LensCheck鏡頭測量系統上的雜散光測量

引言

目前制造商要求視覺系統在非理想成像環境中承擔越來越多具有挑戰性的成像任務，而許多應用需要非常高的動態范圍內容的成像場景。例如，汽車攝像頭必須能夠在晚上識別行人或交通信號燈，同時還得對對面來車的前大燈進行成像。在通過有可能被刮傷或被碎屑覆蓋的防護窗觀察時，這一特性必須要得到確定。窗口、碎片、光學元件甚至是傳感器都可能導致意外的輻射撞擊探測器。 這種光可能會淹沒所需的信號并引入計算誤差。

這些鏡頭和相機系統的設計師、制造商和消費者需要對雜散光進行定量測量。Optikos的產品旨在準確地做出這些測量。

什么是雜散光？

不同行業對雜散光有不同的描述術語。常見的術語有雜散光、鏡頭光暈、面紗眩光、鬼影、圖像眩光等等。這些術語中的大多數并沒有嚴格的定義，而且會被不同的讀者以不同的方式來解釋。在國標 9358“光學和光學儀器 - 成像系統的雜散光 - 定義和測量方法”中提供了有用的雜散光介紹。這一標準得到積極維護（2014），并描述了如何測量鏡頭組件中的雜散光。國標18844是正在開發的新標準（預計2017發表），它涵蓋攝像機系統中的圖像耀斑的測量。該標準針對數碼相機和攝影市場，但它并不適用于嚴格的鏡頭測試。

國標9358包括以下定義：

雜散光 - 光學或電光學系統像平面上多余的輻射是由通過正常的入射孔徑進入系統的輻射比引起的。這些輻射可能來自于視野的內部或外部。

雜散光系數是雜散光測量中的一個很有用的參數。這將在接下來進行討論。

雜散光擴散函數 - 圖像平面上的輻照度分布是小源的軸上圖像總通量的單位歸一化結果，它是由一個小的源對象引起的。

Optikos將主要使用雜散光、雜散光系數(VGI)和雜散光擴散函數（GSF）來討論上述問題。這些測量包含了雜散光的所有機制。

OpTest如何測量雜散光

許多客戶對測試較小的光學元件很感興趣，對此LensCheck測試儀器就是一個很合適的選擇。LensCheck支持使用OpTest®7軟件針對雜散光系數或雜散光擴散函數來對雜散光進行測量。除了少數例外，這兩種方法都符合國標9358。

雜散光系數

雜散光系數在雜散光測量中是以一個單一百分比值呈現的。在沒有相機或傳感器的情況下執行雜散光系數測試，測試中的鏡頭觀察到一個被均勻照射的場，其延伸超出了透鏡場。實際上，通常是將一個積分球放置在鏡頭入瞳周圍。在場的中心放置一個小的、*黑色的物體（光阱）。攝像頭用來查看圖像平面，軟件用來測量黑色區域內收集的多余能量的大小。然后將該暗區信號與亮信號進行比較。數值小的雜散光系數是有效的。

圖1儀器示意圖-被測鏡（LUT）被放置在積分球的入射口處

圖2  LensCheck Stray Light Kit是LensCheck VIS的附加選項

Optikos提供4’’、6’’和10’’型號的積分球，此處展示的是10’’的大積分球

雜散光系數測量如何與LensCheck和OpTest®7配合使用？

用LensCheck儀器進行雜散光測量需要購買雜散光工具箱選項。這個版本10’’包括一個積分球、附加的光源和一個支撐導軌。如圖1所示，積分球是產生180°均勻照明條件所必需的。

圖像分析儀從LensCheck移動到雜散光工具箱支撐導軌，LensCheck計算機仍然用于運行OpTest 7，雜散光系數測量程序作為OpTest 7的核心部分存在，并指導用戶如何進行測量。它*符合國標9358，Optikos也已經將雜散光工具箱的精度確認到0.1％。

圖3  運行OpTest®7雜散光系數測量的操作界面

什么樣的鏡頭可以用雜散光工具箱進行測試？

由于透鏡的焦距要受積分球直徑的限制，所以Optikos提供了三種尺寸型號的雜散光工具箱，分別包含直徑為4’’（100mm）、6’’（150mm）和10’’（250mm）的積分球。標準建議積分球直徑大于被測鏡片焦距的10倍，因此測試焦距為25mm的鏡頭要用帶有10’’積分球的雜散光工具箱。對于具有較長焦距的鏡頭，Optikos也可以提供定制解決方案。

雜散光工具箱有哪些限制？

對于較長焦距的鏡頭可能很難用雜散光工具箱來進行測試。此外，對于測量，測試環境（實驗室，工廠等）是要求*黑暗的，這一點至關重要。必要情況下，可以搭設遮光罩以阻擋來自測試裝置的環境光。

國標規范將雜散光系數定義為軸上測量，那么就要將黑色物體放置在場的中心。Optikos為感興趣的客戶提供了定制雜散光工具箱以滿足包含離軸測量的需求。

雜散光擴散函數

雜散光擴散函數（GSF）是準直光在特定入射角下圖像平面上的輻照度分布的度量。它需要光源、準直器以及旋轉平臺來設置入射角（見圖4）。LensCheck恰好具有所有這些功能，它不需要再附加其他組件。雜散光擴散函數的測試條件可以由用戶自己確定，并且可以針對一定范圍的入射角度或單個角度進行記錄。

圖4  國標9598 雜散光擴散函數的測量圖

圖5 無需做修改地在LensCheck上測量雜散光擴散函數

測量鏡頭或是相機（帶鏡頭和傳感器）的雜散光擴散函數哪個更好？

在測量鏡頭或相機的雜散光擴散函數時，會產生一個重要的差異。這兩個測試會產生截然不同的結果，因為相機本身可以顯著貢獻雜散光。保護玻璃、傳感器、安裝座和結構本身的反射都會產生這些不必要的照射。除此之外，傳感器本身也產生隨機固定模式的像素噪聲，讀出如散射、圖像殘留、電子漂移和串擾以及在感知到的雜散光中起重要作用的其他現象的這些錯誤。因此Optikos建議使用相機進行測試。

然而國標9598規定只用于測試鏡頭組件而并非相機，這也是Optikos雜散光擴散函數測量與國標測量主要的不同之處。

雜散光擴散函數的測量如何與LensCheck和OpTest 7配合使用？

雜散光擴散函數測量成功的關鍵要素是傳感器要有非常高的動態范圍，大約在10⁵或10⁶。當強光在透鏡視野內時，它會淹沒其他重要的區域。Optikos使用高動態范圍（HDR）成像滿足了所需的動態范圍。隨著暴露時間的增加，多個圖像被曝光，zui終合并創建為一個合成圖像。隨后分析該合成圖像以產生上述的雜散光擴散函數。

圖6 透鏡離軸12°的雜散光擴散函數

動態范圍大于10⁶

插圖顯示了非常長的曝光圖像

將具有不同曝光時間的5張圖像合并以創建雜散光擴散函數圖

值得注意的是，如果用戶正在測試相機系統，那么OpTest 7將不會從視頻流中收集圖像，它將只讀取LensCheck的視頻輸入。在這種情況下，用戶需要手動設置曝光時間并保存圖像。Optikos就如何設置曝光時間并處理圖像以生成雜散光函數圖給出了合理建議，如圖6所示。Optikos還提供了生成高動態范圍合成圖像的軟件。這也是雜散光擴散函數測試比雜散光系數測試更耗時的主要原因。

雜散光擴散函數的測量是否需要其他附件？

雜散光擴散函數的測試不需要任何LensCheck硬件的定制。

什么鏡頭可以測量雜散光擴散函數？

只要是通過了LensCheck測試的任何鏡頭都可以進行雜散光擴散函數的測量，要求鏡頭通光孔徑達到50mm，焦距長在1mm到200mm之間。

雜散光擴散函數測量的局限性有哪些？

如上所述，雜散光擴散函數的測量是一個偏手動的測量。對于用戶所決定哪些角度會有益于它的測量這是非常重要的。這通常通過在改變輸入角度的同時觀看視頻流來確定。特別是當測量出現問題時（例如圖6中出現的鬼像），一個合適的角度位置就顯得尤為重要了。

是用雜散光系數還是雜散光擴散函數？

雜散光系數和雜散光擴散函數都可以進行很有價值的測試。雜散光系數可用作圖像平面上漫反射輻照度的度量。不佳的雜散光系數通常是由于涂層不均或不充分而產生的，并且造成對比度的普遍損失。它可以很容易通過單個百分比值來，是一種快速簡單的測量。在比較供應商的鏡頭性能和要用的鏡頭規格的效果是非常有效的。許多美國軍用規格，如圖像增強管都需要做雜散光系數的測試。

雜散光擴散函數特別有助于評估形成集中照射模式的鬼像反射或其他突出的雜散光偽影的嚴重性。這一測試雖然更加費時，但也對雜散光問題起源提供了更深入的研究。這對于光學和光機設計師來說是特別有價值的。由于雜散光擴散函數測量的靈敏度非常高，它們也適用于對雜散光敏感的具有挑戰性的成像環境，例如評估窗戶對汽車鏡頭、機載相機或LIDAR系統的影響。

總結

Optikos還在持續關注測量我們客戶產品中的雜散光，并預計供應商和zui終用戶將在和測試雜散光性能方面實現大幅增長。這是值得鼓勵的，因為它顯示了對光學成像系統中雜散光的重要性的認識。LensCheck是一款可以測量雜散光系數和雜散光擴散函數的理想且經濟實惠的儀器。

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