杂光系数检测_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

杂光系数检测技术综述

杂光，又称杂散光，是指光学系统成像过程中到达像面的非成像光线。这些非预期光线会降低图像对比度、产生眩光或鬼影，严重时甚至会完全淹没弱信号目标。杂光系数是量化系统杂光水平的核心参数，其检测与控制在光学设计、加工及系统集成领域至关重要。

1. 检测项目：方法与原理

杂光系数通常定义为到达像面的杂光照度与指定视场外特定强光源在像面产生的总照度之比，以百分比表示。其核心检测方法依据基本原理可分为以下几类：

1.1 黑斑法
这是最经典和直接的方法，遵循“替代法”原理。

原理：在均匀亮背景（如积分球出光口）前，放置一个表面反射率极低（通常<0.5%）的“黑斑”或“黑体目标”。黑斑对入射光的吸收率极高。将待测光学系统对准该目标成像。理论上，若无杂光，像面黑斑像区域应为全黑。实际测量中，像面黑斑像区域的照度完全由系统内部表面散射、折射及机械结构反射等产生的杂光所贡献。通过测量像面黑斑像区域的平均照度 $E_d$ 与移去黑斑后均匀亮背景像的平均照度 $E_0$ ，即可计算杂光系数 $η$ ：

η = \frac{E_d}{E_0} \times 100\%

1.2 点源透过率法
该方法尤其适用于评估系统对强点源（如太阳、星等）的抑制能力。

原理：在待测系统视场外放置一个高强度点光源（如平行光管出射的点目标）。测量该点光源直接经系统成像（此时像面为强光斑，可能饱和）时，在像面预定“暗区”（如远离主像点的位置）产生的照度 $E_{stray}$ 。然后，将点光源移至视场内，测量其直接成像在像面产生的照度 $E_{image}$ 。

PST(θ) = \frac{E_{stray}(θ)}{E_{image}} \times 100\%

其中 $PST(θ)$ 即为离轴角 $θ$ 处的点源透过率，是表征系统杂光特性的关键函数。通过对不同离轴角的PST进行积分或加权，可推系统的等效杂光系数。

1.3 接收函数法
这是一种更为全面的分析型方法。

原理：通过理论分析或实验测量，确定光学系统内部各个表面或机械部件对杂光的贡献权重（即接收函数）。结合光源亮度分布和表面散射特性（通常用双向反射分布函数BRDF或双向透射分布函数BTDF描述），通过光线追迹或积分计算，预测系统的整体杂光分布和系数。该方法常用于设计阶段的杂光预估和故障诊断。

2. 检测范围与应用领域

杂光系数检测广泛服务于对图像质量或信号纯度有严苛要求的领域：

3. 检测标准

国内外已建立一系列相关标准规范检测流程与评价方法：

国际标准：
- ISO 9358:1994 《光学和光学仪器杂光测定》是基础性标准，详细规定了用黑斑法测量成像系统杂光系数的装置、程序及表达式。
- ISO 19945:2022 《空间系统光学系统杂光要求与测试方法》针对空间光学产品，提供了更全面的测试方法，包括黑斑法、点源法等。
中国国家标准：
- GB/T 10988-2009 《光学系统杂（散）光测量方法》等效采用ISO 9358，是我国目前杂光检测的核心标准。
- GB/T 38783-2020 《空间光学仪器杂光抑制要求及测试方法》针对航天领域，规定了杂光抑制比、点源透过率等参数的要求和测试方法。
行业与军用标准：
- 各行业（如航天、航空、兵器）及军队标准中常有针对特定产品（如导引头、侦察相机）的杂光测试详细规范，通常更为严格。

4. 检测仪器

杂光检测系统是高度定制的集成设备，核心单元包括：

均匀扩展光源：通常为大口径积分球，提供空间均匀、朗伯性好的亮背景辐射场，用于黑斑法测试。其出口亮度需稳定且可调。
准直系统：大口径平行光管，用于产生无限远目标（如点目标、黑斑目标），模拟远场光源，其口径需大于或等于待测系统入瞳。
高对比度目标发生器：用于产生标准黑斑、不同尺寸的点目标或特定图案目标。黑斑的半球反射率要求极低（如<0.5%）。
精密二维转台：承载待测光学系统，实现高精度角度定位与扫描，用于测量不同离轴角下的杂光响应（如PST曲线）。
高灵敏度成像探测器：通常为科学级CCD或CMOS相机，具备高动态范围、低噪声和良好的线性响应，用于精确测量像面照度分布。有时也使用光电倍增管或硅光电二极管进行点测量。
辅助光源与模拟器：特定场景下需要太阳模拟器、地球反照模拟器等，以更真实地复现工作环境。
数据采集与处理系统：控制整个测试流程自动化，进行图像采集、数据处理、计算杂光系数或PST，并生成报告。