測試條件對雜光系數測試結果的影響

曹智睿，荀顯超，袁 理

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.空軍航空大學，吉林長春130022）

測試條件對雜光系數測試結果的影響

曹智睿1，荀顯超2，袁 理1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.空軍航空大學，吉林長春130022）

針對同一光學產品的雜光系數由于測試條件的不同，測試結果往往差別很大，無法進行準確比較的問題，對幾種光學鏡頭在不同的測試條件下反復進行了雜光系數測試實驗。通過理論分析和實驗測試給出了不同黑體目標尺寸和接收光闌孔徑以及是否加裝準直鏡對雜光系數測量結果的影響。結果表明，對同一光學產品，選取的黑體目標尺寸越大，測試結果雜光越小；選取的光電接收器件接收光闌孔徑越大，測試結果雜光越大。另外，準直物鏡的使用會引入新的雜光，令雜光測試結果增大，但增大的量值可視為定值，進而從測試結果中減除。

雜光系數；測試條件；雜光測量

1 引 言

雜光系數是反映光學系統成像質量的重要指標之一，特別是在航空攝像系統和目標測試識別系統中對該指標均有較高的要求。《GB/T 8248.4-1999》作為攝像鏡頭雜光系數測試的國家標準，對雜光系數的測試方法、測試環境、擴展光源、接收器件等一系列測試條件均做出了具體明確的規定，其中一些測試條件在測試系統創建時已滿足了國家標準的要求，作為不可變的因素確定下來；還有一些測試條件作為可改變因素，需要測試人員針對不同的被測系統作出適當的選擇。工作經驗表明，這部分需要靈活掌握的測試條件是造成光學系統雜光測試結果不準確的主要因素。

本文通過理論分析，在實際工作中對不同光學鏡頭的雜光系數進行了測試，以實驗數據給出各可變測試條件對雜光系數測試結果的影響，使得同一光學系統的雜光測試結果具備一定的可比性。

2 基本測試原理

目前檢測雜光的常用方法有點源法和面源法（又稱黑斑法）。面源法是假定雜光在像平面上呈均勻分布而提出的；針對雜光在像面分布不均勻的情況人們又提出點源法，這一方法直接測量點光源在像面上的雜光分布。在實際的成像光學系統中，成像光線在像面上的有效擴散范圍總是有限的，因此，由一均勻的面光源在像面上造成的雜光光強分布，可以看成是由面光源上的各個點光源在像面上造成的雜光的疊加。此時，像面上的雜光光強分布可以認為是比較均勻的，因此可以采用面源法檢測雜光系數。即模擬一個亮度均勻的背景和該背景下亮度趨于零的黑目標，首先測量出均勻亮背景下的黑目標在像面上的平均光強I0，再測量出均勻亮背景在像面處的平均光強I1，根據雜光系數（Veiling Glare Index，VGI）的定義：

由理論計算可得出：

其中PSF（x，y）（Point Spread Function，PSF）為被測光學系統的點擴散函數，Q（x，y）為物和接收器的互相關函數。設黑目標和均勻亮背景的照度比為e，黑目標的孔徑為d1，接受器的接收孔徑為d2，黑目標經放大倍率為M的非相干光學系統成像，則Q（x，y）值由d，d，M，e和r＝決

12定。PSF（x，y）和Q（x，y）關于r的函數曲線如圖1所示。

圖1 PSF和Q關于r的函數曲線

圖中，

PSF（x，y），Q（x，y）和r軸所圍成的面積（圖中陰影部分）即為I0。

面源法測量雜光系數的具體試驗方法和裝置如下：通過光電探測器件測量出黑斑在光學系統所要求像面處的光電信號值E1；將黑斑置換為涂層與積分球內壁涂層完全相同的“白塞子”，此時光電信號值為E2；完全遮擋光電探測器的入光孔，此時光電信號值為E0。則該光學系統的雜光系數：

雜光系數的測量裝置主要由黑體目標、光度積分球、準直物鏡、光電接收器等組成，如圖2所示。

圖2 雜光系數測試裝置示意圖

3 測試條件對測試結果的影響

影響雜光測試結果的因素有很多，一些是測試原理本身所造成的，而更多的則是測試條件所引起的。在這些測試條件中，需要測試人員靈活掌握的部分是造成測試結果差異大，無法比較的主要因素。如黑體目標的尺寸的選擇，是否使用準直物鏡及準直物鏡自身的雜光系數，光電接收器件接收孔徑的大小等等。

3.1 黑體目標尺寸

由式（4），式（5）可知，當黑體目標孔徑d1增大時，C1，C2同時增大，則曲線Q（x，y）變化如圖3所示，此時I0變小，減小的量值為圖中陰影部分面積，所以雜光系數測量值變小。

為驗證此推理的正確性，本文選取重復精度在0.2％之內的雜光測試系統，在保證其他測試條件一致的情況下，對同一光學系統采用不同的黑體目標尺寸進行測試，得出各測試條件下的雜光系數，如表1所示。

圖3 黑體目標尺寸對雜光測試結果的影響

表1 黑體目標尺寸對雜光測試結果的影響Tab.1 Effect of sizes of blod target on measuring results of stray light coefficients

以上數據均為多次測量的平均值，可見，實驗結果與理論推導一致，即黑體目標尺寸越大測試結果越小。目前我國以黑體目標像直徑為像幅對角線尺寸的1/10來確定黑體目標尺寸。

3.2 接收光闌孔徑的影響

由式（4），式（5）可知，隨著接收器接受孔徑d2的增大，C1減小，C2增大，則曲線Q（x，y）變化如圖4所示，此時I0變大，增大的量值為圖中陰影部分面積，所以雜光系數測量值增大。為驗證此推理的正確性，本文選取重復精度在0.2％之內的雜光測試系統，在保證其他測試條件一致的情況下，分別對3個不同的鏡頭在接收孔徑變化的情況下進行雜光測試，得到雜光系數如表2所 示。

表2 接收光闌孔徑對雜光測試結果的影響Table 2 Effect of receiving apertures of photoelectric receiving device on measuring results of stray light coefficients

圖4 接收光闌孔徑對雜光測試結果的影響

以上數據均為多次測量的平均值，可見，實驗結果與理論推導一致，即隨著接收光闌孔徑的增大，測得的雜光系數也隨之增大。目前我國以接收孔徑直徑為黑體目標直徑的1/4～1/6來確定光電接收器接收孔徑。

3.3 準直物鏡的影響

根據《GB/T 8248.4-1999》的規定，采用黑斑法進行雜光系數測量時所要求的物像關系為黑體目標到被測物鏡的距離L應大于被測物鏡焦距f的10倍，當焦距較長不滿足這個關系時，測試時就應該使用準直物鏡將黑體目標轉變為遠目標。

由于光學元件表面的多重反射，尤其偶次反射是造成雜光的一個重要原因，所以采用準直物鏡勢必會引入被測光學系統之外的雜光，如何從測試結果中將準直物鏡引入的雜光區分出來非常重要。選取重復精度在0.2％之內的雜光測試系統，對3個不同的照相鏡頭分別加入和撤除同一個準直物鏡反復進行雜光測試，得到各測試條件下雜光系數，結果如表3所示。

表3 準直物鏡對雜光測試結果的影響Table 3 Effect of collimating objective on measuring results of stray light coefficients

測試結果表明，準直物鏡在相同的通光孔徑下，引入的雜光系數大致相同，可視為固定值。由此，在必須使用準直物鏡的情況下，可以根據被測光學系統的孔徑，計算出在此孔徑下準直物鏡所引入的雜光系數，并從最終的測試結果中將其剔除。

4 結 論

在光學系統的雜光測試過程中，測試人員選擇不同的測試條件會對測試結果產生重大的影響。比如，隨著黑體目標尺寸的增大，雜光測試結果減小；隨著光電接收器件接收光闌孔徑增大，雜光測試結果增大；準直物鏡使雜光測試結果增大等等。因此，測試人員應該盡量遵守相關國家標準，當測試條件無法滿足國家標準的要求時，應對測試結果的準確度給予評價。

［1］張國玉，李風春，高玉軍.光學系統雜光測試儀誤差分析［J］.長春光學精密機械學院學報，1996，19（3）：17-20.

ZHANG G Y，LIF CH，GAO Y J.The error analysis of stray lightmeasuring instrument for optical system［J］.J.Changchun Inst.Opt.＆Fine Mech.，1996，19（3）：17-20.（in Chinese）

［2］馬冬梅，張曉輝，韓昌元.大口徑、長焦距光學系統雜光系數、漸暈系數、像面照度均勻性等參數的測試［J］.應用光學，1998，19（5）：44-47.

MA D M，ZHANG X H，HAN CH Y.Testof stray light coefficent，vignetting coefficentand image surface illuminnation uniformity of optical system with large aperture［J］.J.Appl.Opt.，1998，19（5）：44-47.（in Chinese）

［3］高萬榮，查冠華，苗興華，等.長焦距光學系統雜光系數測試儀［J］.光子學報，1996，25（6）：537-540.

GAOW R，ZHA G H，MIAO X H，et al..The device for the measurement of the veiling glare index of long focal optical system［J］.Acta Photonica Sinica，1996，25（6）：537-540.（in Chinese）

［4］高萬榮，薛明球，苗興華，等.長焦距光學系統雜光系數測量的新方法及其理論分析［J］.光學學報，1996，16（11）：1626-1630.

GAOW R，XUE M Q，MIAO X H，et al..A new method formeasuring the veiling glare index of long focal optical system and analysis［J］.Acta Optica Sinica，1996，16（11）：1626-1630.（in Chinese）

［5］楊鵬立.準直物鏡對雜光測量結果的影響［J］.應用光學，1997，18（1）：45-46.

YANG P L.Effect of collimating objective on themeasuring result of stray light［J］.J.Appl.Opt.，1997，18（1）：45-46.（in Chinese）

Effect ofmeasuring conditions on measuring results of stray light coefficients

CAO Zhi-rui1，XUN Xian-chao2，YUAN Li1
（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
2.Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

The same optical product can show different stray light coefficients in differentmeasuring conditions，and it is impossible to compare the different results correctly.According to this situation，the stray light coefficients of several kinds of optical lenses have been experimentally investigated in differentmeasuring conditions，such as sizes of block body，receiving apertures of photoelectric device and mounting the collimating objective or not，and the theoretical analysis and experimental results supply the dependences of stray light coefficients on test conditions.The experimental results indicate that the larger size of the black body，the smaller value of stray light；the larger receiving aperture of photoelectric receiving device，the larger value of stray light；the use of collimating objective will induce new stray lightswhich increase the value of stray light in experiments，but the increased part can be deducted from the results，as the value can be seen a fixed one.

stray light coefficient；measuring condition；stray lightmeasurment

國家重大項目（JBYA001-11）

TH703

A

1674-2915（2010）04-0369-05

2010-03-12；

2010-05-12

曹智睿（1983—），男，吉林長春人，研究實習員，碩士，主要從事光機檢測方法的研究。

E-mail：caozhirui_0503＠163.com