Оценка качества изображения – кривые аберраций

Сферическая аберрация — это тип монохроматической аберрации для осевых точек, при которой лучи под разными углами пересекают оптическую ось в разных точках после прохождения через линзу, отклоняясь от идеальной точки изображения.

На кривой сферической аберрации вертикальная ось представляет собой апертуру, а горизонтальная ось обозначает сферическую аберрацию (или хроматическую сферическую аберрацию).

При анализе этой кривой необходимо обратить внимание на два ключевых аспекта:

1) обратите внимание на размер сферической аберрации.

2) обратите внимание на форму кривых , особенно на степень разделения между несколькими кривыми, представляющими несколько цветов света

Если одна кривая в порядке, но расстояние между кривыми велико, это указывает на сильный хроматизм положения внутри системы.

Обычно он состоит из двух отдельных графиков:

1) Левый график: отображает параксиальную меридиональную кривизну поля X _T 'и параксиальную сагиттальную кривизну поля X _S '. Если присутствуют несколько рабочих длин волн, меридиональная и сагиттальная кривизны поля каждой длины волны будут показаны отдельно.

2) Правый график: отображает искажение.

Разные цвета обозначают разный цветной свет, T и S обозначают тангенциальный и сагиттальный соответственно. Расстояние между T и S одного цвета обозначает астигматизм X' _ts . Оба графика имеют поле зрения в качестве вертикальной оси. На левом графике горизонтальная ось обозначает кривизну поля в мм, а на правом графике — искажение в процентах. Расстояние между кривыми разных цветов на левом графике обозначает хроматическую аберрацию при увеличении.

Дисторсия является формой первичной лучевой аберрации и отражает степень сходства изображения объекта: если она составляет менее 1% , изображение объекта считается почти идеально похожим.

Меридиональные плоскости: любое поперечное сечение луча, проходящее через ось Y апертуры;

Сагиттальные плоскости: любое поперечное сечение пучка, проходящее через ось x апертуры.

Точечная диаграмма — это диаграмма распределения формы света на плоскости изображения. Когда многочисленные лучи из одного точечного источника проходят через оптическую систему. Из-за аберраций пересечение на плоскости изображения больше не концентрируется в одной точке, что приводит к рассеянному рисунку, известному как точечная диаграмма.

Это соответствует отображению точечного источника в определенном положении поля. То есть отображению точечного источника света в положении поля изображения. Из-за аберраций линз идеальный точечный источник не может быть воспроизведен как идеальная точка. Отображение реального объекта можно рассматривать как суперпозицию бесчисленных точечных источников, то есть точечная диаграмма напрямую отражает фактическое качество изображения (в фокальной плоскости). Точечные диаграммы являются одними из наиболее часто используемых методов оценки в современном оптическом проектировании.

1) Обратите внимание на значения в таблице под диаграммой: меньшие значения указывают на лучшее качество изображения .

2) Проанализируйте форму распределения на диаграмме, чтобы оценить влияние геометрических аберраций в системе, таких как заметный астигматизм или характеристики комы, а также степень разделения нескольких цветовых пятен.

На диаграмме пятна для поля 0° (осевые лучи):

(1) Если красные, зеленые и синие пятна плохо перекрываются, это свидетельствует о наличии аксиальной (осевой) хроматической аберрации.

(2) Наличие множественных кружков нерезкости указывает на сферическую аберрацию.

(3) Точечные диаграммы в первую очередь являются инструментом для качественной оценки того, какие аберрации являются более серьезными в текущем оптическом пути, а не для количественного измерения аберраций.

На диаграмме пятна для поля 35° (осевые лучи):

①Хроматическая аберрация относительно невелика, с некоторым увеличением коротковолновой аберрации, что является нормой.

②Наличие «хвостов» в красном, зеленом и синем цветах (отмечено на рисунке) свидетельствует о близости к краю апертуры для этого поля.

③Этот «хвост» называется кома.

④На рисунке действительно кома. Чтобы определить ее тяжесть, сравните ее с установленными стандартами качества.

Один из методов заключается в изучении диаграмм расфокусированных пятен. Центральная диаграмма — это диаграмма пятна на плоскости изображения, левая показывает диаграмму, когда плоскость изображения смещена влево, а правая показывает ее, когда плоскость изображения смещена вправо.

Видно, что пятно на плоскости изображения имеет приблизительно эллиптическую форму; оно выглядит как вертикально ориентированный широкий эллипс на левой стороне плоскости изображения. И оно выглядит как горизонтально ориентированный эллипс на правой стороне плоскости изображения, что указывает на значительный астигматизм в этом диапазоне.

Функция передачи модуляции (ФПМ):

MTF определяется как отношение контрастности изображения к контрастности объекта на заданной пространственной частоте, отражающее способность системы передавать различные пространственные частоты и контрасты . В общем случае высокочастотная передаточная функция отражает способность передавать детали объекта , низкочастотная — способность передавать контуры объекта , среднечастотная — способность передавать уровни объекта .

График MTF объектива дает количественное описание его разрешающей способности (разрешения), в частности, количественно оценивая четкость изображения, которая включает как разрешение, так и резкость. Математически MTF означает Modulation Transfer Function (функция передачи модуляции ).

Цветные кривые на диаграмме отображают MTF для полихроматического (белого) света в различных полях.

T и S обозначают тангенциальное (меридиональное) и сагиттальное направления соответственно. Черная кривая вверху представляет дифракционный предел. Горизонтальная ось показывает пространственную частоту в lp/mm (парах линий на миллиметр), а вертикальная ось представляет контрастность с максимальным значением 1. Чем выше кривая, тем лучше качество изображения.

Эта кривая иллюстрирует взаимосвязь между меридиональной и сагиттальной MTF и дефокусировкой для разных FOV при заданной пространственной частоте. Кривая дефокусировки показывает изменения MTF, когда плоскость изображения отклоняется от своего проектного положения.

Горизонтальная ось представляет собой расстояние отклонения от проектной плоскости изображения, а вертикальная ось показывает значение MTF. Чем больше плоскость изображения отклоняется от проектного положения, тем больше падение MTF.

Эта кривая помогает оценить, являются ли оптимальные фокальные плоскости одинаковыми по всему полю и насколько чувствительна MTF к расфокусировке.

Лучевой аберрационный веер, также известный как （RayFan), показывает лучевые аберрации как функцию координат зрачка и является мощным инструментом для анализа лучевых аберраций. И он иллюстрирует все аберрации, кроме искажений, и не ограничивается первичными аберрациями.

На этих диаграммах горизонтальная ось представляет зрачок, а вертикальная ось указывает фактическую ширину на датчике. Каждое положение поля изображения имеет как тангенциальную, так и сагиттальную диаграммы.

Для линзы без аберраций RayFan будет прямой линией . Высота кривой отражает аберрацию.

Расфокусировка отображается как линейная кривая. Первичная кома отображается как квадратичная кривая. Первичная сферическая аберрация и сагиттальная кома отображаются как кубические кривые. Реальные линзы часто показывают сложные и нерегулярные кривые , представляющие собой синтез различных типов аберраций от первичной до более высокого порядка.

Наклон линии отображает степень расфокусировки. Естественно, наклон лучей разного цвета отображает осевую дисперсию цвета. Различия в наклоне между тангенциальным и сагиттальным направлениями отображают астигматизм; одинаковые ненулевые наклоны отображают кривизну поля.