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LensCheck鏡頭測量系統(tǒng)上的雜散光測量

引言

目前制造商要求視覺系統(tǒng)在非理想成像環(huán)境中承擔(dān)越來越多具有挑戰(zhàn)性的成像任務(wù)，而許多應(yīng)用需要非常高的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)容的成像場景。例如，汽車攝像頭必須能夠在晚上識(shí)別行人或交通信號(hào)燈，同時(shí)還得對(duì)對(duì)面來車的前大燈進(jìn)行成像。在通過有可能被刮傷或被碎屑覆蓋的防護(hù)窗觀察時(shí)，這一特性必須要得到確定。窗口、碎片、光學(xué)元件甚至是傳感器都可能導(dǎo)致意外的輻射撞擊探測器。 這種光可能會(huì)淹沒所需的信號(hào)并引入計(jì)算誤差。

這些鏡頭和相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師、制造商和消費(fèi)者需要對(duì)雜散光進(jìn)行定量測量。Optikos的產(chǎn)品旨在準(zhǔn)確地做出這些測量。

什么是雜散光？

不同行業(yè)對(duì)雜散光有不同的描述術(shù)語。常見的術(shù)語有雜散光、鏡頭光暈、面紗眩光、鬼影、圖像眩光等等。這些術(shù)語中的大多數(shù)并沒有嚴(yán)格的定義，而且會(huì)被不同的讀者以不同的方式來解釋。在國標(biāo) 9358“光學(xué)和光學(xué)儀器 - 成像系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)得到積極維護(hù)（2014），并描述了如何測量鏡頭組件中的雜散光。國標(biāo)18844是正在開發(fā)的新標(biāo)準(zhǔn)（預(yù)計(jì)2017發(fā)表），它涵蓋攝像機(jī)系統(tǒng)中的圖像耀斑的測量。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)數(shù)碼相機(jī)和攝影市場，但它并不適用于嚴(yán)格的鏡頭測試。

國標(biāo)9358包括以下定義：

雜散光 - 光學(xué)或電光學(xué)系統(tǒng)像平面上多余的輻射是由通過正常的入射孔徑進(jìn)入系統(tǒng)的輻射比引起的。這些輻射可能來自于視野的內(nèi)部或外部。

雜散光系數(shù)是雜散光測量中的一個(gè)很有用的參數(shù)。這將在接下來進(jìn)行討論。

雜散光擴(kuò)散函數(shù) - 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(jié)果，它是由一個(gè)小的源對(duì)象引起的。

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

OpTest如何測量雜散光

許多客戶對(duì)測試較小的光學(xué)元件很感興趣，對(duì)此LensCheck測試儀器就是一個(gè)很合適的選擇。LensCheck支持使用OpTest®7軟件針對(duì)雜散光系數(shù)或雜散光擴(kuò)散函數(shù)來對(duì)雜散光進(jìn)行測量。除了少數(shù)例外，這兩種方法都符合國標(biāo)9358。

雜散光系數(shù)

雜散光系數(shù)在雜散光測量中是以一個(gè)單一百分比值呈現(xiàn)的。在沒有相機(jī)或傳感器的情況下執(zhí)行雜散光系數(shù)測試，測試中的鏡頭觀察到一個(gè)被均勻照射的場，其延伸超出了透鏡場。實(shí)際上，通常是將一個(gè)積分球放置在鏡頭入瞳周圍。在場的中心放置一個(gè)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(qū)域內(nèi)收集的多余能量的大小。然后將該暗區(qū)信號(hào)與亮信號(hào)進(jìn)行比較。數(shù)值小的雜散光系數(shù)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(xiàng)

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

雜散光系數(shù)測量如何與LensCheck和OpTest®7配合使用？

用LensCheck儀器進(jìn)行雜散光測量需要購買雜散光工具箱選項(xiàng)。這個(gè)版本10’’包括一個(gè)積分球、附加的光源和一個(gè)支撐導(dǎo)軌。如圖1所示，積分球是產(chǎn)生180°均勻照明條件所必需的。

圖像分析儀從LensCheck移動(dòng)到雜散光工具箱支撐導(dǎo)軌，LensCheck計(jì)算機(jī)仍然用于運(yùn)行OpTest 7，雜散光系數(shù)測量程序作為OpTest 7的核心部分存在，并指導(dǎo)用戶如何進(jìn)行測量。它*符合國標(biāo)9358，Optikos也已經(jīng)將雜散光工具箱的精度確認(rèn)到0.1％。

圖3  運(yùn)行OpTest®7雜散光系數(shù)測量的操作界面

什么樣的鏡頭可以用雜散光工具箱進(jìn)行測試？

由于透鏡的焦距要受積分球直徑的限制，所以O(shè)ptikos提供了三種尺寸型號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(duì)于較長焦距的鏡頭可能很難用雜散光工具箱來進(jìn)行測試。此外，對(duì)于測量，測試環(huán)境（實(shí)驗(yàn)室，工廠等）是要求*黑暗的，這一點(diǎn)至關(guān)重要。必要情況下，可以搭設(shè)遮光罩以阻擋來自測試裝置的環(huán)境光。

國標(biāo)規(guī)范將雜散光系數(shù)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(kuò)散函數(shù)

雜散光擴(kuò)散函數(shù)（GSF）是準(zhǔn)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(zhǔn)直器以及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來設(shè)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(kuò)散函數(shù)的測試條件可以由用戶自己確定，并且可以針對(duì)一定范圍的入射角度或單個(gè)角度進(jìn)行記錄。

圖4  國標(biāo)9598 雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測量圖

圖5 無需做修改地在LensCheck上測量雜散光擴(kuò)散函數(shù)

測量鏡頭或是相機(jī)（帶鏡頭和傳感器）的雜散光擴(kuò)散函數(shù)哪個(gè)更好？

在測量鏡頭或相機(jī)的雜散光擴(kuò)散函數(shù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重要的差異。這兩個(gè)測試會(huì)產(chǎn)生截然不同的結(jié)果，因?yàn)橄鄼C(jī)本身可以顯著貢獻(xiàn)雜散光。保護(hù)玻璃、傳感器、安裝座和結(jié)構(gòu)本身的反射都會(huì)產(chǎn)生這些不必要的照射。除此之外，傳感器本身也產(chǎn)生隨機(jī)固定模式的像素噪聲，讀出如散射、圖像殘留、電子漂移和串?dāng)_以及在感知到的雜散光中起重要作用的其他現(xiàn)象的這些錯(cuò)誤。因此Optikos建議使用相機(jī)進(jìn)行測試。

然而國標(biāo)9598規(guī)定只用于測試鏡頭組件而并非相機(jī)，這也是Optikos雜散光擴(kuò)散函數(shù)測量與國標(biāo)測量主要的不同之處。

雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測量如何與LensCheck和OpTest 7配合使用？

雜散光擴(kuò)散函數(shù)測量成功的關(guān)鍵要素是傳感器要有非常高的動(dòng)態(tài)范圍，大約在10⁵或10⁶。當(dāng)強(qiáng)光在透鏡視野內(nèi)時(shí)，它會(huì)淹沒其他重要的區(qū)域。Optikos使用高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）成像滿足了所需的動(dòng)態(tài)范圍。隨著暴露時(shí)間的增加，多個(gè)圖像被曝光，zui終合并創(chuàng)建為一個(gè)合成圖像。隨后分析該合成圖像以產(chǎn)生上述的雜散光擴(kuò)散函數(shù)。

圖6 透鏡離軸12°的雜散光擴(kuò)散函數(shù)

動(dòng)態(tài)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(shí)間的5張圖像合并以創(chuàng)建雜散光擴(kuò)散函數(shù)圖

值得注意的是，如果用戶正在測試相機(jī)系統(tǒng)，那么OpTest 7將不會(huì)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(dòng)設(shè)置曝光時(shí)間并保存圖像。Optikos就如何設(shè)置曝光時(shí)間并處理圖像以生成雜散光函數(shù)圖給出了合理建議，如圖6所示。Optikos還提供了生成高動(dòng)態(tài)范圍合成圖像的軟件。這也是雜散光擴(kuò)散函數(shù)測試比雜散光系數(shù)測試更耗時(shí)的主要原因。

雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測量是否需要其他附件？

雜散光擴(kuò)散函數(shù)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(kuò)散函數(shù)？

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

雜散光擴(kuò)散函數(shù)測量的局限性有哪些？

如上所述，雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測量是一個(gè)偏手動(dòng)的測量。對(duì)于用戶所決定哪些角度會(huì)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(shí)觀看視頻流來確定。特別是當(dāng)測量出現(xiàn)問題時(shí)（例如圖6中出現(xiàn)的鬼像），一個(gè)合適的角度位置就顯得尤為重要了。

是用雜散光系數(shù)還是雜散光擴(kuò)散函數(shù)？

雜散光系數(shù)和雜散光擴(kuò)散函數(shù)都可以進(jìn)行很有價(jià)值的測試。雜散光系數(shù)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(shù)通常是由于涂層不均或不充分而產(chǎn)生的，并且造成對(duì)比度的普遍損失。它可以很容易通過單個(gè)百分比值來，是一種快速簡單的測量。在比較供應(yīng)商的鏡頭性能和要用的鏡頭規(guī)格的效果是非常有效的。許多美國軍用規(guī)格，如圖像增強(qiáng)管都需要做雜散光系數(shù)的測試。

雜散光擴(kuò)散函數(shù)特別有助于評(píng)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(yán)重性。這一測試雖然更加費(fèi)時(shí)，但也對(duì)雜散光問題起源提供了更深入的研究。這對(duì)于光學(xué)和光機(jī)設(shè)計(jì)師來說是特別有價(jià)值的。由于雜散光擴(kuò)散函數(shù)測量的靈敏度非常高，它們也適用于對(duì)雜散光敏感的具有挑戰(zhàn)性的成像環(huán)境，例如評(píng)估窗戶對(duì)汽車鏡頭、機(jī)載相機(jī)或LIDAR系統(tǒng)的影響。

總結(jié)

Optikos還在持續(xù)關(guān)注測量我們客戶產(chǎn)品中的雜散光，并預(yù)計(jì)供應(yīng)商和zui終用戶將在和測試雜散光性能方面實(shí)現(xiàn)大幅增長。這是值得鼓勵(lì)的，因?yàn)樗@示了對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)中雜散光的重要性的認(rèn)識(shí)。LensCheck是一款可以測量雜散光系數(shù)和雜散光擴(kuò)散函數(shù)的理想且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的儀器。

廣州固潤光電為您提供Optikos測量產(chǎn)品及服務(wù)

Optikos提供測量產(chǎn)品和服務(wù)，用于測量鏡頭和相機(jī)系統(tǒng)，以及用于光學(xué)產(chǎn)品開發(fā)的工程設(shè)計(jì)和制造。我們的所有系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可用于測試光學(xué)、成像儀和相機(jī)系統(tǒng)，適用于任何行業(yè)，我們也將為您的具體應(yīng)用來設(shè)計(jì)定制產(chǎn)品。請(qǐng)?jiān)L問我們的guruntech.com，發(fā)送電子郵件至sales006@guruntech.com或致電+以了解更多詳細(xì)內(nèi)容。