Evaluación de la calidad de la imagen: curvas de aberración
1. Curvas de aberración geométrica
1.1 Curva de aberración esférica
La aberración esférica es un tipo de aberración monocromática para puntos axiales, donde los rayos en diferentes ángulos intersecan el eje óptico en varios puntos después de pasar a través de una lente, desviándose del punto de imagen ideal.
En una curva de aberración esférica, el eje vertical representa la apertura, mientras que el eje horizontal denota la aberración esférica (o aberración esférica cromática).
Al analizar esta curva hay dos aspectos clave que requieren atención:
1) Preste atención al tamaño de la aberración esférica.
2) Preste atención a la forma de las curvas , especialmente al grado de separación entre múltiples curvas que representan varios colores de luz.
Si una sola curva está bien, pero la distancia entre las curvas es grande, indica un cromatismo severo de posición dentro del sistema.
La mayor distancia de las tres curvas respecto del eje vertical indica la presencia de aberración cromática axial y aberración esférica.
1.2 Curvas de aberración fuera del eje
Normalmente consta de dos gráficos separados:
1) Gráfico izquierdo: muestra la curvatura del campo meridional paraxial X T 'y la curvatura del campo sagital paraxial X S '. Si hay varias longitudes de onda de trabajo, las curvaturas del campo meridional y sagital de cada longitud de onda se mostrarán individualmente.
2) Gráfico derecho: Representa distorsión.
Los diferentes colores indican luz de diferente color, T y S representan tangencial y sagital respectivamente. La distancia entre T y S del mismo color indica el astigmatismo X' ts . Ambos gráficos tienen el campo de visión como eje vertical. En el gráfico de la izquierda, el eje horizontal representa la curvatura del campo en mm, mientras que en el gráfico de la derecha representa la distorsión como porcentaje. El espaciado entre curvas de diferentes colores en el gráfico de la izquierda indica aberración cromática en aumento.
La distorsión es una forma de aberración de rayos primarios y refleja el grado de similitud de la imagen del objeto, si es menor al 1% , la imagen del objeto se considera casi perfectamente similar.
Planos meridionales: cualquier sección transversal del haz que pase por el eje y de la apertura;
Planos sagitales: Cualquier sección transversal del haz que pase por el eje x de la apertura.
2. Diagrama de puntos
Un diagrama de puntos es el diagrama de distribución de la forma de la luz en el plano de la imagen. Cuando numerosos rayos de una única fuente puntual pasan a través de un sistema óptico, debido a las aberraciones, la intersección en el plano de la imagen ya no se concentra en el mismo punto, lo que da como resultado un patrón disperso conocido como diagrama de puntos.
Esto corresponde a la representación de una fuente puntual en una posición de campo específica, es decir, la representación de una fuente de luz puntual en la posición de campo de imagen. Debido a las aberraciones de la lente, una fuente puntual ideal no puede reproducirse como un punto perfecto. La representación de un objeto real puede considerarse como la superposición de innumerables fuentes puntuales, lo que significa que el diagrama de puntos refleja directamente la calidad de la representación real (en el plano focal). Los diagramas de puntos se encuentran entre los métodos de evaluación más utilizados en el diseño óptico moderno.
1) Preste atención a los valores de la tabla debajo del diagrama; los valores más pequeños indican una mejor calidad de imagen .
2) Analizar la forma de la distribución en el diagrama para evaluar el impacto de las aberraciones geométricas en el sistema, como el astigmatismo notable o las características de coma, así como el grado de separación de varias manchas de color.
2.1 Analizar la aberración cromática
En el diagrama de puntos para un campo de 0° (rayos sobre el eje):
(1) Si los puntos rojos, verdes y azules no se superponen bien, esto sugiere la presencia de aberración cromática axial (en el eje).
(2) La presencia de múltiples círculos de confusión indica aberración esférica.
(3) Los diagramas de puntos son principalmente una herramienta para evaluar cualitativamente qué aberraciones son más graves en la trayectoria óptica actual, en lugar de medir las aberraciones cuantitativamente.
2.2 Analizar el coma
En el diagrama de puntos para un campo de 35° (rayos sobre el eje):
①La aberración cromática es relativamente pequeña, con cierto aumento en la aberración de onda corta, lo cual es normal.
②La presencia de "colas" en los colores rojo, verde y azul (marcadas en la figura) sugiere que está cerca del borde de apertura para este campo.
③Esta "cola" se llama coma.
④Efectivamente, en la figura hay coma. Para determinar su gravedad, compárela con los estándares de calidad establecidos.
2.3 Analizar el astigmatismo
Un método consiste en examinar los diagramas de puntos desenfocados. El del centro es el diagrama de puntos en el plano de la imagen, el de la izquierda muestra el diagrama cuando el plano de la imagen se desplaza hacia la izquierda y el de la derecha lo muestra cuando se desplaza hacia la derecha.
Se puede observar que el punto en el plano de la imagen tiene una forma aproximadamente elíptica; aparece como una elipse ancha orientada verticalmente en el lado izquierdo del plano de la imagen y aparece como una elipse orientada horizontalmente en el lado derecho del plano de la imagen, lo que indica un astigmatismo significativo dentro de este rango.
3. Función de transferencia
Función de transferencia de modulación (MTF):
La MTF se define como la relación entre el contraste de la imagen y el contraste del objeto a una frecuencia espacial dada, lo que refleja la capacidad del sistema para transferir diferentes frecuencias espaciales y contrastes . En general, la función de transferencia de alta frecuencia refleja la capacidad de transferir detalles del objeto , la de baja frecuencia refleja la capacidad de transferir contornos del objeto y la de frecuencia media refleja la capacidad de transferir niveles del objeto .
La tabla MTF de una lente proporciona una descripción cuantitativa de su poder de resolución (resolución), cuantificando específicamente la claridad de la imagen, que incluye tanto la resolución como la nitidez. Matemáticamente, MTF significa función de transferencia de modulación .
3.1 Curva MTF
Las curvas de colores en el gráfico representan la MTF para la luz policromática (blanca) en varios campos.
T y S indican las direcciones tangencial (meridional) y sagital respectivamente. La curva negra en la parte superior representa el límite de difracción. El eje horizontal muestra la frecuencia espacial en lp/mm (pares de líneas por milímetro), mientras que el eje vertical representa el contraste, con un máximo de 1. Cuanto más alta sea la curva, mejor será la calidad de la imagen.
3.2 Función de transferencia y curva de relación de desenfoque
Esta curva ilustra la relación entre el MTF meridional y sagital y el desenfoque para diferentes campos de visión a una frecuencia espacial determinada. La curva de desenfoque muestra los cambios en el MTF cuando el plano de la imagen se desvía de su posición de diseño.
El eje horizontal representa la distancia de desviación con respecto al plano de la imagen diseñado, mientras que el eje vertical muestra el valor de MTF. Cuanto más se desvíe el plano de la imagen de la posición diseñada, mayor será la caída de MTF.
Esta curva ayuda a evaluar si los planos focales óptimos son consistentes en todo el campo y qué tan sensible es el MTF al desenfoque.
4. Ventilador de aberración de rayos (Rayfan)
El abanico de aberraciones de rayos, también conocido como RayFan, muestra las aberraciones de rayos en función de las coordenadas de la pupila y es una herramienta poderosa para analizar las aberraciones de rayos. Además, ilustra todas las aberraciones excepto la distorsión y no se limita a las aberraciones primarias.
El RayFan muestra a qué distancia cae un rayo en una determinada posición de la pupila respecto del punto ideal en el plano focal. La intersección en el eje vertical representa la dispersión de color de la magnificación.
En estos diagramas, el eje horizontal representa la pupila, mientras que el eje vertical indica el ancho real del sensor. Cada posición del campo de imagen tiene diagramas tangenciales y sagitales.
Para una lente sin aberraciones , el RayFan sería una línea recta . La altura de la curva refleja la aberración.
El desenfoque aparece como una curva lineal. El coma primario aparece como una curva cuadrática. La aberración esférica primaria y el coma sagital aparecen como curvas cúbicas. Las lentes actuales a menudo muestran curvas complejas e irregulares , que representan una síntesis de los diversos tipos de aberraciones, desde las primarias hasta las de orden superior.
La pendiente de la línea representa el grado de desenfoque. Naturalmente, la pendiente de los rayos de diferentes colores indica la dispersión axial del color. Las diferencias de pendiente entre las direcciones tangencial y sagital representan astigmatismo; las pendientes idénticas y distintas de cero indican la curvatura del campo.