星点像检测显微镜物镜光学系统

一、引言

     在成像用的光学(或光电)系统的设计、制造和使用中，都十分关注该系统的成像性能，即成像质量问题(简称像质)。如何有效地检测出系统的成像质量则是评价一个成像光学系统性能优劣的前提。在可见光成像领域，常用的像质检测方法有星点法、分辨率法、光学传递函数法、傅科刀口法、朗契检验法等。这些方法综合评价了光学系统的几何像差和衍射效应对成像质量的影响，到目前为止应用仍非常广泛。

     星点检验是一种通过观察点光源经过光学系统后在像面及像面前后不同截面上形成的衍射像（即星点像）的形状及光强分布来定性评价光学系统成像质量的方法。这种方法广泛应用于显微镜物镜的检测与校正，具有设备简单、现象直观、精确度高的优点。

     星点检验的基本原理是利用光的衍射效应。当点光源通过光学系统时，在像面上会形成一个衍射像，如果光学系统没有像差，理想的星点像应该是中心亮点外环绕一个同心圆环。通过观察这个星点像的形状和光强分布，可以判断光学系统是否存在像差以及像差的类型。

二、星点像的形态

     在理想情况下，星点像在焦点处应表现为一个亮点，外环绕一小亮环，星点圆整明亮，成桃红色，亮度占总亮度的80%，星环为同心圆，细而淡，颜色为蓝微带白，亮度占总亮度的20%。星点与星环之间的黑色背景环应清晰、明显，焦内焦外的星点和星环完全对称扩散。

     除了设计，考虑装调误差，球差是由于透镜曲率半径和厚度误差以及透镜组合之间的空气间隙不合适造成的。当物镜存在球差时，星点像会在中心亮点和星环的亮度比例及颜色上发生变化：

     负球差：星点亮度暗淡，星环变粗且由蓝色变为绿色，外圈出现多圈绿色干涉环。

    正球差：星点亮度过大，由桃红色变为炽白色，星环由蓝白色变为炽白色，黑色背景环不明显。

     同样的，彗差是由于各透镜组光轴不在同一直线上造成的，表现为星点像不圆整，星环不对称，形成彗星状尾翼，焦内焦外星点像呈彗星形扩散，衍射环增多。

     像散是由于透镜组光轴倾斜不重合造成的，表现为星点像在焦点处呈◆形，焦内焦外星点和星环呈椭圆形扩散。

      当物镜有畸变存在时，星像图呈现如下图所示的图像，星点与星环出现不规则的多角形。有时由于物镜玻璃材料和在装配过程中由于压圈过紧而造成的内应力引起的像差，调焦时在焦内焦外出现星点和星环成不规则形扩散的现象。

三、结论

     星点检验是一种有效的光学系统像质评估和校正方法，通过观察和分析星点像的形态，可以识别一个实际光学系统的各种像差，从而在装调过程中不断调整，使系统成像质量更接近设计状态。在实际操作中，各种像差常常相互关联，需综合考虑和反复调整以达到最佳效果。

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