GB/T 11168-2009 光学系统像质测试方法

　　ICS 37 . 020 N 30

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 1 1 168—2009代替 GB/T 11168—1989

　　光学系统像质测试方法

　　Image quality ofopticalsystems—

　　Method ofdetermination

　　2009-09-30 发布 2009-12-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 1 1 168—2009

　　前 言

　　本标准代替 GB/T 11168—1989《光学系统像质测试方法》。

　　本标准与 GB/T 11168—1989 的主要差异为：

　　— 规范了 GB/T 11168—1989 第 2 章中的引用标准;

　　— 将 GB/T 11168—1989 第 3 章 、第 4 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(SAC/TC 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：

　　—GB/T 11168—1989 。

　　Ⅰ

　　GB/T 1 1 168—2009

　　光学系统像质测试方法

　　1 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 。

　　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 。

　　JB/T 6263—1992

　　照相镜头

　　照相分辨率测试标板

　　JB/T 7473—1994

　　照相镜头

　　分辨率测试图

　　JB/T 9328—1999

　　分辨力板

　　3 像质测试方法

　　3 . 1 星点

　　3 . 1 . 1 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(Airy)分布见式(1)和式(2) :

　　I = I …………………………( 1 )

　　V

　　式中：

　　IO — 被测系统所成星点衍射像的中央处光强;

　　J1 — 1 阶贝塞尔函数;

　　V— 复振幅分布函数;

　　f,— 被测系统焦距;

　　a— 被测系统光瞳半径;

　　r— 距被测系统几何像点的径向距离; x，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 。

　　1

　　GB/T 1 1 168—2009

　　图 1

　　图 2

　　3 . 1 . 2 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 。

　　3 . 1 . 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 3

　　3 . 1 . 2 . 1 . 1 星点孔

　　星点孔应该足够小，其几何像的直径应小于爱里斑半径 。

　　2

　　GB/T 1 1 168—2009

　　3 . 1 . 2 . 1 . 2 准直物镜

　　准直物镜通常是复消色差物镜，轴上波差应小于 λ/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 。

　　3 . 1 . 2 . 1 . 3 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 。

　　3 . 1 . 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 . 1 . 2 . 1 。

　　3 . 1 . 2 . 3 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 . 1 . 2 . 1 . 1 和 3 . 1 . 2 . 1 . 3 一样 。

　　3 . 1 . 3 判别方法

　　3 . 1 . 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 4 所示 。

　　a) 玻璃内部存在结石 、条纹

　　b) 被测系统存在应力

　　c) 被测系统存在偏心和零件定中不准

　　图 4

　　3 . 1 . 3 . 2 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 。

　　3 . 1 . 3 . 3 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 。

　　3 . 2 分辨力

　　3 . 2 . 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 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 。

　　3

　　GB/T 1 1 168—2009

　　a) 系统球差校正过度

　　b) 系统球差校正不足

　　c) 系统存在带球差

　　图 5

　　图 6

　　3 . 2 . 2 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 JB/T 6263—1992 、JB/T 7473—1994 、JB/T 9328—1999 的规定 。

　　3 . 2 . 3 测量结果表示

　　3 . 2 . 3 . 1 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) :

　　NO = …………………………( 3 )

　　4

　　GB/T 1 1 168—2009

　　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 α表示，见式(4) :

　　…………………………( 4 )

　　式中：

　　an—n单元线条中心距; f’O — 准直物镜焦距 。

　　a) 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 7

　　3 . 2 . 3 . 2 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 w，在子午方向分辨线对数Nt 由式(5)求得：

　　N NO cos2 w …………………………( 5 )

　　在弧矢方向分辨线对数 Ns 由式(6)求得：

　　N NO cosw …………………………( 6 )

　　式中：

　　w— 半视场角 。

　　3 . 3 几何像差

　　3 . 3 . 1 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 。

　　3 . 3 . 2 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 。

　　5

　　GB/T 1 1 168—2009

　　1 — 光源;

　　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 8

　　3 . 3 . 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 1/100 ~ 1/400 。

　　3 . 3 . 2 . 2 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 。

　　3 . 3 . 2 . 3 准直物镜同 3 . 1 . 2 . 1 . 2 。

　　3 . 3 . 3 测量程序

　　通过被测物镜不同高度 hn 的细光束聚焦在不同的焦点 Fn，其位置通过测量焦点前 、后两个截面 E1和 E2 上的米字形光斑中心距和两截面间距后按式(7)计算得到 。

　　3 . 3 . 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 hn 的小孔后，在焦前和焦后截面 E1 和 E2 上测得其中心距分别为 bn1 和 bn2 ,按式(7)可求出这对光线的空间交点 Fn 的位置坐标sn(以前截面 E1 为参考面)：

　　sn = d …………………………( 7 )

　　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 s0 ,由测量一组高度为 2hn 光线对交点的位置坐标sn1 以及以 hn 为纵坐标， sn 为横坐标，连成曲线，将此曲线外推得到球差 sn-s0 。

　　3 . 3 . 3 . 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 。

　　3 . 3 . 3 . 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 。

　　3 . 4 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 。

　　6

　　GB/T 1 1 168—2009

　　3 . 4 . 1 干涉法原理

　　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 。

　　3 . 4 . 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-格林干涉仪，斐索干涉仪等 。

　　3 . 4 . 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 。

　　3 . 4 . 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 。

　　a) 横向剪切 b) 径向剪切

　　c) 旋转剪切 d) 翻转剪切

　　图 9

　　3 . 4 . 2 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 。

　　3 . 4 . 2 . 1 照明系统

　　3 . 4 . 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 Δλ应不影响干涉条纹的对比度 。

　　3 . 4 . 2 . 1 . 2 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 。

　　3 . 4 . 2 . 1 . 3 准直物镜

　　要求轴上波差小于 λ/8 。

　　3 . 4 . 2 . 2 干涉系统

　　本身产生的波差应小于 λ/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 。

　　3 . 4 . 2 . 3 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 。

　　3 . 4 . 3 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-谷值(p-v)表示 。

　　7

　　GB/T 1 1 168—2009

　　图 10

　　人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 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D1 和 D2 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

　　H = 2( 1N- 12) …………………………( 8 )

　　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-谷值 p-v)，把左偏差 hL(峰值 p)极大值和右偏差 hR(谷值 v)极大值的绝对值相加，即波面的峰-谷值 h 由式(9)求得：

　　h = 狘(hR ) max |+|(hL ) max | ( 9 )

　　光程差(OPD)H 条纹数由式(10)求得：

　　(OPD)H = h/H ( 10 )

　　光程差(OPD)λ 波长数分别由式(11) 、式(12)和式(13)求得：

　　单通道干涉仪

　　(OPD)λ =(OPD)H ( 11 )

　　双通道干涉仪

　　(OPD)λ =(OPD)H × 1/2 ( 12 )

　　n通道干涉仪

　　(OPD)λ =(OPD)H × 1/n ( 13 )

　　也可用干涉图 自动处理系统得到波面的峰-谷值 。

　　剪切干涉图要进行一定的处理后，才能得到波面的峰-谷值 。

　　8

　　GB/T 1 1 168—2009

　　附 录 A

　　(规范性附录)

　　各类系统理论分辨力

　　各类系统理论分辨力见表 A. 1 。

　　表 A.1

　　C= 15%

　　C= 2 . 6%

　　无焦系统/( ″)

　　无限远成像系统/(lp/mm)

　　显微系统/μm

　　0 . 61λ 0 . 34 NA = NA

　　表中：

　　C …………………………( A. 1 )

　　D— 入瞳直径，单位为毫米(mm) ; F— 光阑指数;

　　NA— 数值孔径;

　　λ=0 . 550 μm 。

　　9

　　GB/T 1 1 1 6 8 2 0 0 9

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　　国 家 标 准

　　光学系统像质测试方法

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　　开本 880 × 1230 1/16 印张 1 字数 19 千字

　　2009 年 11 月第一版 2009 年 11 月第一次印刷

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　　书号：155066 ·1-39281

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