光学成像质量评价

1. 理想成像和像差

从几何光学的角度看，光学系统只对被成像物体进行放大或缩小，物平面上的一点经过透镜的作用，变成像平面上的一点， 称为“点点成像”，或“理想成像”，像和物具有等同的清晰度， 分辨率为无限高，相应的系统称为理想光学系统。

图1. 理想成像和衍射受限

像差和弥散圆：一个物点经过实际成像镜头形成的像不再是点像，具有弥散，称为“像差”。像差的主要原因为： 

▷ 镜头有限孔径光栏（ F 数）限制，称为“衍射受限” （diffraction-limited）; 

▷ 单色光照射，由设计、材料、加工、调试不完善形成的像 差（单色光像差）； 

▷ 宽波段光波（多色光）照射形成的像差（色差）。

▷ 在像差不太严重时，弥散斑近似为圆形，称弥散圆。光学 设计软件ZEMAX给出弥散圆的半径（ RRMS ：RMS radius）

图.2 实际光学系统的弥散斑

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

▷ 从物面上任意一点发出的光波，携带着该物点的信息，本来是向着所有方向发射的，但成像镜头都有孔径光栏，限制了物点发出的光束，只接收孔径角2u 范围内的光束进入系统并传递，参与成像。超出该孔径的光束通不过透镜。

▷ 从信息论的观点看，有限孔径形成信息的损失，光波在透镜边缘的衍射（又称“绕射”）使波面边缘发生畸变。孔径角2u越小，信息的损失越大。

图3. 衍射受限图示

▷ 一个设计、材料、加工、装配调试都完美的镜头（无像差镜头），仅由于孔径限制形成的像差称“衍射受限”像差。其弥散斑半径为：

其中n为折射率，F为F数，F=f/D ， D是入射孔径大小， f为焦距，u为孔径角，相关图形称艾里斑（Airy disk）。该系统称为“衍射受限光学系统”，是实际光学系统的极限。

图.4 艾里斑

▷ 我们注意到：即使设计加工都完美，透镜仍然实现不了“点点 成像”，物点的像是一个艾里斑（图4）。 

▷ 也正由于设计、材料、加工、装配调试的误差，实际镜头的弥 散斑大于甚至远大于艾里斑。只有精密显微物镜、望远物镜、 高级光刻制版镜头中心视场（0视场）的弥散圆接近艾里斑。

3. 弥散圆和像质评价

▷ 弥散斑表示实际光学系统（像差光学系统）对于衍射受限系统 的偏离，常用弥散斑来评价实际光学系统。 

▷ 对弥散斑的要求是尽可能高的能量集中度，具体来讲，要求：

□ RRMS 尽量小； 

□ 弥散斑尽量接近圆（旋转对称），参见图5。

图5. CCD镜头不同视场的弥

▷ RRMS 、最小分辨长度、CCD/CMOS像素

□ 设为探测图像的CCD/CMOS相机的像素尺寸，经验表明：

□ 在能量相对集中，弥散圆比较对称的情况下，最小分辨 长度（偏紧估计）

□ 相应的传递函数为

□ 例如，当像素尺寸时，高性能镜头要求。中等性能镜头，相应传递函数值 为50/mm（每毫米50线对）。 

□ 不同视场的弥散圆大小一般不相同，应分别考虑。例如图5。

4. 影响成像质量的因素 

▷ 影响因素为：设计、材料、加工、装配调试。 

▷ 设计： 

□ 光学设计人员首先必须了解客户提出的技术指标，主要为 使用波段、焦距值、孔径、视场、最近物距、放大率、景 深、畸变、分辨率等。 

□ 在实际使用过程中对一个光学系统的评价是非常广泛的， 不但要求它有理想的成像质量，还需考虑体积、重量、外形、适应性、牢固度、工艺性能、材料选用、造价等等。 

□ 体积、重量等要求，有时直接地影响着实际使用价值。过 分追求某一指标而忽略其它指标都是片面的。 

□ 在满足技术指标的前提下，要求尽可能简单、元件数要尽 量少，结构要紧凑，采用胶合镜，尽量使用常用玻璃。

□ 尽量采用已有的典型设计，或略作修改，例如CCD/CMOS 镜头：双胶合、三片式、天赛、双高斯及其变形；显微物 镜一般就是李斯特型、阿贝型等。一般不鼓励创新。

图5. 典型CCD/CMOS物镜

图6. 典型显微物镜

□ 最好的设计指标，如果在工艺上，材料的物理、化学性能 上无法保证，也无法批量生产。

□ 以上要求都不是绝对的，必要时可采用非球面、特种玻璃、 大像差等特殊设计。

▷ 加工： 

□ 近年来，机加工设备自动化程度、加工水平普遍提高，加 工达不到指标的情况不多。 

□ 先进光学加工设备虽已使用，但仍有较多传统老设备在使 用。在一些小厂，和一些小批加工订单，传统工艺仍在大 量使用，检验不严格。 

□ 机加工的公差带已提升1到2级，光学加工仍在沿用原来的 公差带。

□ 对镜头成像质量影响，依次为：镜框跳动、镜片安装倾斜、 外 圆 直 径 （外圆和镜框的间隙）、透镜中心偏（concentricity）、厚度、光圈、光洁度。 

▷ 装配调试： 

□ 装配调试是镜头生产的最后一道工序，要求： 

☆ 环境洁净； 

☆ 装配工具工装（旋转台、镜片承载台、小镜片的吸盘、自动改 锥、压圈旋紧器）； 

☆ 近代批量装配的概念为：镜片、镜框公差恰当，原则上镜头不 需调试，只需检测； 

☆ 装配用胶软硬恰到好处、不产生应力。 

□ 目前的问题为： 

☆ 缺少合理的装配工艺，缺乏装配工艺工程师。 

☆ 装配的一致性较差；

☆ 镜片松紧程度不一致，过松不能用，过紧产生应力。 

☆ 装配用胶不一定合适； 

☆ 洁净度差距大。 

□ 目前水平，基本上不能承担偏振要求高的产品装配，以及高分辨 率镜头，例如： 

☆ 偏振显微镜物镜； 

☆ 的CCD/CMOS物镜； 

☆ 半导体检测镜头（光刻、制版镜头）。 

▷ 材料：折射率、阿贝数偏差

□ 折射率误差引起焦距相对误差：在折射率低的玻璃、镜片数较多时这个问题相对突出。 

5. 高品质成像：

分辨率足够高、反差适中、层次丰富、杂光少、彩 色还原正确、畸变符合要求（一般≤5％，高性能≤1％）、画面中各处 照度均匀、画面的“调子”软硬恰当、景深够用、景物质感强，适合 批量生产，就是高品质的成像物镜。