Теория и расчет оптических систем

Рис.16.3. Частотно-контрастная характеристика

Значение ЧКХ зависит от пространственной частоты деталей сформированного изображения, измеряемой в количестве строк на миллиметр.

Вывод частотно-контрастной характеристики возможен либо в виде двумерной функции для всех направлений частот. Настройка способа отображения производится в поле «Вид отображения». Все настройки соответствуют работе «Анализ функции рассеяния точки».

141

Геометрическая частотно-контрастная характеристика рассчитывается для 20 значений пространственных частот до частоты, заданной пользователем (поле «Пространственная частота»). Вывод результатов возможен в виде графика или таблицы. В графической форме для справки выводится безаберрационная ЧКХ, определяемая с учетом дифракции.

Точечная диаграмма лучей – ТД картина точек пересечения лучей, равномерно распределенных по зрачку, с плоскостью изображения (рис. 16.4). ТД может выводиться для одного пучка или для всех пучков.

Рис.16.4. Точечная диаграмма

При выводе точечной диаграммы для одного пучка выводится рамка: по клавише «Space» выделенная часть изображения отобразится на все окно, по клавише «Enter» производится расчет концентрации энергии в прямоугольнике с размерами рамки. Могут быть выведены для справки значения размеров окна и размеров и положения рамки в плоскости изображения справа.

Все настройки этого пункта стандартные для работы «Анализ геометрического изображения». Фокусировочные диаграммы характеризуют изменение точечных диаграмм при сдвиге плоскости изобра-

жения. Для всех пучков выводятся ТД для номинальной плоскости установки и для четырех сдвинутых на расстояния ±DS' и ±2·DS' плоскостей (рис.16.5).

142

Рис.16.5. Фокусировочные диаграммы

Величина сдвига DS' задается в поле «Шаг по расфокусировке» окна «Edit» (рис.16.6). Остальные настройки этого пункта стандартные для работы «Анализ геометрического изображения».

Сканирование пятна рассеяния. В этом пункте отображается топограмма пятна рассеяния. «Шаг сканирования» определяет минимальный размер элемента этой картины.

143

Рис.16.6. Окно «Edit»

Среднеквадратические размеры пятна рассеяния СКВ выводятся в табличной форме (Xскв, Yскв); до-

полнительно положение энергетического центра пятна (Yцэ). По их значениям можно оценить размеры пятна в меридиональном и сагиттальном направлениях (рис.16.7). Все настройки стандартны для работы «Анализ геометрического изображения».

Функция рассеяния линии ФРЛ представляет собой распределение интенсивности в изображении ОС бесконечно длинной линии в меридиональном или сагиттальном сечении (рис.16.7).

144

Все настройки этого пункта стандартные для работы «Анализ геометрического изображения». Вывод возможен в графическом и текстовом режимах.

Рис.16.7. Функция рассеяния линии

Спектральные характеристики. В окне «Edit» можно задать способ вычисления полихроматических характеристик и значения спектральной эффективности. Функция спектральной эффективности показывает «вес» данной длины волны в вычисляемой полихроматической характеристике.

Для режима «Спектральный диапазон < непрерывный> » определяют максимальную и минимальную рабочую длину волны, которую задают в работе «Формирование». Центральная длина волны в этом случае лежит

145

в середине диапазона. Если «Спектральный диапазон <дискретный>», то полихроматические характеристики определяются как средневзешенные с весом, равным спектральной эффективности по заданным длинам волн.

В графическом режиме функция спектральной эффективности отображается в виде графика (16.10).

Рис.16.8. Спектральные характеристики

16.3. Современная оценка качества изображения оптической системы

По критерию Релея остаточная сферическая аберрация ОС не оказывает заметного влияния на качество изображения, если оптическая разность хода любой пары лучей из всего пучка не превосходит λ/4. У многих современных ОС, особенно у светосильных фотографических объективов, оптическая разность хода во много раз превосходит предел, установленный Рэлеем, что объясняется тем, что во многих случаях условия использования изображения допускают большие кружки рассеяния (например, проектирование изображения на экран или фотографирование с уменьшением).

Критерий Штреля для оценки качества изображения использует вычисление освещенности только в центре кружка рассеяния и сравнение этой освещенности с освещенностью центра идеального изображения, даваемого ОС с тем же фокусным расстоянием и относительным отверстием, но без сферической аберрации. Отношение обеих освещенностей, выраженное в процентах, называется «определяющей яркостью» (освещенность в центре принимается 100%). ОС с удовлетворительным качеством изображения по сферической аберрации имеют число (коэффициент) Штреля около 7060%. В других случаях число Штреля порядка 50% и ниже; в этих случаях качество изображения точки зависит от того, как распределена энергия между дифракционными кольцами в пятне рассеяния. Недопустимо, когда внешние кольца получают энергию, не попадающую вследствие аберраций в центральное пятно, и освещенность крайних колец становится сравнимой с освещенностью В центре кружка.

146

Критерий Г. Г. Слюсарева устанавливает угловое разрешение для «ночных» зрительных труб с диаметром выходного зрачка до 8 мм: качество изображения в центре должно обеспечивать угловое разрешение 2'/Г при постепенном ухудшении его до 20'/Г на краю поля (при диаметре входного зрачка до 2 мм); для остальной части зрачка допускают увеличение разрешаемых углов до 10'/Г центре поля и 1°/Г на краю.

При увеличениях, больших 10х, в зрительной трубе начинает сказываться влияние вторичного спектра и сферохроматической аберрации [3].

В широкоугольных ОС с угловым полем, большим 65°, оценивают относительную дисторсию: она должна быть «подушкообразной» и положительной, не более 5% на краю поля изображения (для чего в линзах окуляра используют параболоидальную поверхность).

Критерий А. И. Тудоровского устанавливает «нормальное» увеличение зрительной трубы, равное 0.5D согласно технологическому пределу разрешающей способности безаберрационного объектива ( ψ=140"/D) с учетом углового предела разрешения для нормального глаза (1'). Возрастание увеличения не приносит пользы для улучшения разрешения.

По Государственному стандарту на бинокли разрешающая способность телескопической системы для точки на оси определяется диаметром выходного зрачка: для диаметра зрачка до 5 мм она равна 120"/D, а свыше

5 мм – 300"/D.

Критерий С. В. Елисеева предполагает, что наибольшее влияние на разрешающую способность оказывает хроматизм изображения. Он устанавливает наилучшую разрешающую способность глаза при зрачке с диаметром не более 1,5 мм (обычно разрешающая способность определена 1' при зрачке 3 мм [5]); из-за хроматических погрешностей предельный разрешаемый угол для системы падает.

Для панкратических зрительных труб допускается ухудшение качества изображения на 20-30%.

147

ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ АБЕРРАЦИЙ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФОТООБЪЕКТИВОВ

Лабораторная работа № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛАЗА КАК ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЕКЦИОННЫХ СИСТЕМ

Лабораторная работа №6 ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРОПУСКАНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ ОБРАЗЦОВ НА ФОТОМЕТРЕ

Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И СВОЙСТВ ТИПОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Лабораторная работа №8 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАРАКСИАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И АБЕРРАЦИЙ СКЛЕЕННОГО ДВУХЛИНЗОВОГО ОБЪЕКТИВА

Лабораторная работа №9 ИССЛЕДОВАНИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ПУЧКОВ В РЕАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Лабораторная работа № 10 ИССЛЕДОВАНИЕ ЯРКОСТИ ОБЪЕКТОВ

Требования к выполнению лабораторных работ

КРАТКОЕ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ OPAL - PC ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Планы практических занятий Требования к выполнению домашних заданий и контрольных работ Примеры решения задач

148

Задания на самостоятельную работу Индивидуальные карточки для самостоятельной работы Упражнения и задачи для самостоятельной работы

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Цель и задачи курсового проектирования

Содержание курсового проекта и требования к его оформлению Последовательность выполнения курсового проекта Оформление технической документации на рассчитанную оптическую систему. Порядок защиты проекта

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ Средства диагностики

Критерии оценки результатов учебной деятельности Контрольные задания по темам учебной дисциплины Вопросы к экзаменам по дисциплине (теоретическая часть) Вопросы к экзаменам по дисциплине (практическая часть)

Задачи к экзамену (6 семестр)

Примерный перечень контрольных вопросов к лабораторным работам ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ ВЫДЕРЖКИ ИЗ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ ДИСЦИПЛИНЫ ГЛОССАРИЙ

149

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ АБЕРРАЦИЙ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Цель работы: изучить основные аберрации простой линзы по виду фигуры рассеяния в плоскости изображения. Измерить сферическую аберрацию и хроматизм положения сложного объектива.

Оборудование и принадлежности к работе

Оптическая скамья, осветители, исследуемые оптические системы, экраны, точечная диафрагма зональная диафрагма, светофильтры, измерительные инструменты.

Описание установки и порядок выполнения работы

1. Исследование сферической аберрации, комы и астигматизма по виду изображения светящейся точ-

ки. Работа производится на установке, изображенной на рис. 1.1.

Работу необходимо производить в следующей последовательности:

а) ознакомиться с установкой и проверить правильность расположения ее отдельных элементов.

б) исследовать вид изображения светящейся точки при сферической аберрации в зависимости от величины отверстия линзы; для этого менять диафрагму 5 и, перемещая экран 7 вдоль оптической оси линзы 6, заметить и зарисовать вид и местоположение изображения. По шкале, которая имеется на рельсе установки, измерить продольную сферическую аберрацию. Убрать диафрагму 5 и найти местоположение наиболее резкого изображения, даваемого всей линзой. Зарисовать вид изображения и указать местоположение его относительно изображений, даваемых различными зонами линзы;

в) исследовать хроматическую сферическую аберрацию; для этого перед диафрагмой 4 последовательно установить светофильтры, соответствующие линиям С, D и F , и измерить величину аберраций по пункту «б»;

г) исследовать изображение при наличии аберрации комы в зависимости от величины угла поля зрения. Для этого убрать зональную диафрагму 5 и повернуть линзу вокруг вертикальной оси последовательно на углы 10, 20 и 30О. Зарисовать получающиеся при этом фигуры рассеяния, являющиеся изображением светящейся точки, и примерный характер распределения энергии в этих фигурах;

150