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显微镜

斯特列尔比判据(Strehl Ratio Criterion)——表示、应用

时间:2025/2/1 22:25:00   作者:Leslie   来源:正势利   阅读:68   评论:0
内容摘要:一、斯特列尔比(Strehl Ratio)定义二、具体来说,斯特列尔比表示的是:三、主要应用领域

一、斯特列尔比(Strehl Ratio)定义

    有像差时的弥散斑的最大亮度与衍射极限艾里斑的最大亮度之比,称为斯特列尔比,又称“中心点亮度”,是评价小像差系统像质的判据。

英文名称:Strehl ratio

斯特列尔比可以由下式算出:

SR=(实际光束焦斑峰值强度)/(理想光束焦斑峰强度)=I0实际/I0理想

    当观察到点光源时,消球差光学系统将光束集中到图像位置处的一个点。相反,具有像差的光学系统不将光束聚集到一点,导致发散。K.斯特列尔(Karl Strehl)在1894年提出一个判断像质的标准,即斯特列尔比。

    假设在消球差光学系统的像场中的会聚比(聚焦在艾里斑上的光强度)为100%,具有像差的光学系统中的会聚比率被称为“斯特列尔比(SR)”。具有较高SR值的光学系统更接近消球差光学系统。

    由于远场焦斑峰值强度与近场光斑相位分布直接相关,因此,斯特列尔比因子也能较好地反映光束波前畸变对光束质量的影响,常常用它来评价有波前畸变的光束和有像差的光学系统的质量。对于光束具有较小的波前误差,通常要求波前均方根误差小于λ/6 .

    可见,SR总是小于或等于1,且仅与光束波前误差有关。SR=0.8通常称为衍射极限。低于该限度的物镜的光学性能将大打折扣。

    斯特列尔比是用来比较光学系统实际性能与其衍射极限性能的指标,它综合反映了光学系统的波前误差和成像质量,对于评估和优化光学系统设计具有重要的意义。它定义为实际光学系统产生的点扩散函数(PSF)的峰值强度与理想衍射受限系统(即完美系统,没有任何像差)的PSF峰值强度之比。斯特列尔比可以量化由于波前误差(如光学畸变、大气扰动等)导致的成像质量下降。

    当光学系统有像差时,艾里斑占有的光强度比理想时的低。两者的强度比为斯特列尔比。完美无像差时,S=1。明确的像差类型决定了准确的斯特列尔比,Maréchal发现,对于任何像差,斯特列尔比的极限总是接近0.8,所以当斯特列尔比大于0.8时,也可认为系统接近衍射极限。

    光学系统或组件的斯特列尔比也会将其实际性能与理想光束进行比较。聚焦光学元件(包括球面和非球面透镜)的斯特列尔比是某个点光源的实际光学元件的最大焦点辐照度与理论衍射极限光学的理想最大辐照度的比值。斯特列尔比为 1 表示光学元件完美,无畸变。行业规范通常认为透镜在斯特列尔比大于 0.8 时达到“衍射极限”。

    光学元件的斯特列尔比与下面等式 计算得出的 RMS 透射波前误差近似相关,其中 S 是光学元件的斯特列尔比,σ 是光学元件的 RMS 透射波前误差(以波为单位)。当波前误差小于0.1个波时,这种近似是有效的。

斯特列尔比判据(Strehl_Ratio_Criterion)——表示、应用

图 : 该透镜的斯特列尔比为 0.826,由于大于 0.8,因此被认为是衍射极限

    对于斯特列尔比(Strehl Ratio),可以在ZEMAX的分析-点扩散函数-惠更斯PSF中查看,一般而言,斯特列尔比大于0.8,则认为成像良好,满足衍射极限。

二、具体来说,斯特列尔比表示的是:

成像质量:斯特列尔比越接近1,表示实际系统的成像质量越接近理想衍射受限系统,即成像质量越高。如果斯特列尔比很低,说明系统存在较大的波前误差,导致成像质量下降。

波前误差:斯特列尔比可以用来评估波前误差对成像质量的影响。波前误差越大,斯特列尔比越低。

自适应光学系统性能:在自适应光学系统中,斯特列尔比可以用来评估校正效果。通过调整光学元件(如变形镜)来补偿波前误差,可以提高斯特列尔比,从而改善成像质量。

系统优化:斯特列尔比可以作为优化光学系统设计的一个目标函数,通过调整系统参数来最大化斯特列尔比,从而优化系统性能。

三、主要应用领域

主要还是在自适应光学和高分辨率成像领域上;

天文光学:斯特列尔比最初由德国物理学家、数学家和天文学家Karl Strehl在19世纪末提出,用于衡量光学系统的像差对成像质量的影响。在天文望远镜中,斯特列尔比用来评估由于大气湍流等引起的波前畸变对成像质量的影响,是衡量望远镜性能的重要指标。

自适应光学:在自适应光学系统中,斯特列尔比用来评估光学系统校正效果,通过调整光学元件(如变形镜)来补偿波前误差,提高斯特列尔比,从而改善成像质量。

激光光学:在激光系统中,斯特列尔比用于比较实际光学系统与理想衍射受限性能之间的差异。它可以用来评估激光光束的质量,以及光学系统对激光光束质量的影响。

显微镜和成像系统:在显微镜和其他成像系统中,斯特列尔比用来衡量由于光学畸变导致的成像质量下降,帮助评估和优化成像系统的性能。

航空声学研究:在航空声学领域,斯特列尔比被用来表征麦克风阵列的频率依赖效率,用于风洞测量中评估声波在流场中的传播误差。

生物模拟视觉传感器:在生物模拟视觉传感器领域,斯特列尔比被用作衡量像质的指标,特别是在光学组件包含显著像差时,用来评估畸变对成像质量的影响


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