Zemax仿真中像质评价及方法

无论是在仿真还是实际应用中，一个成像系统质量的好坏，都需要一定的指标和方法进行评估。影响像质量的主要因素包括两个方面：像差和衍射。

设计阶段评价成像质量方法：

几何光学法：几何像差法、波像差、点列图、几何光学传递函数

物理光学法：点扩散函数、相对中心强度、物理光学传递函数

所以，在使用Zemax对光学系统进行仿真和优化后，需要选取某个方面对光学系统进行质量评估，来满足项目设计的要求。

球差 $\delta L'$	子午球差 $\triangle L'_{T}$
色差 $\triangle l'_{FC},\triangle L'_{FC}$	子午慧差 $K'_{T}$
像散 $x'_{ts}$	弧矢球差 $\triangle L'_{S}$
场曲	弧矢慧差 $K'_{S}$
慧差	细光束子午场曲 $x'_{t}$
畸变 $\delta y'_{z}$	细光束弧矢场曲 $x'_{s}$
垂轴色差	波像差

Fans	光扇图
Spot Diagram	几何点列图
MTF	调制传递函数
PSF	点扩散函数
Wavefront	波像差
Miscellaneous	其他或杂项

Fans：由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标。（包括：Ray Aberration、Optical path 和 Pupil Aberration三种。）

光线像差图

表述了不同高度的扇形图，系统成像质量的情况。

（注：PX、PY是某条光线在瞳上的归一化坐标；ex、ey是该光线在理想像面上对理想成像点的偏移量。）

Spot Diagram：反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况；通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的弥散情况。（Zemax在此基础上还给出以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列图。）其表现形式有五种，常用为标准点列图（standard）。【使用点列图的优点是直观，易观察，但是其缺点是，需要大量光线追迹。】

MTF：既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，是光学传递函数(OTF)的模，曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为1/mm，即每毫米多少对线，纵轴表示对这些黑白细实线物分辨的调制度，越高说明分辨率越强。

物理含义：应用傅立叶变换原理与光学系统相干成像理论，计算出镜头对逐渐变细的黑白线对分辨的调制度。

【MTF中，曲线形成的面积越大，成像质量越好，分辨率越高。】

根据计算方式的不同，分为三种情况：

1.FFT MTF：基于快速傅立叶变换，先计算PSF（点扩散函数），再由PSF→MTF;

2.Huygens MTF：基于惠更斯波面包络原理，先计算出瞳面上的光瞳函数，然后把出瞳面细分，看成次级光源，再向像面传递;因此计算惠更斯传函时，要将出瞳面细分网格、也将像面细分网格采样;

3.Geometric MTF，基于几何点列图，转化成子午面或弧矢面上的线扩散函数，再经傅立叶变换，得到调制传递函数。

PSF：反映点物经过镜头系统后，因像差或衍射在像面上造成的扩散情况，横轴为像面上的线性尺度，纵轴为归一化能量（强度）分布；PSF的计算模型也有FFT和Huygens两种。PSF一般使用在精细成像质量或小像差系统场合。

Wavefront：可用于小像差光学系统和大像差光学系统，同时因有瑞利标准（波像差小于N/4波长，镜头系统成像质量接近理想），使波像差评价像质易被量化，只是对大像差系统时，可将波像差容限取成2~4倍的瑞利标准。波像差跟视场有关，由一个视场物点发出充满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射，经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发生变形，表示存在波像差。

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