LensCheck鏡頭測(cè)量系統(tǒng)上的雜散光測(cè)量

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引言

目前制造商要求視覺(jué)系統(tǒng)在非理想成像環(huán)境中承擔(dān)越來(lái)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(chǎng)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(lái)車的前大燈進(jìn)行成像。在通過(guò)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(cè)器。?這種光可能會(huì)淹沒(méi)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(cè)量。Optikos的產(chǎn)品旨在準(zhǔn)確地做出這些測(cè)量。

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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(yǔ)。常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)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(yǔ)中的大多數(shù)并沒(méi)有嚴(yán)格的定義，而且會(huì)被不同的讀者以不同的方式來(lái)解釋。在國(guó)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(cè)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(cè)量鏡頭組件中的雜散光。國(guó)標(biāo)18844是正在開(kāi)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(cè)量。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)數(shù)碼相機(jī)和攝影市場(chǎng)，但它并不適用于嚴(yán)格的鏡頭測(cè)試。

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國(guó)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(guò)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(lái)自于視野的內(nèi)部或外部。

雜散光系數(shù)是雜散光測(cè)量中的一個(gè)很有用的參數(shù)。這將在接下來(lái)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(lái)討論上述問(wèn)題。這些測(cè)量包含了雜散光的所有機(jī)制。

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OpTest如何測(cè)量雜散光

許多客戶對(duì)測(cè)試較小的光學(xué)元件很感興趣，對(duì)此LensCheck測(cè)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(lái)對(duì)雜散光進(jìn)行測(cè)量。除了少數(shù)例外，這兩種方法都符合國(guó)標(biāo)9358。

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雜散光系數(shù)

雜散光系數(shù)在雜散光測(cè)量中是以一個(gè)單一百分比值呈現(xiàn)的。在沒(méi)有相機(jī)或傳感器的情況下執(zhí)行雜散光系數(shù)測(cè)試，測(cè)試中的鏡頭觀察到一個(gè)被均勻照射的場(chǎng)，其延伸超出了透鏡場(chǎng)。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(chǎng)的中心放置一個(gè)小的、完全黑色的物體（光阱）。攝像頭用來(lái)查看圖像平面，軟件用來(lái)測(cè)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。

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圖1儀器示意圖-被測(cè)鏡（LUT）被放置在積分球的入射口處

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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

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

用LensCheck儀器進(jìn)行雜散光測(cè)量需要購(gòu)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(cè)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(cè)量。它完全符合國(guó)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(cè)量的操作界面

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什么樣的鏡頭可以用雜散光工具箱進(jìn)行測(cè)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。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議積分球直徑最好大于被測(cè)鏡片焦距的10倍，因此測(cè)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(zhǎng)焦距的鏡頭，Optikos也可以提供定制解決方案。

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雜散光工具箱有哪些限制？

對(duì)于較長(zhǎng)焦距的鏡頭可能很難用雜散光工具箱來(lái)進(jìn)行測(cè)試。此外，對(duì)于精確測(cè)量，測(cè)試環(huán)境（實(shí)驗(yàn)室，工廠等）是要求完全黑暗的，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(lái)自測(cè)試裝置的環(huán)境光。

國(guó)標(biāo)規(guī)范將雜散光系數(shù)定義為軸上測(cè)量，那么就要將黑色物體放置在場(chǎng)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(cè)量的需求。

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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(lái)設(shè)置入射角（見(jiàn)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(cè)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。

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圖4 ?國(guó)標(biāo)9598?雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測(cè)量圖

圖5?無(wú)需做修改地在LensCheck上測(cè)量雜散光擴(kuò)散函數(shù)

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測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試。

然而國(guó)標(biāo)9598規(guī)定只用于測(cè)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(cè)量與國(guó)標(biāo)測(cè)量主要的不同之處。

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

雜散光擴(kuò)散函數(shù)測(cè)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(méi)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，最終合并創(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)。

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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(zhǎng)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

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值得注意的是，如果用戶正在測(cè)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(cè)試比雜散光系數(shù)測(cè)試更耗時(shí)的主要原因。

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雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測(cè)量是否需要其他附件？

雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測(cè)試不需要任何LensCheck硬件的定制。

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什么鏡頭可以測(cè)量雜散光擴(kuò)散函數(shù)？

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

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雜散光擴(kuò)散函數(shù)測(cè)量的局限性有哪些？

如上所述，雜散光擴(kuò)散函數(shù)的測(cè)量是一個(gè)偏手動(dòng)的測(cè)量。對(duì)于用戶所決定哪些角度會(huì)有益于它的測(cè)量這是非常重要的。這通常通過(guò)在改變輸入角度的同時(shí)觀看視頻流來(lái)確定。特別是當(dāng)測(cè)量出現(xiàn)問(wèn)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。

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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(cè)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(guò)單個(gè)百分比值來(lái)指定，是一種快速簡(jiǎn)單的測(cè)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(guó)軍用規(guī)格，如圖像增強(qiáng)管都需要做雜散光系數(shù)的測(cè)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(cè)試雖然更加費(fèi)時(shí)，但也對(duì)雜散光問(wèn)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(lái)說(shuō)是特別有價(jià)值的。由于雜散光擴(kuò)散函數(shù)測(cè)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。

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總結(jié)--至一科技

Optikos還在持續(xù)關(guān)注測(cè)量我們客戶產(chǎn)品中的雜散光，并預(yù)計(jì)供應(yīng)商和最終用戶將在指定和測(cè)試雜散光性能方面實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。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(cè)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。

Optikos提供測(cè)量產(chǎn)品和服務(wù)，用于測(cè)量鏡頭和相機(jī)系統(tǒng)，以及用于光學(xué)產(chǎn)品開(kāi)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(cè)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(lái)設(shè)計(jì)定制產(chǎn)品。