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光學分辨率和分辨力到底是不是一回事?

來源:深圳市凱茉銳電子科技有限公司2025-05-21

光學設計中經常遇到兩個概念,系統(tǒng)的分辨力和分辨率。二者到底是不是一個指標,但從名詞上看,二者也有千絲萬縷的聯系。均是對于光學系統(tǒng)成像能力的一個表征,屬于鏡頭的一個重要參數。

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 分辨力,這個是我們課本上講解的比較多的。光學系統(tǒng)是一個衍射受限的低通濾波器,對于物體成像不可能理想,一個理想的物點,經過光學系統(tǒng)后,成像在像面是一個彌散斑,最小也只可能是艾里斑大小,不可能再小。衍射受限指的就是物點受到光學系統(tǒng)口徑衍射限制,導致不能成像理想。那么,在像面上,兩個物點的彌散像逐漸靠近的時候,就會慢慢發(fā)生重疊,當重疊到一半的時候,瑞利判據就認為分不開了。其次,還有阿貝判據和斯派洛判據等。

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這里說的瑞利判據里說的這個距離就是光學系統(tǒng)的分辨力,就是艾里斑中心與另一個艾里斑的一級暗環(huán)重合的時候的這個距離值,通常認為就是艾里斑的半徑值。這是一個線值,從上圖可以看出是像面上的,物方就需要根據光學系統(tǒng)的放大倍率計算一下。為了方便,利用角度來說就會方便很多,除以系統(tǒng)焦距即可。

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上面也就是說,光學系統(tǒng)的分辨力就是艾里斑半徑,用角度來表示的話就是光學系統(tǒng)的艾里斑公式,其中分子是中心波長,分母是光學口徑:

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 分辨率,最直接的聯想就是分辨率板,一些黑白相間的條紋。這些條紋,量化就是一毫米內多少對線,分辨率的單位是lp/mm(線對每毫米)。隨著每毫米內的線對數目越來越多,光學系統(tǒng)成像將越來越模糊,直到分不清楚。能分清楚最多得線對數就是光學系統(tǒng)的分辨率。

 

看到這個單位,那么ZEMAX中傳遞函數的橫坐標就會出現在您的大腦中,和這個一樣。恭喜您,這些您開始串起來了。上面的分辨力是像面分辨兩點最近的距離,分辨率是1毫米內能分辨多少個點(這里為了好理解,把線對換成了點)。這句話說出來,就比較明顯了,二者是倒數的關系。

 

那么接下來,我們利用ZEMAX自帶的哈勃望遠鏡這個光學系統(tǒng)來數據化地說明下分辨力和分辨率。

哈勃望遠鏡光學系統(tǒng),口徑2.4m,焦距57.6m,波長可見,這里計算按照0.5um計算。公式計算的艾里斑半徑14.64um和zemax是一樣的,沒問題。那么,哈勃望遠鏡的分辨力是14.64um。其實,實際中常用的是角度說法,也就是不乘以焦距,即0.2542urad。

 

分辨率根據傳遞函數曲線橫坐標直接讀取出來,可以看出在傳遞函數為0.1的時候,橫坐標為67線對每毫米,這也就是分辨率。這里注釋下,這個0.1是經驗值,在長光所馮秀恒老師的光學系統(tǒng)設計中大致有這樣一句話,光學系統(tǒng)傳遞函數乘以探測器傳遞函數,再乘以顯示器傳遞函數等等,最終能到0.1,則人眼可分辨。本帖只討論理論值,故剔除探測器這些電子學的傳遞函數,所以取0.1傳函處的線對為分辨率。計算分辨率倒數為14.93um,和艾里斑半徑14.64um也基本上可以閉環(huán)了。

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