測試條件對雜光系數(shù)測試結(jié)果的影響

曹智睿，荀顯超，袁 理

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

測試條件對雜光系數(shù)測試結(jié)果的影響

曹智睿1，荀顯超2，袁 理1

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

針對同一光學(xué)產(chǎn)品的雜光系數(shù)由于測試條件的不同，測試結(jié)果往往差別很大，無法進(jìn)行準(zhǔn)確比較的問題，對幾種光學(xué)鏡頭在不同的測試條件下反復(fù)進(jìn)行了雜光系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測試給出了不同黑體目標(biāo)尺寸和接收光闌孔徑以及是否加裝準(zhǔn)直鏡對雜光系數(shù)測量結(jié)果的影響。結(jié)果表明，對同一光學(xué)產(chǎn)品，選取的黑體目標(biāo)尺寸越大，測試結(jié)果雜光越?。贿x取的光電接收器件接收光闌孔徑越大，測試結(jié)果雜光越大。另外，準(zhǔn)直物鏡的使用會引入新的雜光，令雜光測試結(jié)果增大，但增大的量值可視為定值，進(jìn)而從測試結(jié)果中減除。

雜光系數(shù)；測試條件；雜光測量

1 引 言

雜光系數(shù)是反映光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，特別是在航空攝像系統(tǒng)和目標(biāo)測試識別系統(tǒng)中對該指標(biāo)均有較高的要求?！禛B/T 8248.4-1999》作為攝像鏡頭雜光系數(shù)測試的國家標(biāo)準(zhǔn)，對雜光系數(shù)的測試方法、測試環(huán)境、擴(kuò)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(guī)定，其中一些測試條件在測試系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)已滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)作出適當(dāng)?shù)倪x擇。工作經(jīng)驗(yàn)表明，這部分需要靈活掌握的測試條件是造成光學(xué)系統(tǒng)雜光測試結(jié)果不準(zhǔn)確的主要因素。

本文通過理論分析，在實(shí)際工作中對不同光學(xué)鏡頭的雜光系數(shù)進(jìn)行了測試，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出各可變測試條件對雜光系數(shù)測試結(jié)果的影響，使得同一光學(xué)系統(tǒng)的雜光測試結(jié)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(diǎn)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(diǎn)源法，這一方法直接測量點(diǎn)光源在像面上的雜光分布。在實(shí)際的成像光學(xué)系統(tǒng)中，成像光線在像面上的有效擴(kuò)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(qiáng)分布，可以看成是由面光源上的各個(gè)點(diǎn)光源在像面上造成的雜光的疊加。此時(shí)，像面上的雜光光強(qiáng)分布可以認(rèn)為是比較均勻的，因此可以采用面源法檢測雜光系數(shù)。即模擬一個(gè)亮度均勻的背景和該背景下亮度趨于零的黑目標(biāo)，首先測量出均勻亮背景下的黑目標(biāo)在像面上的平均光強(qiáng)I0，再測量出均勻亮背景在像面處的平均光強(qiáng)I1，根據(jù)雜光系數(shù)（Veiling Glare Index，VGI）的定義：

由理論計(jì)算可得出：

其中PSF（x，y）（Point Spread Function，PSF）為被測光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，Q（x，y）為物和接收器的互相關(guān)函數(shù)。設(shè)黑目標(biāo)和均勻亮背景的照度比為e，黑目標(biāo)的孔徑為d1，接受器的接收孔徑為d2，黑目標(biāo)經(jīng)放大倍率為M的非相干光學(xué)系統(tǒng)成像，則Q（x，y）值由d，d，M，e和r＝?jīng)Q

12定。PSF（x，y）和Q（x，y）關(guān)于r的函數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 PSF和Q關(guān)于r的函數(shù)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(shù)的具體試驗(yàn)方法和裝置如下：通過光電探測器件測量出黑斑在光學(xué)系統(tǒng)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(nèi)壁涂層完全相同的“白塞子”，此時(shí)光電信號值為E2；完全遮擋光電探測器的入光孔，此時(shí)光電信號值為E0。則該光學(xué)系統(tǒng)的雜光系數(shù)：

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

圖2 雜光系數(shù)測試裝置示意圖

3 測試條件對測試結(jié)果的影響

影響雜光測試結(jié)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(jié)果差異大，無法比較的主要因素。如黑體目標(biāo)的尺寸的選擇，是否使用準(zhǔn)直物鏡及準(zhǔn)直物鏡自身的雜光系數(shù)，光電接收器件接收孔徑的大小等等。

3.1 黑體目標(biāo)尺寸

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

為驗(yàn)證此推理的正確性，本文選取重復(fù)精度在0.2％之內(nèi)的雜光測試系統(tǒng)，在保證其他測試條件一致的情況下，對同一光學(xué)系統(tǒng)采用不同的黑體目標(biāo)尺寸進(jìn)行測試，得出各測試條件下的雜光系數(shù)，如表1所示。

圖3 黑體目標(biāo)尺寸對雜光測試結(jié)果的影響

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

以上數(shù)據(jù)均為多次測量的平均值，可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)一致，即黑體目標(biāo)尺寸越大測試結(jié)果越小。目前我國以黑體目標(biāo)像直徑為像幅對角線尺寸的1/10來確定黑體目標(biāo)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(shí)I0變大，增大的量值為圖中陰影部分面積，所以雜光系數(shù)測量值增大。為驗(yàn)證此推理的正確性，本文選取重復(fù)精度在0.2％之內(nèi)的雜光測試系統(tǒng)，在保證其他測試條件一致的情況下，分別對3個(gè)不同的鏡頭在接收孔徑變化的情況下進(jìn)行雜光測試，得到雜光系數(shù)如表2所 示。

表2 接收光闌孔徑對雜光測試結(jié)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(jié)果的影響

以上數(shù)據(jù)均為多次測量的平均值，可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)一致，即隨著接收光闌孔徑的增大，測得的雜光系數(shù)也隨之增大。目前我國以接收孔徑直徑為黑體目標(biāo)直徑的1/4～1/6來確定光電接收器接收孔徑。

3.3 準(zhǔn)直物鏡的影響

根據(jù)《GB/T 8248.4-1999》的規(guī)定，采用黑斑法進(jìn)行雜光系數(shù)測量時(shí)所要求的物像關(guān)系為黑體目標(biāo)到被測物鏡的距離L應(yīng)大于被測物鏡焦距f的10倍，當(dāng)焦距較長不滿足這個(gè)關(guān)系時(shí)，測試時(shí)就應(yīng)該使用準(zhǔn)直物鏡將黑體目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)目標(biāo)。

由于光學(xué)元件表面的多重反射，尤其偶次反射是造成雜光的一個(gè)重要原因，所以采用準(zhǔn)直物鏡勢必會引入被測光學(xué)系統(tǒng)之外的雜光，如何從測試結(jié)果中將準(zhǔn)直物鏡引入的雜光區(qū)分出來非常重要。選取重復(fù)精度在0.2％之內(nèi)的雜光測試系統(tǒng)，對3個(gè)不同的照相鏡頭分別加入和撤除同一個(gè)準(zhǔn)直物鏡反復(fù)進(jìn)行雜光測試，得到各測試條件下雜光系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 準(zhǔn)直物鏡對雜光測試結(jié)果的影響Table 3 Effect of collimating objective on measuring results of stray light coefficients

測試結(jié)果表明，準(zhǔn)直物鏡在相同的通光孔徑下，引入的雜光系數(shù)大致相同，可視為固定值。由此，在必須使用準(zhǔn)直物鏡的情況下，可以根據(jù)被測光學(xué)系統(tǒng)的孔徑，計(jì)算出在此孔徑下準(zhǔn)直物鏡所引入的雜光系數(shù)，并從最終的測試結(jié)果中將其剔除。

4 結(jié) 論

在光學(xué)系統(tǒng)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(jié)果產(chǎn)生重大的影響。比如，隨著黑體目標(biāo)尺寸的增大，雜光測試結(jié)果減??；隨著光電接收器件接收光闌孔徑增大，雜光測試結(jié)果增大；準(zhǔn)直物鏡使雜光測試結(jié)果增大等等。因此，測試人員應(yīng)該盡量遵守相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)測試條件無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，應(yīng)對測試結(jié)果的準(zhǔn)確度給予評價(jià)。

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Effect ofmeasuring conditions on measuring results of stray light coefficients

CAO Zhi-rui1，XUN Xian-chao2，YUAN Li1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine 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(xiàng)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(shí)習(xí)員，碩士，主要從事光機(jī)檢測方法的研究。

E-mail：caozhirui_0503＠163.com