光学小知识 | 光学中的分辨率是什么？

1. 理想光学系统的分辨率

由同一物点发出的光线，通过理想光学系统后，在像面上实际得到的是一个具有一定面积的光斑。这是因为：把光看作光线只是见何光学的一个基本假设，实际上，光并不是几何线，而是电磁波。由物点发出的光线，通过光学系统后变成会聚光束，在聚焦点附近，几何光学的误差很大，而讨论成像质量问题，正是在光束的聚焦点前后考虑像平面上光能的分布问题。因此，几何光学不能满足要求，而必须采用把光看作电滋波的物理光学方法进行研究。

电磁波通过光学系统中限制光束口径的孔径光阑时发生衍射，所以像面上得到的光斑为衍射光斑，其在一截面内的能量分布如图1所示，中央亮斑集中了全部能量的80%以上，第一亮环最大光强度不到中央亮斑最大光强度的2%。

实际光学系统由于存在像差和加工、装调误差，像点弥散斑将比理想像点的衍射斑图形扩大、形状复杂化、像点的能量分散，分辨率显然会下降。因此，我们把实际光学系统的分辨率和理想光学系统的衍射分辨率之差，作为评价实际光学系统成像质量的指标。分辨率检验，只有在实际光学系统制成以后才能进行，所以，它只能用于生产过程中检验具体系统的实际成像质量，而不能用于设计阶段，这是因为很难根据系统的结构参数直接计算出它的分辨率。

2. 分辨率检测的不足

物体的细节是由具有不同光亮度的点（或线条）构成的，且这些细节的背景光亮度也不同。而分辨率检测是对黑白相间的条纹进行观察。因此，分辨率检测和实际上对物体的观测有着很大区别。因此，用分辨率检测的方法评价光学系统成像质量有一定的局限性。

分辨率检测主要和相对孔径、照明条件、观测对象和光能接收器有关，而和像差的关系并不密切。只有当系统的像差很大时，才会影响光学系统的分辨率。

在大像差系统中，例如照相物镜，分辨率通常是衡量成像质量的关键指标之一。然而，在目测检验分辨率时，我们可能会遇到一种情况：某些物镜的目视分辨率很高，但实际使用效果却不尽人意。这是因为测试时使用的是高对比度线条作为目标，而实际拍摄对象往往是低对比度的，导致测试结果与实际应用效果存在差异。这也表明，分辨率本身与系统的像差并无直接联系。有时在目测照相物镜分辨率时，会发现系统在某一较低频率下分辨能力受限，而更高频率的图案却能被分辨，这种现象被称为“伪分辨”，这并无实际意义。

对于某些物体，我们可以将其上的每一点视为一个独立的光源。这些点发出的振动是互不相干的，每个点在像面上形成自己的衍射斑。不同点的衍射斑在重合时，不会发生干涉作用，仅仅是光强度的简单叠加。因此，我们可以根据瑞利的准则来计算分辨率。在大多数情况下，被观察的物体本身不发光，而是由外部光源照明。如果使用平行相干光照明，即在聚光镜的焦平面上放置点光源，此时物体上各点发出的光振动是相干的。

此外，分辨率还与照明条件有关。例如，在使用柯拉照明时，物体上的每一点都接收到了光振动，这些振动可以分为两部分：一部分是由光源上相同点引起的，此时物体上各点发出的光振动是相干的；另一部分是由光源上不同点引起的，此时物体上各点发出的光振动是不相干的。这种情况被称为部分相干光照明，其分辨率既不同于非相干光照明下的分辨率，也不同于完全相干光照明下的分辨率。

3. 分辨率板

分辨率板，也称为分辨率靶或分辨率测试图，是一种常用于评估大像差光学系统（如相机镜头、显微镜、望远镜等）分辨率的标准工具。

（1）USAF 1951

美国空军分辨率板（USAF Resolution Test Target）是最常用的一种分辨率板。它由美国空军开发，广泛用于评估光学系统的分辨率，包括相机镜头、显微镜、望远镜、扫描仪和其他成像系统。USAF1951分辨率板的特点是具有一系列成对排列的线条图案，这些图案按照分辨率从低到高排列，每组图案的分辨率逐渐增加，使得用户可以方便地测试和比较不同光学系统的分辨率能力。由于其标准化和广泛认可，USAF 1951分辨率板在光学测试和品质控制中非常流行。

USAF 1951分辨率板有正片（透明背景上的铬图案）和负片（铬背景上的透明图案）两种形式。正片图案可用于显微镜和放大镜的成像效果测试，负片图案可用于准直仪和其他照明测试设备。

（2）星标板

星标板是一种用于评估光学系统分辨率的测试工具，它由一系列不同角数和间隔的星形图案组成。这些星形图案的设计允许用户在不同的空间频率下测试光学系统的成像能力。每个星形的角数通常从3角到12角不等，而且随着角数的增加，图案的复杂度和空间频率也随之增加。

在视场内设置许多星标能够确定整个视场内的最佳焦点，同时分析各种分辨率下的水平和垂直信息，从而轻松地比较不同成像解决方案。

（3）朗奇分辨率板

朗奇分辨率板（Ronchi Ruling）是一种特殊类型的分辨率测试工具，它由一系列等间距的线条组成，这些线条通常是平行且等宽的。由于整个测试板中存在细节，因此可以同时确定系统在整个视场中的最佳焦点。

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