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夜晚识别行人或交通信号灯，同时还得在迎着对向来车的前大灯突然强光进行成像；在通过有可能已经被刮伤或被碎屑覆盖的防护窗观察时，性能必须要能执行而且准确。窗口、碎片、光学元件甚至是传感器等都可能因这些杂散光的入射光而导致意外的辐射或能量而影响探测器。 这些不想要的入射光可能会淹没传感器的信号而导致计算误差。
镜头和相机系统的设计师、制造商以及消费者需要能对杂散光进行定性与定量的测量。美國Optikos的镜头测量系统产品设计能够准确地进行这些测量。
1. 什么是杂散光(Stray Light)？
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(stray light)、lens flare、veiling glare、ghost image、image glare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。国际标准 ISO 9358 “光学和光学仪器 – 成像系统的杂散光 -定义和测量方法” (“Optics and optical instruments – Veiling glare of image-forming systems – Definitions and methods of measurement.”) 这一个标准（2014）文件中完整的定义如何定性以及定量的测量杂散光，并详细描述了如何测量镜头组件中的杂散光。国际标准 ISO 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(Image Flare)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。
国际标准 ISO 9358 包括以下定义：
杂散光Veiling Glare – 光学或电光学系统像平面上不希望收的多余辐射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Glare Spread Function – 使用一个小光源在光轴上图像平面上的辐照度分布。 将轴上图像总通量的单位归一化结果。Optikos 将主要使用杂散光 Veiling Glare、 杂散光系数 Veiling Glare Index (VGI)和杂散光扩散函数Glare Spread Function（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：
许多客户选择使用LensCheck™ 传递函数量测仪来测量中小尺寸的光学元件或光学系统(入射光直径≦50mm)，对此LensCheck™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VGI 或杂散光扩散函数GSF来对杂散光进行测量。实际应用中除了少数特例外，上述这两种方法都符合国际标准 ISO 9358 的要求。
杂散光系数 Veiling Glare Index：
杂散光系数Veiling Glare Index (VGI) 在杂散光测量中是以一个单一百分比值呈现的。测试中的镜头观察到一个被均匀照射的光场，实际上通常是将一个积分球放置在镜头入瞳处，周围延伸超出了透镜场；在没有相机或传感器的设置下执行杂散光系数测试。在光场的中心放置一个小的、完全黑色的物体（光阱）。使用LensCheck™检测的摄像头用来查看被测光学系统成像平面，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。杂散光系数VGI 有效的定量检视小数值的杂散光。
图2 仪器示意图-被测光学系统（LUT）被放置在积分球的入射口处
图3 杂散光测量选配 LensCheck™ Stray Light Kit 是LensCheck™ VIS 可见光传函仪的附加选项Optikos 提供4’’、6’’和10’’尺寸的积分球，此处展示的是10’’的大积分球。
2. 杂散光系数VGI 测量如何与LensCheck™ 和OpTest®7 配合使用？
首先需要有LensCheck™传函仪进行杂散光测量需要的Stray Light Kit Option杂散光选项配置。图1 所示这个版本包括一个10″积分球、附加的光源和一个支撑移动导轨。积分球是产生180° 均匀照明条件所必需的。
将图像分析仪从LensCheck™传函仪移动装设到杂散光选用配置的移动导轨上，LensCheck™传函仪计算机仍然需要运行OpTest 7®软件。OpTest 7®杂散光系数测量程序会指导用户如何进行测量并作为的核心执行部分。 测量方式完全符合国际标准ISO 9358 的定性测量要求，美国Optikos 的LensCheck™杂散光测量的精度能够确认到0.1％。
图4 运行OpTest®7 杂散光系数Veiling Glare Index (VGI) 测量的操作界面
3. 什么样的镜头可以用杂散光选用配置进行测试？
由于透镜的焦距要受积分球直径的限制，所以Optikos 提供了三种标准尺寸型号的杂散光选用配置，分别包含直径为4’’（100mm）、6’’（150mm）和10’’（250mm）的积分球。国际标准ISO Standard 建议积分球直径最好大于被测镜片焦距的10 倍，因此例如测试焦距为25mm 的镜头要用配置有10’’ 积分球的杂散光选用配置。对于具有较长焦距的镜头，Optikos 也可以提供定制解决方案。
4. 杂散光选用配置有哪些限制？
对于较长焦距的镜头可能很难用杂散光选用配置来进行测试。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。国际标准规范ISO Standard 将杂散光系数VGI 定义为光轴的轴上测量，因此需就要将黑色物体放置在光场的中心。此外Optikos 也能为需要特殊离轴测量的客户提供了定制杂散光测量配置以满足包含离轴测量的需求。
杂散光扩散函数 Glare Spread Function
杂散光扩散函数Glare Spread function（GSF）是准直光(collimated light)在特定入射角下成像平面上的辐照度分布的度量。这项检测需要光源、准直器以及旋转平台来设置入射角（见图4）。LensCheck™传函仪标准配备已经完整具备所有这些需求与功能，只需要再附加杂散光扩散函数Glare Spread function（GSF）选项配置。杂散光扩散函数GFS 的测试条件可以由用户自己界定，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5 国际标准ISO 9598 杂散光扩散函数的测量图
图6 LensCheck 增加选项配置GSF 杂散光扩散函数测量功能
5. 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合适？
在测量镜头或相机的杂散光扩散函数GSF 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，因为相机的组成可以显着增加许多杂散光。诸如保护玻璃、传感器、安装座和结构本身的反射这些都会产生不必要的入射光。除此之外，传感器本身也产生随机固定模式的像素噪声(random and fixed pattern pixel noise)，读出误差(readout errors)如散射(blooming)、图像残留(residual images)、电子漂移和串扰(electron drift and crosstalk)等等，以及由于传感器在感知到的杂散光后而引起的综合作用造成其它困扰现象等等的这些错误。因此除了镜头的测试外Optikos 建议另外需要使用相机进行系统测试。然而国际标准规范ISO Standard 9598 规定只界定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际标准规范测量主要的不同之处。
6. 杂散光扩散函数GSF 的测量如何与LensCheck和OpTest 7配合使用？
杂散光扩散函数GSF 测量成功的关键要素是传感器要有非常高的动态范围(very high dynamic range)，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，多个图像被曝光并记录，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GSF。
图7 透镜离轴12° 的杂散光扩散函数GSF，动态范围大于106 插图显示不同曝光时间的5张图像，非常长時間的曝光将不同曝光时间的图像合并以创建杂散光扩散函数GSF 图。
7. 杂散光扩散函数GSF 的测量是否需要其它附件？
杂散光扩散函数Glare Spread Function 的测试需要加購LensCheck™選用的硬件的定制配置。
8. 什么镜头可以测量杂散光扩散函数GSF？
只要是镜头入瞳孔直径在50mm 以内（含50mm），焦距长在1mm 到200mm之间的任何镜头都可以LensCheck™测试进行杂散光扩散函数GSF 的测量。
9. 杂散光扩散函数GSF 测量的局限性有哪些？
如上所述，杂散光扩散函数GSF 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指标性，这通常通过在改变输入角度的同时观看视频流来确定。它的测量这是非常重要的，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。
10. 用杂散光系数Veiling Glare Index，还是杂散光扩散函数 GSF？
杂散光系数VGI 和杂散光扩散函数GSF 都可以进行定量的测试。杂散光系数VGI 能有效的作为成像平面上漫反射辐照度的测量。不佳的杂散光系数通常是由光学件镀膜层不均或不充分而产生的，并且造成对比度的普遍损失。杂散光系数VGI 相对的容易测量，并且可以很容易以百分比值来定性描述，是一种比较快速简单的测量。当比较不同供应商的镜头性能杂散光系数VGI 是非常有效的指标，相同的在镜头规格中要求杂散光系数VGI 能有效的筛选合格供应商。另外，如许多美国军用规格MIL 的规范、 image-intensifier tubes 图像增强管等等都需要做杂散光系数VGI 的测试。
杂散光扩散函数GSF 特别有助于评估因为外界集中式光源照射而产生的鬼影反射，或者其它突出在成像面的杂散光伪影。杂散光扩散函数GSF 测试虽然相对费时，但也对杂散光问题起源提供了更深入的研究。这对于光学和光机系统设计师来说是特别有价值的。诸如对杂散光敏感的具有挑战性的成像环境，车载镜头的视窗、航空机载相机或光学雷达Light Detection and Ranging（LIDAR）系统等对杂散光扩散函数GSF 测量的灵敏度要求非常高的光学和光机系统。
Optikos 关注到客户对光学性能的杂散光测量需求日益增加，并预计光学行业内供应商和用户对在指定和测试杂散光性能方面的要求将会大幅增长。这是值得鼓励的，因为它显示了对光学成像系统中杂散光对性能影响重要性的认识。LensCheck™是一款可以测量传递函数MTF、杂散光系数VGI 和杂散光扩散函数GSF 等重要性能表现的理想且经济实惠的仪器。
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