan表示这个系统有球差。多个S行状(蛇行状)的ray fan表示这个系统有高级球差等等。

ZEMAX的Ray fan图中,Py、Ey的坐标关系如何理解?
ZEMAX中Ray Fan图称为光线扇形图,或称为光线差图(Ray error),它是我们定量分析光线像差的最好工具。

从物点发出的一束光,我们通常只使用这一束光的两个剖面来分析光线差:

过光瞳Y轴的光束剖面,称为子午光扇,用归一化光瞳坐标Py来表示子午光扇上的任一条光线;
过光瞳X轴的光束剖面,称为弧矢光扇,用归一化光瞳坐标Px来表示弧矢光扇上的任一条光线。

我们在计算光线差时,也都是在子午或弧矢面上计算任一视场的光线差。如下图描述:
在这里插入图片描述
下面我们看Ex和Ey的含义:

Ex/Ey指该视场光扇内特定光瞳上的光线入射到像面上,在像面上的高度与该视场的主光线在像面上的高度之差。
我们以下图为例来说明Py与Ey的关系,下图中我们取视图上最下面的边缘光线,这条光线必定过光瞳的下边缘,
即(Px=0,Py=-1)便是它的坐标,它打到像面上与主光线产生的高度差即为我们所说的这条光线的光线差,大
小用Ey来表示,于是便可得到这样的一个采样点(Py=-1,Ey=161)。以此类推,我们把所有过Y轴的光线打在
像面上与主光线的差值计算出来,便可画出光扇图中的曲线了:
在这里插入图片描述

MTF曲线

简单来说, MTF曲线记住以下三点就可以了:
1.曲线越高越好;
2.曲线越平越好;
3.虚线与实线越靠拢越好。
注意:下文可能帮助你初步了解MTF值,但仅此而已。真正的MTF概念十分复杂,不是这样一篇短文能解释清楚的。下图是佳能公司公布的标准镜头EF50mm/F1.4 USM的MTF曲线。图中共有8条曲线,横坐标是测量点到像场中心的距离,单位是毫米。纵坐标是MTF值。粗线是空间频率为10线对/毫米的结果,细线是30线对/毫米的;黑色曲线是最大光圈(对于这个镜头是F1.4)的,蓝色曲线是光圈F8(一般是最佳光圈)的;实线是S曲线(弧矢曲线),虚线是M曲线(子午曲线)。如何看懂MTF曲线从图的蓝色线条我们可以看出,代表反差的低频粗线很高,接近于1,说明该镜头在F8的最佳光圈有着非常好的反差。代表分辨率的细线也在0.86以上,说明此光圈下分辨率极优。蓝色曲线直到距离中心18毫米左右依然平直、仅在边缘略有下降,说明该镜头像场内整个有着一致的特性,边角分辨率略有一点下降。实线与虚线距离很近,反映出该镜头像散也很小。黑色曲线反映出在1.4的大光圈条件下,无论是反差(粗线)还是分辨率(细线)都有明显的下降,而且边缘下降更为厉害。这种MTF的“场幅曲线”是厂家或第三方提供的MTF曲线最常见的形式,通过对它的分析,可以了解镜头的主要光学特性,对镜头成像质量有全面综合了解。一般的MTF图提供两组不同空间频率的场幅曲线,分别代表反差和分辨率:低频选在MTF频幅曲线水平部分,反映镜头的反差特性;高频选在MTF频幅曲线下降比较陡峭的部分,反映镜头的分辨率特性。现在将分析MTF曲线基本要领列举如下:1、 MTF曲线越高越好,越高说明镜头光学质量越好。综合反差和分辨率来看,MTF曲线以下包含面积越大越好。2、 MTF曲线越平直越好,越平直越说明边缘与中间一致性好。边缘严重下降说明边角反差与分辨率较低。3、 S曲线与M曲线越接近越好,两者距离较小反映出镜头像散较小。4、 低频(10线对/mm)曲线代表镜头反差特性。这条曲线越高反映镜头反差大。5、 高频(30线对/mm)曲线代表镜头分辨率特性。这条曲线越高反映镜头分辨率越高。6、 F8的曲线反映了镜头理想条件下的最佳性能。这是任何严格的摄影师都非常看重的性能。7、 最大光圈的曲线反映了在镜头边界条件下至少应当达到的性能。当你在金钱与超大口径之间折衷时,你必须将这个性能当作重要的考虑因素。下面列出分析MTF曲线时应当注意的一些事情,这是初学者最容易出现的问题。1、 不要将不同焦距的镜头做横向对比。长焦镜头像场的边缘只相当于广角镜头中心附近位置,因此对比长焦镜头边缘的MTF值,会得出广角镜头都是很差镜头的错误结论。广角镜头尤其是超广角镜头边缘MTF值下降很多是正常的现象,对于这类镜头,我们必须对像场边缘的MTF值相当宽容。2、 不要将超大光圈(F1.4或F2.0)的镜头与普通镜头做横向对比。普通镜头的“最大”光圈要比超大光圈镜头小一两挡或者更多,两者的“最大光圈”完全不可比!更何况有些超大光圈镜头在设计时,还要为了照顾最大光圈时的效果而对其它性能做一点折衷!因此,必须对超大光圈镜头最大光圈的MTF有所宽容。3、 不要将变焦镜头与定焦镜头横向对比。与定焦镜头相比,变焦镜头结构复杂得多、设计时所要兼顾的因素也要多得多,因此有的特性不如定焦镜头是正常现象。比如,S曲线和M曲线,对于变焦镜头来说,就不如定焦镜头那么近。4、 质优价高的高档镜头与普通廉价的经济型镜头也是不能直接对比的。选购经济型镜头一般主要注重最优光圈(F8)的MTF特性,对最大光圈的效果心知肚明即可。特别要注意的是:经济型中长焦变焦镜头长焦端,即使F8时的“最佳光圈”,与优质镜头相比也有较大差异,选购时必须充分注意。如果除了一般家庭摄影之外还想搞一些创作,购买这一类镜头需要三思而行。总之,我们不能绝对的去看待MTF曲线,而是要根据我们的需求、成本、方便性等等诸因素综合考虑。切忌在分析镜头MTF曲线时绝对化、一刀切,从而将我们引入歧途。

opd分析

zemax中的OPD图 OPD即optical path difference(光程差),也就是波像差图。横轴PY、PX是光学系统的入瞳标量,因此总是从-1到+1之间。纵坐标EY、EX即表示波像差。通过和ray fan的对比可以定位具体是哪种像差更明显。
光程差或OPD,在光学设计计算中很有意义,因为光程差表示成像的波前位相误差。对零光程的任意偏离都会在光学系统中形成衍射图像时产生误差。因为出瞳是光栏在像空间的像,出瞳表示像空间光束有清晰边界的位置。出瞳处的照度,其振幅和位相通常是平滑变化的,零振幅和非零振幅区域有明显的界限。换句话讲,在出瞳处观察,可以合理地假定波前没有明显的衍射影响。如果光学系统中的所有面的通光孔径比受光栏限制入射到每一面上的光束尺寸大,这一假定基本上是事实。甚至如果出瞳是虚拟的(这是常有的),出瞳仍然定义了像空间光束无衍射影响的唯一位置。当波前从出瞳传播到像平面时,光束外形在振幅和位相上变得很复杂,由于衍射的影响,波前扩展到整个空间。因此,为了精确地描述了波前和像的质量,在出瞳上测量位相误差是唯一有效和非常重要的。
ZEMAX 缺省时,使用出瞳作为计算OPD 的参考面。因此,对一条给定的光线进行OPD 计算时,光线通过光学系统追迹,自始至终到达像平面,然后反向追迹到位于出瞳处的参考球面。这个面后得到的OPD 是有物理意义的位相误差,它对于如MTF,PSF 和环带能量等衍射计算是很重要的。由光线向后追迹到出瞳而得的附加路程,从参考球面的半径中减去,得到OPD 的微小调整,称之为”校正项”。这种计算对于所有实际应用是正确和需要的。但是,ZEMAX 也允许选择两种其他参考方法,即无限远处面和绝对参考面。

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