光学系统杂散光MTF测量分析技术

LensCheck镜头测量系统上的杂散光测量

 

 

引言

目前制造商要求视觉系统在非理想成像环境中承担越来越多具有挑战性的成像任务，而许多应用需要非常高的动态范围内容的成像场景。例如，汽车摄像头必须能够在晚上识别行人或交通信号灯，同时还得对对面来车的前大灯进行成像。在通过有可能被刮伤或被碎屑覆盖的防护窗观察时，这一特性必须要得到确定。窗口、碎片、光学元件甚至是传感器都可能导致意外的辐射撞击探测器。 这种光可能会淹没所需的信号并引入计算误差。

这些镜头和相机系统的设计师、制造商和消费者需要对杂散光进行定量测量。Optikos的产品旨在准确地做出这些测量。

 

什么是杂散光？

不同行业对杂散光有不同的描述术语。常见的术语有杂散光、镜头光晕、面纱眩光、鬼影、图像眩光等等。这些术语中的大多数并没有严格的定义，而且会被不同的读者以不同的方式来解释。在国标 9358“光学和光学仪器 - 成像系统的杂散光 - 定义和测量方法”中提供了有用的杂散光介绍。这一标准得到积极维护（2014），并描述了如何测量镜头组件中的杂散光。国标18844是正在开发的新标准（预计2017发表），它涵盖摄像机系统中的图像耀斑的测量。该标准针对数码相机和摄影市场，但它并不适用于严格的镜头测试。

 

国标9358包括以下定义：

杂散光 - 光学或电光学系统像平面上多余的辐射是由通过正常的入射孔径进入系统的辐射比引起的。这些辐射可能来自于视野的内部或外部。

杂散光系数是杂散光测量中的一个很有用的参数。这将在接下来进行讨论。

杂散光扩散函数 - 图像平面上的辐照度分布是小源的轴上图像总通量的单位归一化结果，它是由一个小的源对象引起的。

Optikos将主要使用杂散光、杂散光系数(VGI)和杂散光扩散函数（GSF）来讨论上述问题。这些测量包含了杂散光的所有机制。

 

OpTest如何测量杂散光

许多客户对测试较小的光学元件很感兴趣，对此LensCheck测试仪器就是一个很合适的选择。LensCheck支持使用OpTest®7软件针对杂散光系数或杂散光扩散函数来对杂散光进行测量。除了少数例外，这两种方法都符合国标9358。

 

杂散光系数

杂散光系数在杂散光测量中是以一个单一百分比值呈现的。在没有相机或传感器的情况下执行杂散光系数测试，测试中的镜头观察到一个被均匀照射的场，其延伸超出了透镜场。实际上，通常是将一个积分球放置在镜头入瞳周围。在场的中心放置一个小的、完全黑色的物体（光阱）。摄像头用来查看图像平面，软件用来测量黑色区域内收集的多余能量的大小。然后将该暗区信号与亮信号进行比较。数值小的杂散光系数是有效的。

 

图1仪器示意图-被测镜（LUT）被放置在积分球的入射口处

 

 

图2  LensCheck Stray Light Kit是LensCheck VIS的附加选项

Optikos提供4’’、6’’和10’’型号的积分球，此处展示的是10’’的大积分球

 

 

杂散光系数测量如何与LensCheck和OpTest®7配合使用？

用LensCheck仪器进行杂散光测量需要购买杂散光工具箱选项。这个版本10’’包括一个积分球、附加的光源和一个支撑导轨。如图1所示，积分球是产生180°均匀照明条件所必需的。

图像分析仪从LensCheck移动到杂散光工具箱支撑导轨，LensCheck计算机仍然用于运行OpTest 7，杂散光系数测量程序作为OpTest 7的核心部分存在，并指导用户如何进行测量。它完全符合国标9358，Optikos也已经将杂散光工具箱的精度确认到0.1％。

图3  运行OpTest®7杂散光系数测量的操作界面

 

什么样的镜头可以用杂散光工具箱进行测试？

由于透镜的焦距要受积分球直径的限制，所以Optikos提供了三种尺寸型号的杂散光工具箱，分别包含直径为4’’（100mm）、6’’（150mm）和10’’（250mm）的积分球。国际标准建议积分球直径最好大于被测镜片焦距的10倍，因此测试焦距为25mm的镜头要用带有10’’积分球的杂散光工具箱。对于具有较长焦距的镜头，Optikos也可以提供定制解决方案。

 

杂散光工具箱有哪些限制？

对于较长焦距的镜头可能很难用杂散光工具箱来进行测试。此外，对于精确测量，测试环境（实验室，工厂等）是要求完全黑暗的，这一点至关重要。必要情况下，可以搭设遮光罩以阻挡来自测试装置的环境光。

国标规范将杂散光系数定义为轴上测量，那么就要将黑色物体放置在场的中心。Optikos为感兴趣的客户提供了定制杂散光工具箱以满足包含离轴测量的需求。

 

杂散光扩散函数

杂散光扩散函数（GSF）是准直光在特定入射角下图像平面上的辐照度分布的度量。它需要光源、准直器以及旋转平台来设置入射角（见图4）。LensCheck恰好具有所有这些功能，它不需要再附加其他组件。杂散光扩散函数的测试条件可以由用户自己确定，并且可以针对一定范围的入射角度或单个角度进行记录。

 

图4  国标9598 杂散光扩散函数的测量图

图5 无需做修改地在LensCheck上测量杂散光扩散函数

 

 

测量镜头或是相机（带镜头和传感器）的杂散光扩散函数哪个更好？

在测量镜头或相机的杂散光扩散函数时，会产生一个重要的差异。这两个测试会产生截然不同的结果，因为相机本身可以显著贡献杂散光。保护玻璃、传感器、安装座和结构本身的反射都会产生这些不必要的照射。除此之外，传感器本身也产生随机固定模式的像素噪声，读出如散射、图像残留、电子漂移和串扰以及在感知到的杂散光中起重要作用的其他现象的这些错误。因此Optikos建议使用相机进行测试。

然而国标9598规定只用于测试镜头组件而并非相机，这也是Optikos杂散光扩散函数测量与国标测量主要的不同之处。

 

杂散光扩散函数的测量如何与LensCheck和OpTest 7配合使用？

杂散光扩散函数测量成功的关键要素是传感器要有非常高的动态范围，大约在105或106。当强光在透镜视野内时，它会淹没其他重要的区域。Optikos使用高动态范围（HDR）成像满足了所需的动态范围。随着暴露时间的增加，多个图像被曝光，最终合并创建为一个合成图像。随后分析该合成图像以产生上述的杂散光扩散函数。

 

图6 透镜离轴12°的杂散光扩散函数

动态范围大于106

插图显示了非常长的曝光图像

将具有不同曝光时间的5张图像合并以创建杂散光扩散函数图

 

值得注意的是，如果用户正在测试相机系统，那么OpTest 7将不会从视频流中收集图像，它将只读取LensCheck的视频输入。在这种情况下，用户需要手动设置曝光时间并保存图像。Optikos就如何设置曝光时间并处理图像以生成杂散光函数图给出了合理建议，如图6所示。Optikos还提供了生成高动态范围合成图像的软件。这也是杂散光扩散函数测试比杂散光系数测试更耗时的主要原因。

 

杂散光扩散函数的测量是否需要其他附件？

杂散光扩散函数的测试不需要任何LensCheck硬件的定制。

 

什么镜头可以测量杂散光扩散函数？

只要是通过了LensCheck测试的任何镜头都可以进行杂散光扩散函数的测量，要求镜头通光孔径达到50mm，焦距长在1mm到200mm之间。

 

杂散光扩散函数测量的局限性有哪些？

如上所述，杂散光扩散函数的测量是一个偏手动的测量。对于用户所决定哪些角度会有益于它的测量这是非常重要的。这通常通过在改变输入角度的同时观看视频流来确定。特别是当测量出现问题时（例如图6中出现的鬼像），一个合适的角度位置就显得尤为重要了。

 

是用杂散光系数还是杂散光扩散函数？

杂散光系数和杂散光扩散函数都可以进行很有价值的测试。杂散光系数可用作图像平面上漫反射辐照度的度量。不佳的杂散光系数通常是由于涂层不均或不充分而产生的，并且造成对比度的普遍损失。它可以很容易通过单个百分比值来指定，是一种快速简单的测量。在比较供应商的镜头性能和要用的镜头规格的效果是非常有效的。许多美国军用规格，如图像增强管都需要做杂散光系数的测试。

杂散光扩散函数特别有助于评估形成集中照射模式的鬼像反射或其他突出的杂散光伪影的严重性。这一测试虽然更加费时，但也对杂散光问题起源提供了更深入的研究。这对于光学和光机设计师来说是特别有价值的。由于杂散光扩散函数测量的灵敏度非常高，它们也适用于对杂散光敏感的具有挑战性的成像环境，例如评估窗户对汽车镜头、机载相机或LIDAR系统的影响。

 

总结--至一科技

Optikos还在持续关注测量我们客户产品中的杂散光，并预计供应商和最终用户将在指定和测试杂散光性能方面实现大幅增长。这是值得鼓励的，因为它显示了对光学成像系统中杂散光的重要性的认识。LensCheck是一款可以测量杂散光系数和杂散光扩散函数的理想且经济实惠的仪器。

Optikos提供测量产品和服务，用于测量镜头和相机系统，以及用于光学产品开发的工程设计和制造。我们的所有系列标准产品可用于测试光学、成像仪和相机系统，适用于任何行业，我们也将为您的具体应用来设计定制产品。