Évaluation de la qualité de l'image - Courbes d'aberration

L'aberration sphérique est un type d'aberration monochromatique pour les points axiaux, où des rayons à différents angles coupent l'axe optique à différents points après avoir traversé une lentille, s'écartant du point d'image idéal.

Dans une courbe d'aberration sphérique, l'axe vertical représente l'ouverture, tandis que l'axe horizontal désigne l'aberration sphérique (ou aberration sphérique chromatique).

Lors de l'analyse de cette courbe, deux aspects clés nécessitent une attention particulière :

1) Faites attention à la taille de l'aberration sphérique.

2) Faites attention à la forme des courbes , en particulier au degré de séparation entre plusieurs courbes représentant plusieurs couleurs de lumière

Si une seule courbe est correcte, mais que la distance entre les courbes est grande, cela indique un chromatisme de position sévère au sein du système.

Cela se compose généralement de deux graphiques distincts :

1) Graphique de gauche : affiche la courbure du champ méridien paraxial X _T ' et la courbure du champ sagittal paraxial X _S '. Si plusieurs longueurs d'onde de travail sont présentes, les courbures du champ méridien et sagittal de chaque longueur d'onde seront affichées individuellement.

2) Graphique de droite : Représente la distorsion.

Les différentes couleurs indiquent une lumière de couleur différente, T et S représentant respectivement la lumière tangentielle et la lumière sagittale. La distance entre T et S de la même couleur indique l'astigmatisme X' _ts . Les deux graphiques ont le champ de vision comme axe vertical. Dans le graphique de gauche, l'axe horizontal représente la courbure de champ en mm, tandis que dans le graphique de droite, il représente la distorsion en pourcentage. L'espacement entre les courbes de différentes couleurs dans le graphique de gauche indique l'aberration chromatique en grossissement.

La distorsion est une forme d'aberration des rayons primaires et reflète le degré de similitude de l'image de l'objet. Si elle est inférieure à 1 % , l'image de l'objet est considérée comme presque parfaitement similaire.

Plans méridiens : toute section transversale de faisceau passant par l’axe y de l’ouverture ;

Plans sagittaux : Toute section transversale du faisceau passant par l'axe x de l'ouverture.

Un diagramme de points est le diagramme de distribution de forme de la lumière sur le plan image. Lorsque de nombreux rayons provenant d'une source ponctuelle unique traversent un système optique. En raison d'aberrations, l'intersection sur le plan image n'est plus concentrée au même point, ce qui donne un motif dispersé appelé diagramme de points.

Cela correspond à l'imagerie d'une source ponctuelle à une position de champ spécifique. C'est-à-dire à l'imagerie d'une source lumineuse ponctuelle à la position du champ d'image. En raison des aberrations de l'objectif, une source ponctuelle idéale ne peut pas être reproduite comme un point parfait. L'imagerie d'un objet réel peut être considérée comme la superposition d'innombrables sources ponctuelles, ce qui signifie que le diagramme de points reflète directement la qualité d'imagerie réelle (sur le plan focal). Les diagrammes de points font partie des méthodes d'évaluation les plus couramment utilisées dans la conception optique moderne.

1) Faites attention aux valeurs dans le tableau sous le diagramme ; les valeurs plus petites indiquent une meilleure qualité d'image .

2) Analyser la forme de la distribution dans le diagramme pour évaluer l'impact des aberrations géométriques dans le système, telles que des caractéristiques d'astigmatisme ou de coma notables, ainsi que le degré de séparation de plusieurs taches de couleur.

Dans le diagramme de spot pour un champ de 0° (rayons sur l'axe) :

(1) Si les taches rouges, vertes et bleues ne se chevauchent pas bien, cela suggère la présence d'une aberration chromatique axiale (sur l'axe).

(2) La présence de plusieurs cercles de confusion indique une aberration sphérique.

(3) Les diagrammes de points sont principalement un outil permettant d'évaluer qualitativement quelles aberrations sont les plus graves dans le trajet optique actuel, plutôt que de mesurer les aberrations quantitativement.

Dans le diagramme de spot pour un champ de 35° (rayons sur l'axe) :

①L'aberration chromatique est relativement faible, avec une certaine augmentation de l'aberration des ondes courtes, ce qui est normal.

②La présence de « queues » dans les couleurs rouge, verte et bleue (indiquées sur la figure) suggère qu'elle est proche du bord d'ouverture pour ce champ.

③Cette « queue » est appelée coma.

④Il y a effectivement une virgule sur la figure. Pour déterminer sa gravité, comparez-la aux normes de qualité établies.

Une méthode consiste à examiner les diagrammes de points défocalisés. Celui du centre est le diagramme de points sur le plan de l'image, celui de gauche montre le diagramme lorsque le plan de l'image est décalé vers la gauche et celui de droite le montre lorsqu'il est décalé vers la droite.

On peut voir que la tache sur le plan de l'image a une forme approximativement elliptique ; elle apparaît comme une ellipse large orientée verticalement sur le côté gauche du plan de l'image. Et elle apparaît comme une ellipse orientée horizontalement sur le côté droit du plan de l'image indiquant un astigmatisme significatif dans cette plage.

Fonction de transfert de modulation (MTF) :

La MTF est définie comme le rapport entre le contraste de l'image et le contraste de l'objet à une fréquence spatiale donnée, reflétant la capacité du système à transférer différentes fréquences et contrastes spatiaux . En général, la fonction de transfert haute fréquence reflète la capacité à transférer les détails de l'objet , la basse fréquence reflète la capacité à transférer les contours de l'objet , la moyenne fréquence reflète la capacité à transférer les niveaux de l'objet .

Le tableau MTF d'un objectif fournit une description quantitative de son pouvoir de résolution, en quantifiant notamment la clarté de l'image, qui comprend à la fois la résolution et la netteté. Mathématiquement, MTF signifie Fonction de transfert de modulation .

Les courbes colorées du graphique représentent la MTF pour la lumière polychromatique (blanche) à différents champs.

T et S indiquent respectivement les directions tangentielle (méridionale) et sagittale. La courbe noire en haut représente la limite de diffraction. L'axe horizontal indique la fréquence spatiale en lp/mm (paires de lignes par millimètre), tandis que l'axe vertical représente le contraste, avec un maximum de 1. Plus la courbe est élevée, meilleure est la qualité de l'image.

Cette courbe illustre la relation entre la MTF méridionale et sagittale et la défocalisation pour différents champs de vision à une fréquence spatiale définie. La courbe de défocalisation montre les changements de MTF lorsque le plan de l'image s'écarte de sa position de conception.

L'axe horizontal représente la distance de déviation par rapport au plan d'image conçu, tandis que l'axe vertical indique la valeur MTF. Plus le plan d'image s'écarte de la position conçue, plus la chute MTF est importante.

Cette courbe permet d'évaluer si les plans focaux optimaux sont cohérents sur l'ensemble du champ et dans quelle mesure le MTF est sensible à la défocalisation.

Le Ray Aberration Fan, également connu sous le nom de (RayFan), montre les aberrations de rayons en fonction des coordonnées de la pupille et constitue un outil puissant pour analyser les aberrations de rayons. Il illustre toutes les aberrations à l'exception de la distorsion et ne se limite pas aux aberrations primaires.

Dans ces diagrammes, l'axe horizontal représente la pupille, tandis que l'axe vertical indique la largeur réelle sur le capteur. Chaque position du champ d'image possède des diagrammes tangentiels et sagittaux.

Pour un objectif sans aberrations , le RayFan serait une ligne droite . La hauteur de la courbe reflète l'aberration.

La défocalisation apparaît sous la forme d'une courbe linéaire. La coma primaire apparaît sous la forme d'une courbe quadratique. L'aberration sphérique primaire et la coma sagittale apparaissent sous la forme de courbes cubiques. Les lentilles réelles présentent souvent des courbes complexes et irrégulières , représentant une synthèse des différents types d'aberrations, de l'ordre primaire à l'ordre supérieur.

La pente de la ligne représente le degré de défocalisation. Naturellement, la pente des rayons de différentes couleurs indique une dispersion axiale des couleurs. Les différences de pente entre les directions tangentielle et sagittale représentent l'astigmatisme ; des pentes identiques non nulles indiquent une courbure de champ.