[国家标准]-GB11168-1989.pdf

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1、U DC 5 3 5:7 7 1 - 3 3 5 N 30 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 G 1 3 1 1 1 6 8 - 8 9 光 学 系 统 像 质 测 试 方 法 i ma g e q u a l i t y o f o p t i c a l s y s t e m s M e t h o d o f de t e r mi n a t i o n 1 9 8 9 - 0 3 - 3 1 发布1 9 8 9 - 0 5 - 0 1 实施 国家技术监督局发布 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 光学系统像 质测试方 法 G B 1 1 1 6 8 -8 9 I

2、ma g e q u a l i t y o f o p t i c a l s y s te ms Me t ho d of d e t e r mi na t i o n 主皿内容与适用范围 本标准规定了用于评价光学系统像质的星点、 分辨力、 几何像差和波像差的测试方法。 本标准适用于可见光谱区内应用的无限远成像光学系统、 远焦光学系统和有限距成像光学系统. 对 其他临近光谱区内应用的光学系统可参照使用. 引用标准 G B 7 6 7 1照相镜头测试板 G B 7 5 5 2摄影镜头分辨率测试图 Z B N 3 5 0 0 3 分辨力板 星点测试方法 3 . 1 原理 根据星点( 点光源)

3、 经被测系统成像局. 在像面 和像面前后不同 截面 所成衍射像的光强分布( 即星点 像的光强分布) 来判断成像质量. 理想光学系统在像面上所成星点像的光强分布I 是光瞳面上复振幅 分布函数( 简称瞳函 数) 的付氏 变换模的平方。在圆形光瞳的情况下， 光强分布函数即爱里斑( A i r y ) 分布为: 1 =1 . F 2J, ( 丝1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 ) . vJ : =2 a ( a ) r =2 ,

4、( a ) z - +P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 ) 人J n J 式中:1 0 被测系统所成星点衍射像的中央处光强; J , - 1 阶贝 塞尔函 数， 尹被测系统焦距; a 被测系统光瞳半径; ， 距被测系统几何像点的径向距离。 星点在像面内衍射图形见 图 1 ， 根据衍射理论可计算理想像面附近子午面上光 强分布。 通过光轴截 面 上 衍 射 光 强 分 布 图( 见 图2 ) ， 在 像 面 前 后 对 称 截 面 上 应 具 有 相 刚 衍 射 图 案 。 对

5、于有像差的光学系统， 其星点像的 光强分布与爱 里斑有差异。 根据其星点衍射图形以 及像面附近 不同截面上衍射图形的变化. 可以判断像质的好坏。 中华人民共和国机械电子工业部1 9 8 9 -0 3 -2 5 批准 1 9 8 9 一0 5 -0 1实施 GB 1 1 1 6 8 -8 9 图 2 3 . 2 测里装置 包括星点系统、 被测系统夹持器和观察系统三部分。 3 . 2 . 1 无限远成像光学系统 测量装置见图 3 ， 聚光镜将光源发射的光束聚焦于星点孔， 星点孔位于准直物镜的焦点上， 由准直 物镜射出的光束应均匀充满被测系统的整个孔径， 星点孔在被测系统焦面上成像 经观察显微镜放大

6、后 由人眼观 察。 图 3 t 一光源 t 2 -聚光镜，3 一光阑( 星点孔) 4 -准直物镜;5 -被测光学系统; 6 -观察显微镜 3 . 2 . 1 . 1 星点孔 星点孔应该足够小， 其几何(S 的直径应小于 爱里斑半径。 3 . 2 . 12 准直物镜 准直物镜通常是复消色差物镜， 轴上波差应小于 R / 8 , 通光孔径应大于被测系统入瞳直径的2 0 %以 上， 焦距应大于被测系统焦距的 2倍， 如被测系统焦距很大， 无法配置合适的准直物镜， 则可将星点孔 放在至少距离被测系统 1 0倍焦距处。 3 . 2 . 1 . 3 观察显微镜 显微镜的数值孔镜要大于被测系统像方孔径， 其

7、像质不影响侧试结果， 选择适当的显微镜倍数， 保 2 GB 1 1 1 6 8 - 8 9 证人眼能分辨爱里斑。 3 . 2 . 2 远焦光学系统 用观察望远镜代替观察显微镜， 其他同3 . 2 . 1 条。 3 . 23 有限距成像系统 检测条件应与被测系统的使用条件一致， 星点和观察显微镜要求与 3 . 2 . 1 3 ， 3 判别方法 3 . 3 . 1 判别被测系统存在的应力、 材料缺陷和偏心 当被测系统存在应力、 材料缺陷和偏心时， 视场中心的星点衍射图形如图 条和 3 . 2 . 1 . 3条一样。 所示。 侧 . .国日 被测系统存在应力 C 被M l 系统存在偏心和零件定中不准

8、 图 刁 3 . 3 . 2 判别被测系统的色差 被测系统存在色差时其星占衍射像呈彩色. 根据色彩判别色差校正情况。 3 - 3 . 3 圳别被洲系统球获 、 !。 f. 一 一泛 t. t 6f黑; , :.,h+. r; iiiat ftfi豁1: kzf 1t -截 ,? 49 1 1 fL洁 lf - P1 ! .f:iii 5 i (i-i;f i:idti ltd J .fR if iitl,Jf; tt ,;f+4 ttd h)ifi5t fI t; th -?: 1ti1.Y“.LN 5 e 里 斑 GB 1 1 1 8 8 -8 9 于 二 系统球差校正过度 rt . _乳

9、1 少 系统球差校正不足 特 -aU 套耳 系统存在带球差 图 5 分辨力测试方法 4 . 1 原理 光学系统的分辨力是指分辨物体细节的能力. 理想光学系统对一个发光物点所成的像是一个爱里斑， 对两个相邻发光物点所成的像是两个爱里 斑的迭加， 见图 6 。 根据“ 瑞利准则， 两个 相邻像点刚能分辨时， 其对比 度C 应不低子1 5 y o ， 实际上C 在2 . 6 % 左右人 眼也能分辨. 在通常测量中用黑白线条相间、 宽度相等的矩形( 或扇形) 图案作为测量目标。 各类系统理 论分辨力见附录A , * m e n W I w 图 6 4 . 2 测试装置 包括分辨力板系统、 被测系统夹持

10、器和观察显微镜系统三部分。除以分辨力板代替星点板之外， 其 G B 1 1 1 8 8 -8 9 他 与星点法相同， 分辨力板应符合Z B N 3 5 0 0 3 , G B 7 6 7 1 , G B 7 5 5 2 的规定. 4 . 3 I ! f结果裹示 4 . 3 . 1 轴上分辨力 如图7 ， 分辨力板图案中某一单元在视场中心成像刚能分辨时. 像面上每毫米长度内的线对数为 No. ，口 M-Y 一一 凡 式中:M-线对数， Y 对应长度, m m . 远焦光学系统的分辨力以分辨角 。 表示: 。 一 势X 2 0 6 2 6 5 ( “ ) . . . . . . . . . . .

11、 . . . . . . . . . . . . . . ， ， ( ; ) i份 ， 式中:a , -。 单元线条中心距。 A, 准直物镜焦距. 公丰 贫。 A向 解 a 轴上 图 7 1 一平行光管， 2 一被侧物镜， 3 一像平面， 4 -图案线的水平线条; 5 -图案线的竖线条. 4 . 3 . 2 轴 外分辨 力 轴外测量时， 被测系统光轴对测量装置的光轴转过半视场角。 ， 在子午方向分辨线对数 N : 为 M Y / C O S w 在弧矢方向分辨线对数从 为 M Y / c o s w =No c o s ao . . . . . . . . . . . . . . . . .

12、. . . . . . . . . . . . . ( 5 ) = No c o s w . . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 ) GB 1 1 1 6 8 -a s 式中: 。 半视场角 5 几何像差测试方法 原理 测量不同色光、 不同视场、 不同入射高度的细光束在光轴上交点的位置时， 较常用的方法为哈特曼 2 浪 1 量装置 测量装让示意图见图 a 。 在准直物f ft 和被测物镜之间放置一个米字形光阑， 其小孔对准直物镜光轴 乐法乐 呈对称

13、分布， 由准直物镜射出的平行光束通过米字形光阑后被分割成许多不同高度的细光束对。 00 图 8 1 一光91 2 -班光镜盆3 一小孔光阂; 月 一准直物镜; 5 一米字形光阑, 6 一被测物镜 5 . 2 . 1 米字形光阑 根据被测物镜的焦距和相对孔径， 选择合适的米字形光阑， 光阑孔要等距分布， 其直径一般为被测 物镜焦距的1 八0 0 - 1 / 4 0 0 , 5 . 22 焦前和焦后截面位置的选择 为了使米字形光斑小而清晰， 焦前和焦后截面的距离分别为被测物镜焦距的 1 / 7 和 1 / 5。 5 . 2 . 3 准直物镜 要求与 3 . 2 . 1 . 2条相同。 5 . 3

14、测里程序 通过被测物镜的光线由于存在像差， 不同高度 h的细光束聚焦在不同的焦点 F， 其位置通过测量 焦点前、 后两个截面E : 和 E z 上的米字形光斑中心距和两截面间距后计算得到。 5 . 3 . 1 轴上 纵向 球差测量 由准直物镜射出的平行光. 经过米字形光阑上一对相对中心距离为h 。 的小孔后 在焦前和焦后截 面E 、 和E s 上测得其中心距分别b , 和b ,按式( 7 ) 可求出这对光线的空问交点 F . 的位置坐标凡 n 以前截 面E为参考面) 。 万 r 兀 ” ” “ 式中: d 一 . 热埃 前和焦后两截面之问的y F 离 6 GB 1 1 1 6 8 -8 9 近

15、轴光线交点位置坐标S o ， 由测量一组高度为2 h 。 光线对交点的位置坐标S . , 以 及以h 。 为纵坐标， J为横坐标， 连成曲线， 将此曲线外推得到.球差S . -S . . 53 . 2 纵向色差测量 选用与被测物镜消色差谱线一致的单色光源， 在同一参考面下分别测量不同谱线的球差。 53 . 3 轴外像差测量 被测物镜的入瞳中心调整在光具座垂直转轴上， 并相对准直物镜光轴转一角度。 测量方法和球差测 量方法相似， 可测量轴外像散、 场曲和彗差. 波像差测试方法 光学系统的波像差是指通过光学系统后的实际波面相对于理想波面的偏差， 最常用的测量方法是 干涉法。 6 . 1 干涉法原理

16、 被测系统的实际波面与参考波面( 理想波面) 之间相互干涉， 形成干涉图。 从干涉图求出实际波面的 形状和波像差的大小。 6 . 1 . 1 由参考镜产生参考波面 以参考镜反射所形成的波面作为参考波面。如泰曼一格林干涉仪、 斐索千涉仪等. 6 . 1 . 2 由小孔衍射产生参考波面 以像面上小孔衍射所形成的波面作为参考波面， 如点衍射干涉仪。 6 . 1 . 3 自 身波面作为参考波面 由被测波面本身不同部分作为参考波面. 如波面剪切干涉法。 常用波面剪切方式有横向、 径向、 旋转 和 翻转等方法 ， 见图 9, ( 口口 口口 旋转剪切a 翻转剪切 图 9 6 . 2 干涉法测11装置 包括

17、照明系统、 干涉系统和目视( 摄影、 摄像或图像实时处理) 系统三个部分. 6 . 2 . 1 照明系统 6 . 2 . 1 . 1 光源 光源的光谱特性应符合被测系统的使用要求。光源为单色光， 其谱线宽度 久 应不影响干涉条纹的 对 比度 。 6 . 2 . 飞 . 2 小孔光阑 GB 1 1 1 6 8 -8 9 光阑尺寸应保证干涉条纹有足够的亮度又有较好的对比度. 6 . 2 . 1 . 3 准直物镜 要求轴上波差小于人 邝. 6 . 2 . 2 干涉系统 本身产生的波差应小于t / 2 0 . 在扫描干涉系统中， 由于采用波面相减技术， 可以校正仪器的系统误 差， 对元件要求可降低。

18、6 . 2 . 3 目视( 摄影、 摄像或图像实时处理) 系统 要求晴变小， 不 影响判读 干涉图 形. 6 . 3 千涉图的处理 被测波面和参考波面之间的偏差， 用被测系统光瞳面内最大峰一 谷值( y - V ) 表示。 人工判读千涉图的第一步是确定参考间隔. 两条最边缘千涉条纹与孔径边界相交的四个点A , B , C , D见图 1 0 .孔径内至少有 5 -7条纹， 先将两个交点连成直线， 过一个交点C和 D作一条平行线， 用D , 和 D , 表示两条平行线截得条纹的距离， 条纹平均间距 H由式( 8 ) 求得: D + D ,_ _ _ _ _ _ _ _ _“ . . . . .

19、t Q 月=T ( -.A 二 1 ) ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” - - - - - - 一、 价 式中: N 孔径内条纹数。 连接中央条纹和两条平行线的交点， 称为主参考线.以平均间距 H为间距， 画出与主参考线平行的 其他参考线， 这些参考线组成了干涉条纹图， 记录每条纹 相对于参考线的偏差h ( 峰一 谷值p - V ) ， 把左偏 差h , 峰值刃 极大值和右偏差h a ( 谷值V ) 极大值的 绝对值相加， 即波面的峰一 谷 值. h = ( h x ) . +1 ( h ) 。 二 卜. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 9 ) 光程差( O P D ) ， 条纹数: ( O P D)=习H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 ) 光程差( O P D ) , 波长数: 单通道 干涉仪 ( OP D) , =( OP D) x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21、. . . . . . . . . . . . . . . . . ( I 1 ) 双通道干涉仪 ( OP D) , =( OP D) . X 1 / 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 2 ) GB 1 1 1 6 8 -8 9 。通道千涉仪 ( OP D) A =( O P D) . X 1 / n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22、 . . . . . . . ( 1 3 ) 也可用干涉图自动处理系统得到波面的峰一 谷值。 剪切干涉图要进行一定的处理后， 才能得到波面的峰一 谷值。 GS 1 1 1 6 8 -8 9 附录A 各类系统理论分辨力 ( 补充件) 表 A 1 各类系统理论分辨力 c=盆 5 %c=2 . 5 无焦系统 (“) 1 . 2 2 2 1 4 0 叫，二二- D D 1 . o 5 A 1 2 0 一竺留一 D D 无限远成像系统 I p / mm 7 1 4 7 7 一，二二一 1 . 2 2 A F F 1 1 71 6 一二二一 1. 0 5 ) F F 显微系统 pn 0 . 6 1 A 0 . 3 4 盖二二一 N A NA 0 . 5 2 A 0 . 2 9 一竺胃宝一 夕月NA 表 中 : I 二 一 I , I - .十 1 - ( A 1 ) D 入瞳直径, m m; F 光阑指数; N A -数值孔径; 1 . = 0 . 5 5 0 u m a 附加说明 本标准由上海光学仪器研究所归口并负贵起草。