1、ICS 37020N 30 国中华人民共和国国家标准GBT 1 1 1682009代替GBT 1116819892009-09-30发布光学系统像质测试方法Image quality of optical systems-Method of determination200912-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局学者中国国家标准化管理委员会厘111前 言GBT 11 1682009本标准代替GBT 11168 1989光学系统像质测试方法。本标准与GBT 111681989的主要差异为：规范了GBT 111681989第2章中的引用标准；将GBT 11168-1989第3章、第4
2、章、第5章和第6章归入同一章，标题改为“像质测试方法”。本标准的附录A为规范性附录。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国光学和光子学标准化技术委员会(SAcTc 103)归口。本标准负责起草单位：上海理工大学。本标准参加起草单位：南京江南永新光学有限公司、宁波永新光学股份有限公司、苏州一光仪器有限公司。本标准主要起草人：冯琼辉、章慧贤。本标准所代替标准的历次版本发布情况为：GBT 111681989。光学系统像质测试方法GBT 1 1168-20091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
3、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。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。JBT 62631992照相镜头照相分辨率测试标板JBT 74731994照相镜头分辨率测试图JBT 9328 1999分辨力板3像质测试方法31星点311原理根据星点(点光源)经被测系统成像后，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
4、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J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(Airy)分布见式(1)和式(2)：Jbf堕俨2 (1)V一譬(乡)r一譬(乡)“_再7 (2)式中：J。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；V复振幅分布函数；被测系统焦距；。被测系统光瞳半径；r距被测系统几何像点的径向距离；z，y几何像点的坐标。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同的衍射图案。对于有像差的
5、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。GBT 1 11 68-2009)l卜 )。、l陟 ，、，)图1溺 瓣鞭 瓣图2312测量装置包括星点系统、被测系统夹持器和观察系统三部分。3121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，经观察显微镜放大后由人眼观察。1光源；2聚光镜；3光阑(星点孔)；4准直物镜；5被测光学系统；6观察显微镜。图331211星点孔星点孔应该足够小，其几何像的
6、直径应小于爱里斑半径。2GBT”168200931212准直物镜准直物镜通常是复消色差物镜，轴上波差应小于8。通光孔径应大于被测系统入瞳直径的20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10倍焦距处。31213观察显微镜显微镜的数值孔径要大于被测系统像方孔径，其像质不影响测试结果，选择适当的显微镜倍数，保证人眼能分辨爱里斑。3122远焦光学系统用观察望远镜代替观察显微镜，其他同3121。3123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31211和31213一样。313判别方法3131判别被测
7、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4所示。IBa)玻璃内部存在结石、条纹In一_鼍b)被测系统存在应力墨圈c)被测系统存在偏心和零件定中不准图43132判别被测系统的色差被测系统存在色差时其星点衍射像呈彩色，根据色彩判别色差校正情况。3133判别被测系统球差当被测系统存在球差时，虽然星点衍射像仍有中央亮斑及一系列同心环，但光强分布与理想爱里斑不同。球差越大，光能分散到各衍射环也越多，像面前、后对称截面上的衍射图形也不同，见图5。32分辨力321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，
8、对两个相邻发光物点所成的像是两个爱里斑的叠加，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应不低于15，实际上c在26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。GBT 11 1682009 游一一a)系统球差校正过度辚一nb)系统球差校正不足蜷iO夏c)系统存在带球差图5图6322测试装置包括分辨力板系统、被测系统夹持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，其他与星点法相同，分辨力板应符合JBT 6263-1992、JBT 7473 1994、JBT 9328 1999的规定。323测量结果表
9、示3231轴上分辨力如图7a)，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，见式(3)：N。一可M4式中：M线对数；y对应长度，单位为毫米(mm)。远焦光学系统的分辨力以分辨角Gt表示，见式(4)：d一孥206 265(”)3-O式中：口。n单元线条中心距；Yo准直物镜焦距。守。譬型J!lGBT 1 1 168-2009a)轴上 b)轴外1平行光管；2被测物镜；3像平面；4图案线的水平线条；5图案线的竖线条。图73232轴外分辨力如图7b)，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m，在子午方向分辨线对数N。由式(5)求得：N。一诃iM盈iN。
10、c。szm在弧矢方向分辨线对数N。由式(6)求得：N，一切M磊面一N。c。sm式中：cc，一半视场角。33几何像差331原理这里指测量被检光学系统对不同色光、不同视场、不同入射高度的细光束在光轴上交点位置来评价成像质量，较常用的方法为哈特曼法。332测量装置测量装置示意图见图8。在准直物镜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呈对称分布，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。5GBT 11 1682009o ol光探；2聚光镜；3小孔光阑；4准直物镜；5米字形光阑；6被测物镜。图83321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
11、光阑，光阑孔要等距分布，其直径一般为被测物镜焦距的11001400。3322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17和15。3323准直物镜同31212。333测量程序通过被测物镜不同高度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。上的米字形光斑中心距和两截面间距后按式(7)计算得到。3331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。的小孔后，在焦前和焦后截面E，和E：上测得其中心距分别为b。和b。按式(7)可求出这对光线的空间交点只的位置坐标S。(以前截面E，为参考面)：
12、S。一牟dD。1十D。2式中：d焦前和焦后两截面之间的距离。近轴光线交点位置坐标s。，由测量一组高度为2。光线对交点的位置坐标S。以及以h。为纵坐标，S。为横坐标，连成曲线，将此曲线外推得到球差S。-So。3332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。3333轴外像差测量被测物镜的人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。34波像差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。6GBT 1 1 1682009341干涉法原理
13、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。3411 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，斐索干涉仪等。3412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。3413 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。a)横向剪切 b)径向剪切c)旋转剪切 d)翻转剪切图9342干涉法测量装置包括照明系统、干涉系统和目视(摄影、摄像或图像实时处理)系统三个部分。3421照明系统
14、34211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A应不影响干涉条纹的对比度。34212小孔光阑光阑尺寸应保证干涉条纹既有足够的亮度又有较好的对比度。34213准直物镜要求轴上波差小于U8。3422干涉系统本身产生的波差应小于20。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。3423 目视(摄影、摄像或图像实时处理)系统要求畸变小，不影响判读干涉图形。343干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(声一y)表示。GBT 1 11682009刀 一弋 、 ) 卜 F I JN 一 一 H H图10人
15、工判读干涉图的第一步是确定参考间隔。两条最边缘干涉条纹与孔径边界相交的四个点A、B、C、D见图10。孔径内至少有57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：H一旦!里1 2(N一1)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Py)，把左偏差h。(峰值声)极大值和右偏差hn(谷值y)极大值的绝对值相加，即波面的峰一谷值h由式(9)求得：hI(。)一l+I(k)|
16、(9)光程差(OPD)”条纹数由式(10)求得：(OPD)。一H (10)光程差(OPD)。波长数分别由式(11)、式(12)和式(13)求得：单通道干涉仪(OPD)一(OPD)H (11)双通道干涉仪(OPD)一(OPD)H12 (12)n通道干涉仪(OPD)。一(OPD)H1n (13)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。各类系统理论分辨力见表A1。附录A(规范性附录)各类系统理论分辨力表A1GBT 1 1 168-2009C一15 C=26122A 140 1052 120无焦系统(”)D D D D无限远成像系统(1pmm) !一坐翌 !一卫坚122AF F 105AF F显微系统弘m !止坠：生型 !生型：坠垫NA NA NA NA表中D入瞳直径，单位为毫米(ram)F光阑指数；NA数值孔径；A一0550 pm。C一!二!j一+I(A1)
