《光學(xué)測(cè)量技術(shù)》課件-第6章

第6章光學(xué)系統(tǒng)光度特性的測(cè)量6.1光學(xué)系統(tǒng)透射比的測(cè)量6.2光學(xué)系統(tǒng)雜光系數(shù)的測(cè)量6.3照相物鏡漸暈系數(shù)的測(cè)量6.4像面照度均勻度的測(cè)量本章小結(jié)思考題與習(xí)題

光學(xué)系統(tǒng)除了第5章介紹的基本特性參數(shù)外，還有一些影響成像質(zhì)量的指標(biāo)，如光學(xué)系統(tǒng)像面上的照度、照度分布、雜光、透射比、成像光束的能量等。本章僅敘述光學(xué)系統(tǒng)的

透射比、雜光系數(shù)、照相物鏡像面照度均勻度和漸暈系數(shù)的測(cè)量原理及方法。

教學(xué)目的

1.掌握光學(xué)系統(tǒng)透射比的概念。

2.掌握望遠(yuǎn)系統(tǒng)透射比的測(cè)量方法———附加透鏡法和積分球法。

3.掌握照相物鏡軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)透射比的測(cè)量方法。

4.了解光學(xué)儀器產(chǎn)生雜光的主要原因。

5.掌握用面源法測(cè)量雜光系數(shù)的原理和方法;了解用點(diǎn)源法測(cè)量雜光系數(shù)的原理。

6.掌握用連接筒和小孔光闌測(cè)量照相物鏡漸暈系數(shù)的方法。

7.掌握用光電法和照相法測(cè)量照相物鏡像面照度均勻度。

技能要求

1.能夠用積分球法測(cè)量望遠(yuǎn)系統(tǒng)的透射比。

2.能夠用積分球和可變光闌測(cè)量照相物鏡軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)透射比。

3.能夠用積分球上的黑體目標(biāo)和亮背景發(fā)生器，以及光電檢測(cè)器測(cè)量光學(xué)儀器的雜光

系數(shù)。

4.能夠用連接筒和小孔光闌測(cè)量照相物鏡的漸暈系數(shù)。

5.能夠用光電法和照相法測(cè)量照相物鏡的像面照度均勻度。

6.1光學(xué)系統(tǒng)透射比的測(cè)量

6.1.1透射比概述光學(xué)系統(tǒng)透射比反映了光能量經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后的損失程度。對(duì)目視觀察儀器，透射比低，意味著使用這種儀器觀察時(shí)主觀亮度降低。如果對(duì)某些波長(zhǎng)的光譜透射比低，觀察時(shí)視場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生不應(yīng)有的帶色現(xiàn)象，例如所謂的“泛黃”現(xiàn)象就是對(duì)波長(zhǎng)較短的光透射比較低。

對(duì)于照相物鏡透射比低，使像面照度降低，照相時(shí)應(yīng)相應(yīng)增加曝光時(shí)間。當(dāng)彩色照相時(shí)，如果照相物鏡對(duì)各種波長(zhǎng)的透射比差別較大，將影響彩色還原效果?？梢?，光學(xué)系統(tǒng)透射

比的下降一定程度地影響像質(zhì)。

光學(xué)系統(tǒng)透射比是系統(tǒng)出射的光通量?('λ)與入射光通量?(

λ)的比值，常用符號(hào)

τ表示，并以百分?jǐn)?shù)給出。光學(xué)系統(tǒng)透射比的降低是由于光學(xué)零件表面的反射和光學(xué)材料內(nèi)部的吸收等原因造成的，由于表面反射率和內(nèi)部吸收率均與入射波長(zhǎng)有關(guān)，所以光學(xué)系統(tǒng)的透射比也是波長(zhǎng)的函數(shù)。隨入射波長(zhǎng)而變的透射比稱為光譜透射比，即

在一般情況下為簡(jiǎn)化測(cè)量，常常用規(guī)定色溫下的白光作光源進(jìn)行測(cè)量。如果規(guī)定色溫的光源相對(duì)光譜通量(功率)分布函數(shù)為S(λ)，人眼的光譜光視效率為V(λ)，被測(cè)系統(tǒng)的光譜透射比為τ

(λ)，則進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的總光通量為

同樣，射出光學(xué)系統(tǒng)的光通量為

則光學(xué)系統(tǒng)的目視透射比，即白光透射比為

其中，

λ1~λ2

為可見光波長(zhǎng)范圍。通常將式(6－4)給出的透射比稱為光學(xué)系統(tǒng)的積分透射比或白光透射比τ。從式(6－4)可看出，只要統(tǒng)一規(guī)定光源的色溫，即規(guī)定光源的相對(duì)光譜能量分布，分別測(cè)量進(jìn)入和射出系統(tǒng)的光通量，就可得到白光透射比，利用白光透射比這單一指標(biāo)對(duì)各類光學(xué)系統(tǒng)透射比進(jìn)行比較，進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)于測(cè)量時(shí)所用光源色溫的規(guī)定，應(yīng)該使光源輻射光的相對(duì)光譜能量分布和成像時(shí)光輻射的相對(duì)光譜能量分布相一致。例如，對(duì)于白天使用的望遠(yuǎn)鏡，測(cè)量時(shí)所用的光源應(yīng)與

白天平均照明光的相對(duì)光譜能量分布相同。當(dāng)測(cè)量要求不高時(shí)，采用普通鎢絲白熾燈作光源也是可以的。

6.1.2望遠(yuǎn)系統(tǒng)透射比的測(cè)量

望遠(yuǎn)系統(tǒng)視場(chǎng)小，一般只測(cè)軸上透射比。測(cè)量裝置主要由光源和接收器兩部分組成。光源用來(lái)供給進(jìn)入被測(cè)系統(tǒng)的光能，接收器用來(lái)測(cè)量進(jìn)入系統(tǒng)前的光通量?(簡(jiǎn)稱空測(cè))和

通過(guò)系統(tǒng)后的光通量?'(簡(jiǎn)稱實(shí)測(cè))。光源部分一般采用點(diǎn)光源平行光管，供給系統(tǒng)軸上光束，接收器部分根據(jù)測(cè)量需要采用附加透加鏡式光電接收器或積分球式光電接收器。下面分別介紹用這兩種接收器測(cè)量透射比的原理及方法。

一、附加透鏡法

附加透鏡法的測(cè)量原理如圖6.1所示，光源部分為一點(diǎn)光源平行光管，平行光管中小孔光闌3(直徑為1mm)位于物鏡4焦平面上，聚光鏡2使燈絲成像在小孔光闌上，利用燈泡1的調(diào)節(jié)，使燈絲像成在小孔位置，套在物鏡上的光闌5用來(lái)保證空測(cè)和實(shí)測(cè)時(shí)有相同的光通量入射，口徑略小于被測(cè)系統(tǒng)的入瞳直徑D，一般取(0.7~0.9)D;光電接收器由與人眼光譜特性相近的硒光電池7、毛玻璃(圖中未畫)和檢流計(jì)8組成，光電池可上下左右調(diào)節(jié)，對(duì)準(zhǔn)毛玻璃上的光斑，毛玻璃用來(lái)檢驗(yàn)空測(cè)和實(shí)測(cè)時(shí)的光斑大小是否相同，并且是否落在硒光電池的相同部位。為了衡量光斑大小，在毛玻璃上刻有兩個(gè)直徑為?25mm和?

30mm的同心圓，外環(huán)為參考之用，內(nèi)環(huán)為硒光電池工作部位。圖6.1附加透鏡法測(cè)量透射比

測(cè)量時(shí)，利用硒光電池產(chǎn)生的光電流與光照度成正比關(guān)系，用檢流計(jì)分別測(cè)出對(duì)應(yīng)?和?'的光電流m1

和m2

，于是透射比可按下式計(jì)算:

附加透鏡的作用是保證空測(cè)和實(shí)測(cè)時(shí)照在光電池上的光斑大小和光束結(jié)構(gòu)相同。如果不用附加透鏡，因被測(cè)系統(tǒng)視放大率Γ的影響，使空測(cè)時(shí)光斑大小為實(shí)測(cè)時(shí)光斑的Γ倍，

這不符合接收器的要求。為了使光電池受照條件空測(cè)和實(shí)測(cè)時(shí)一致，在空測(cè)和實(shí)測(cè)時(shí)應(yīng)分別加一個(gè)會(huì)聚透鏡6和8。要滿足空測(cè)和實(shí)測(cè)出射的光束結(jié)構(gòu)相同，必須保證這兩種情況

下從附加透鏡出射的光束夾角相等，并保證小孔光闌的像到接收器的距離在空測(cè)和實(shí)測(cè)時(shí)相等，則滿足了屏上光斑大小相等，由圖可知:

得到附加透鏡6和8的焦距關(guān)系為

其中，

Γ=D/D'，為被測(cè)系統(tǒng)的放大倍率。

為盡量減少附加透鏡對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)將附加的會(huì)聚透鏡6和8用同一種玻璃制造，并且透鏡厚度盡量相等。

二、積分球法

積分球法的原理與附加透鏡法的相同，其不同之處在于接收器部分。這種方法以積分球作為接收器，省去了附加透鏡裝置，原理如圖6.2所示。使用積分球是使硒光電池所有

外露表面受到均勻的光照。

這種方法操作方便，空測(cè)和實(shí)測(cè)時(shí)只要使被測(cè)系統(tǒng)的軸向光束全部進(jìn)入積分球的小孔，根據(jù)空測(cè)和實(shí)測(cè)的光電流值，由式(6－5)即可求被測(cè)系統(tǒng)的透射比。

此種方法測(cè)量精度高，操作方便，對(duì)不同系統(tǒng)通用性強(qiáng)。

圖6.2積分球法測(cè)量透射比

6.1.3照相物鏡透射比的測(cè)量

一、照相物鏡軸上點(diǎn)透射比的測(cè)量

圖6.3所示為測(cè)量照相物鏡軸上點(diǎn)透射比的光路圖?？諟y(cè)時(shí)，可變光闌4的口徑應(yīng)小到保證使全部光束進(jìn)入積分球，積分球盡量靠近可變光闌，如圖6.3(b)所示。實(shí)測(cè)時(shí)，積分球應(yīng)放置到被測(cè)物鏡之后的會(huì)聚光中，如圖6.3(a)所示，并注意調(diào)節(jié)積分球位置，使投射到積分球內(nèi)壁上的光斑直徑和位置與空測(cè)時(shí)的相近。在被測(cè)物鏡像面處加視場(chǎng)光闌，以限制被測(cè)物鏡產(chǎn)生的雜光進(jìn)入積分球?？諟y(cè)與實(shí)測(cè)時(shí)，從檢流計(jì)上分別讀得m1

和m2

，則求得透射比為圖6.3照相物鏡透射比的測(cè)量

如果測(cè)量白光透射比，則光電元件的光譜特性曲線應(yīng)通過(guò)修正濾光片校正到與被測(cè)物鏡所用的感光底片光譜特性曲線基本一致。如果測(cè)量光譜透射比，則需按一定波長(zhǎng)間隔逐

點(diǎn)測(cè)量不同波長(zhǎng)下的透射比，從而得到規(guī)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜透射比特性曲線。

對(duì)物距為有限遠(yuǎn)的物鏡，如投影物鏡、制版物鏡等，測(cè)量光路應(yīng)作相應(yīng)的安排，如圖6.4所示。圖6.4有限物距物鏡透射比的測(cè)量

二、照相物鏡軸外點(diǎn)透射比的測(cè)量

照相物鏡的透射比通常是指軸上透射比，但對(duì)于某些廣角照相物鏡，需要研究透射比隨視場(chǎng)的變化情況，所以需要測(cè)量規(guī)定視場(chǎng)角下的光譜透射比。測(cè)量光路如圖6.5所示。

被測(cè)物鏡繞通過(guò)入瞳中心的軸轉(zhuǎn)到相應(yīng)的視場(chǎng)角，應(yīng)使光束的中心與入射光瞳中心大致重合，并保證光束在不被切割的情況下通過(guò)被測(cè)物鏡。積分球應(yīng)正對(duì)被測(cè)物鏡的出射光束。

測(cè)量照相物鏡的透射比時(shí)，光源色溫應(yīng)符合CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D35的要求，并加入修正濾光片，將光電探測(cè)器的光譜靈敏度曲線校正到與感光膠片或感光器件的光譜靈敏度曲線基本一致。圖6.5測(cè)量照相物鏡軸外點(diǎn)透射比的光路

6.1.4照相物鏡透射比測(cè)量的條件和注意事項(xiàng)

無(wú)論是測(cè)量白光透射比還是光譜透射比，其測(cè)量值均與檢測(cè)條件有關(guān)，如光源色溫、測(cè)量光束口徑、積分球直徑、角度的變化、單色儀的單色性及波長(zhǎng)間隔的選取等等。為了統(tǒng)一測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO/TC42)對(duì)照相物鏡的光譜透射比測(cè)量條件做了以下幾條規(guī)定:

(1)單色儀出射狹縫高度必須小于平行光管物鏡焦距的1/30;對(duì)于物距為有限遠(yuǎn)工作的照相物鏡，位于物平面的單色儀出射狹縫高度應(yīng)小于物距(物鏡前節(jié)點(diǎn)至物面距離)的

1/30;出射光束的半寬度應(yīng)小于10nm。如果使用窄帶濾光片，則在被測(cè)物鏡每nm透射變化量小于0.2%的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，半寬度選為20nm即可。

(2)測(cè)量光束直徑應(yīng)等于待測(cè)照相物鏡入瞳直徑的一半，并應(yīng)位于入瞳的中心區(qū)域。當(dāng)被測(cè)物鏡光圈可調(diào)時(shí)，應(yīng)將光圈開至最大位置時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

(3)對(duì)于普通照相物鏡，檢測(cè)光譜透射比的波長(zhǎng)范圍建議取360~700nm。檢測(cè)時(shí)，波長(zhǎng)間隔的選取原則是:當(dāng)每nm的透射比變化量大于0.2%時(shí)，波長(zhǎng)間隔取20nm，否則波長(zhǎng)間隔取40nm。由于在360~460nm范圍內(nèi)透射比變化較大，所以波長(zhǎng)在460nm以下時(shí)，取波長(zhǎng)間隔為20nm。如果測(cè)量值作為被測(cè)物鏡彩色還原性能的評(píng)價(jià)，則在此譜段范圍內(nèi)應(yīng)取波長(zhǎng)間隔為10nm。

(4)積分球的直徑與位置應(yīng)使射到其后壁的光斑直徑為可變光闌直徑的0.5~2倍。另外，進(jìn)入積分球的光束直徑不得超過(guò)積分球入射孔直徑的四分之三，并且光束應(yīng)位于入射孔的中央部位。

此外，在測(cè)量時(shí)應(yīng)將被測(cè)照相物鏡的外露光學(xué)表面擦拭干凈;測(cè)量在暗室內(nèi)進(jìn)行，并防止因照明光引起的雜光進(jìn)入積分球;光電接收元件應(yīng)有足夠好的線性，并在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中應(yīng)保持光源的穩(wěn)定性。

6.2光學(xué)系統(tǒng)雜光系數(shù)的測(cè)量

6.2.1雜光系數(shù)概述光學(xué)系統(tǒng)形成物體的實(shí)像時(shí)，在像面上除了按正常光路進(jìn)行成像外，尚有少量的非成像光束在像面上擴(kuò)散的現(xiàn)象稱為雜光現(xiàn)象，這些疊加至像面處的不參與直接成像的有害光稱為雜散光，簡(jiǎn)稱雜光(Veilingglare)。

光學(xué)儀器中雜光的存在不僅減少了參與成像光的能量，更主要的是使整個(gè)像面上產(chǎn)生一個(gè)近似均勻的附加照度，畫面猶如蒙上一層薄霧，對(duì)像質(zhì)的影響很大。例如，雜光大的

照相物鏡拍出的畫面清晰度差、層次少且色飽和度低等;對(duì)于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，雜光的存在會(huì)使儀器的鑒別率低，觀察距離減短;對(duì)于彩色電影或彩色電視，雜光會(huì)使整個(gè)畫面彩色失

真，彩色飽和度(色濃度)下降，導(dǎo)致畫面彩色陳舊。所以一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)雜光嚴(yán)重與否，將直接影響成像質(zhì)量和儀器的使用效果，尤其是當(dāng)前對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量提出越來(lái)越高的要

求，雜光的控制或消除及雜光的測(cè)量已成為研制高性能光學(xué)儀器的重要課題。

光學(xué)儀器產(chǎn)生雜光的主要原因有以下幾個(gè)方面:

(1)由光學(xué)零件的反射與散射造成的雜光。光學(xué)零件表面的多重反射，特別是偶次反射是形成雜光的重要因素。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)中含有的反射平面或鏡片特別多時(shí)，則有可能在像

面附近形成幻像而產(chǎn)生雜光;透鏡的光潔度不好或存在灰塵、指紋、劃痕等造成的散射，透鏡邊緣面(特別是厚透鏡或凹面透鏡的厚邊緣)也會(huì)產(chǎn)生雜光;玻璃的氣泡、條紋、結(jié)石造成的散射光，膠合面、增透膜的反射、散射等也會(huì)產(chǎn)生雜光。

(2)機(jī)械部件的反射與散射造成的雜光。這方面主要包括鏡筒內(nèi)壁、內(nèi)部機(jī)械件、光闌葉片和快門葉片的反射、散射等。葉片向光面的反射光對(duì)軸上像點(diǎn)處雜光影響不大，但

對(duì)軸外像點(diǎn)處的雜光影響明顯，而葉片朝像表面的反射產(chǎn)生的雜光要大些。

(3)相機(jī)內(nèi)部各受光面的反射、散射與感光乳劑層的散射等造成的雜光。上述產(chǎn)生雜光的諸項(xiàng)因素中，由反射造成的雜光是主要成因，而散射造成的雜光一般來(lái)說(shuō)是次要的。

(4)望遠(yuǎn)鏡觀察者眼球表面也可能把一部分光反射到儀器內(nèi)形成雜光。

測(cè)量雜光的面源法，是由德國(guó)科學(xué)家哥爾特貝克于1925年提出的。該法測(cè)量結(jié)果易受諸多外界因素的影響，但由于它可測(cè)量各種因素產(chǎn)生的雜光，所用裝置簡(jiǎn)單，故至今仍被普遍采用。1972年S·Martin等人針對(duì)面源法存在的缺陷，提出了測(cè)量雜光的點(diǎn)光源法，并由測(cè)得的雜光擴(kuò)散函數(shù)(GSF)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的雜光大小。

目前，人們致力于雜光系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，并從理論與實(shí)踐上相繼開展了許多研究工作，已研制出可連續(xù)掃描并自動(dòng)記錄的雜光測(cè)量裝置，它不僅能準(zhǔn)確地測(cè)定雜光系數(shù)，還可測(cè)量雜光分布，這些為開展雜光測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)。ISO下屬的TC-42對(duì)照相物鏡的測(cè)量方法開展了標(biāo)準(zhǔn)化工作，雜光測(cè)量是其中的一項(xiàng)。1991年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的光學(xué)和光學(xué)儀器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)ISO/172提出雜光的定義和測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/DIS9358，這標(biāo)志著雜光的研究與測(cè)量工作已日趨成熟和規(guī)范化。

6.2.2雜光系數(shù)的度量

影響雜光的因素很多，即使是同一型號(hào)的物鏡，其雜光也將隨著空間物體的亮度分布而變化，同時(shí)雜光也是物鏡自身的視場(chǎng)角和光圈數(shù)的函數(shù)，故為了對(duì)雜光進(jìn)行度量，必須明確測(cè)量條件。

光學(xué)系統(tǒng)雜光系數(shù)的指標(biāo)主要是依據(jù)測(cè)量方法確定的。目前測(cè)量雜光的通用方法是面源法(或稱黑斑法)，它是假定雜光在像平面上呈均勻分布而提出的。但實(shí)際上，雜光在像

平面上的分布是不均勻的，故又提出用點(diǎn)源法測(cè)量雜光，這一方法直接測(cè)量的是點(diǎn)光源在像平面上的雜光分布曲線，即雜光擴(kuò)散函數(shù)GSF(x，y)。

為規(guī)定雜光系數(shù)的實(shí)際允許值，可在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量一批物鏡的雜光系數(shù)，然后實(shí)拍進(jìn)行視覺檢驗(yàn)，以確定允許值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)良的照相物鏡其常用孔徑的雜光系數(shù)應(yīng)小于

3%。一般照相物鏡各孔徑的雜光系數(shù)均小于5%。

日本照相機(jī)和光學(xué)儀器檢測(cè)協(xié)會(huì)(JCII)給出了照相物鏡及相機(jī)雜光系數(shù)的度量標(biāo)準(zhǔn)，見表61。

按ISO/172標(biāo)準(zhǔn)，被測(cè)物鏡按其物距、像距及應(yīng)用范圍分為A、B、C三大類，見表6－2。

對(duì)各類系統(tǒng)的雜光檢測(cè)方法，

ISO/DIS9358標(biāo)準(zhǔn)做了相應(yīng)的規(guī)定。

6.2.3雜光系數(shù)的測(cè)量

一、面源法的檢測(cè)原理

在實(shí)際成像光學(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

上造成的雜光疊加。顯然，此時(shí)像面上的雜光光強(qiáng)分布仍可認(rèn)為是比較均勻的，故可用面源法檢測(cè)雜光系數(shù)。如待測(cè)物鏡對(duì)一擴(kuò)展的均勻亮背景上的黑斑成像，測(cè)得黑斑像的光照

度，即為像面上的雜光照度EG

。若面光源的成像光束在像面的照度為E0

，面光源在像面上所成像的面積為A

，像面總面積為S，則雜光系數(shù)的定義式可改寫為

從式(6－9)可以看出，光源面積越大，則像面上造成的雜光光通量也越大，并且雜光分布也越均勻，故越容易測(cè)量準(zhǔn)確。若A趨近于S，則上式可變?yōu)?/p>

由式(6－10)可見，通過(guò)測(cè)量大面積均勻光源在像面上所成像的總照度E0+EG

和雜光照度EG

，即可求得雜光系數(shù)η。按此原理測(cè)量雜光的方法稱為面源法或黑斑法。盡管這一方法存在很多缺陷，如檢測(cè)條件與使用條件明顯不符，測(cè)得數(shù)據(jù)在很大程度上取決于測(cè)量裝置的參數(shù)，并不能滿意地預(yù)言系統(tǒng)的使用效果等，但由于面源法測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)，所以仍是目前國(guó)內(nèi)外廣為流行的方法。

二、雜光系數(shù)測(cè)量裝置及方法

利用黑斑法測(cè)量雜光系數(shù)的裝置包含兩個(gè)主要部分，即黑體目標(biāo)和亮背景發(fā)生器，以及光電檢測(cè)器。目標(biāo)和亮背景發(fā)生器的作用在于提供一個(gè)亮度均勻的、具有一定擴(kuò)展范圍

的人工亮背景(即相當(dāng)于模擬一個(gè)天空亮背景)，以及在亮背景上具有一定大小的一個(gè)或多個(gè)黑體目標(biāo)。光電檢測(cè)器的作用是測(cè)定像平面上黑體像和背景像的照度。具體測(cè)量裝置隨

著光學(xué)系統(tǒng)的類別和使用要求各有不同，但基本原理是一樣的。下面分別介紹測(cè)量照相物鏡和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)雜光系數(shù)的測(cè)量裝置及方法。

1.照相物鏡雜光系數(shù)的測(cè)量

圖6.6所示為測(cè)量照相物鏡(包括投影物鏡、復(fù)制物鏡等)雜光系數(shù)的典型裝置示意圖。圖中帶有若干個(gè)照明燈泡和牛角形消光管的積分球?qū)⑻峁┮粋€(gè)均勻擴(kuò)展的亮背景和黑

體目標(biāo)。牛角形消光管作為黑體目標(biāo)與被測(cè)物鏡相對(duì)地裝在積分球的直徑兩端。積分球的亮度均勻漫反射內(nèi)壁相對(duì)被測(cè)物鏡入瞳構(gòu)成一個(gè)尺寸可能接近180°的均勻亮視場(chǎng)。光電檢測(cè)器的光敏元件接收面位于黑體目標(biāo)通過(guò)被測(cè)物鏡所成的像平面上，并在其前放一個(gè)小孔光闌，以限制光敏元件接收黑斑的大小。

由于光敏元件的光譜靈敏度與被測(cè)物鏡實(shí)際工作時(shí)所用的感光材料的光譜靈敏度往往不一致，所以在光敏元件與小孔光闌之間加有修正濾光片，以保證光電檢測(cè)器的光譜響應(yīng)與感光材料的光譜特性基本一致。必要時(shí)還加一塊毛玻璃，使投射在光敏元件上的光盡量均勻，牛角形黑體可以更換成與周圍亮背景涂層完全相同的“白塞子”，使積分球內(nèi)壁又成為一個(gè)整體。

通過(guò)光電檢測(cè)器分別測(cè)出被測(cè)物鏡像平面上對(duì)應(yīng)黑體目標(biāo)像和用“白塞子”時(shí)像的照度EG

和E0+EG

，即光電檢測(cè)器的對(duì)應(yīng)指示值

m1

和m2

，則雜光系數(shù)為

有些裝置中，如果牛角形黑體目標(biāo)不能用“白塞子”更換，則可把光電檢測(cè)器移到與黑體目標(biāo)像相鄰的位置處測(cè)量背景像的照度。圖6.6照相物鏡雜光系數(shù)的測(cè)量裝置

當(dāng)需要測(cè)量軸外點(diǎn)雜光系數(shù)時(shí)，可將被測(cè)物鏡繞通過(guò)入瞳平面并垂直于光軸的軸線轉(zhuǎn)過(guò)一視場(chǎng)角，再進(jìn)行測(cè)量。有些測(cè)量雜光系數(shù)的裝置，為了便于同時(shí)測(cè)量不同視場(chǎng)角下的

雜光系數(shù)值，在積分球的水平截面內(nèi)以一定的角度間隔，同時(shí)裝有若干個(gè)黑體目標(biāo)，甚至也可用若干個(gè)性能相同的光電元件同時(shí)測(cè)出不同視場(chǎng)下的雜光系數(shù)值。

2.望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)雜光系數(shù)的測(cè)量

圖6.7為測(cè)量望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)雜光系數(shù)的測(cè)量裝置。測(cè)量望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(或長(zhǎng)焦距照相物鏡)的雜光系數(shù)時(shí)，為了提供無(wú)限遠(yuǎn)的人工目標(biāo)，被測(cè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)正對(duì)準(zhǔn)直物鏡，入瞳應(yīng)盡量靠近準(zhǔn)直物鏡。在被測(cè)望遠(yuǎn)鏡的出瞳處裝一個(gè)圓孔光闌，用以模擬使用望遠(yuǎn)鏡時(shí)人眼瞳孔的限制。圓孔光闌的直徑應(yīng)根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的使用條件決定，如白天使用的儀器，眼瞳孔直徑約為3mm左右，晚上使用時(shí)為8mm左右，所以圓孔直徑也相應(yīng)地選為3mm或8mm。

光電檢測(cè)器中仍裝有小孔光闌、修正濾光片、毛玻璃。小孔光闌的通光孔應(yīng)位于圖6.7所示的暗區(qū)內(nèi)，修正濾光片應(yīng)根據(jù)人眼的光譜光視效率和光敏元件的光譜靈敏度選擇。測(cè)量時(shí)，通過(guò)光電檢測(cè)器分別測(cè)出對(duì)應(yīng)黑體目標(biāo)和“白塞子”光電流m1

和m2

，由式(6－11)求出被測(cè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)雜光系數(shù)η值。

三、測(cè)量條件和注意事項(xiàng)

由于光學(xué)系統(tǒng)的雜光系數(shù)與使用條件有關(guān)，雜光系數(shù)的測(cè)量結(jié)果也與測(cè)試條件有關(guān)，為了統(tǒng)一測(cè)量結(jié)果，并保證必要的測(cè)量精度，以便于互相比較，往往根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的種類和使用要求規(guī)定若干測(cè)試條件。例如ISO制定的照相物鏡雜光系數(shù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)草案中，對(duì)測(cè)試條件做了以下主要規(guī)定。

1.關(guān)于擴(kuò)展光源

(1)擴(kuò)展光源應(yīng)盡量靠近被測(cè)物鏡的入瞳，使被測(cè)物鏡所對(duì)的視場(chǎng)角盡量接近180°，而且視場(chǎng)亮度應(yīng)力求均勻，在被測(cè)物鏡像平面對(duì)角線一半的視場(chǎng)內(nèi)，亮度不均勻應(yīng)≤5%，在全視場(chǎng)內(nèi)則應(yīng)≤8%。

(2)在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，光源亮度變化應(yīng)小于5%。

(3)光源的光譜功率分布應(yīng)已知，并與測(cè)量要求的光譜區(qū)域相一致。

(4)黑體目標(biāo)在被測(cè)物鏡的像平面上成像大小應(yīng)等于被測(cè)物鏡像平面對(duì)角線視場(chǎng)的1/10±20%;考慮到被測(cè)物鏡焦距和視場(chǎng)大小的不同，所以必須備有一套不同直徑的黑體目標(biāo)。黑體目標(biāo)的亮度應(yīng)小于前景亮度的千分之一。

2.關(guān)于光電檢測(cè)器

(1)光敏元件前面的小孔光闌直徑應(yīng)小于等于黑體目標(biāo)像直徑的1/5，其表面反射率在單獨(dú)測(cè)量物鏡雜光系數(shù)的情況下應(yīng)≤3%。在綜合測(cè)量照相機(jī)整機(jī)的雜光系數(shù)時(shí)，光闌面上應(yīng)覆蓋一層照相機(jī)實(shí)際工作時(shí)所用的感光材料，或者與感光材料的散射、反射特性相近的其它代用材料。

(2)光電檢測(cè)器的靈敏度在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的變化應(yīng)<2%，在整個(gè)照度變化范圍內(nèi)的光電響應(yīng)線性要求應(yīng)與雜光系數(shù)的測(cè)量精度要求相適應(yīng)。

(3)光敏元件的光譜靈敏度曲線和修正濾光片的光譜透過(guò)曲率均應(yīng)根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的使用要求事先測(cè)定和匹配。

3.關(guān)于物像共軛關(guān)系

黑體目標(biāo)到被測(cè)物鏡的物距應(yīng)大于被測(cè)物鏡焦距的5倍，特殊情況下則按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)量。

4.關(guān)于視場(chǎng)位置

應(yīng)在光軸上和規(guī)定物鏡半視場(chǎng)處進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)量照相機(jī)整機(jī)的雜光系數(shù)時(shí)，如果被測(cè)系統(tǒng)的雜光分布具有明顯的不對(duì)稱性，則應(yīng)轉(zhuǎn)至雜光系數(shù)最大的方位進(jìn)行測(cè)量。

在雜光系數(shù)的測(cè)量報(bào)告中，應(yīng)注明以下主要測(cè)試條件參數(shù):

(1)被測(cè)物鏡或整機(jī)的牌號(hào)、焦距、最大相對(duì)孔徑、制造號(hào)以及測(cè)量時(shí)所用的相對(duì)孔徑;

(2)物距及放大率;

(3)擴(kuò)展光源及黑體目標(biāo)的角尺寸;

(4)光電檢測(cè)器中小孔光闌的直徑;

(5)測(cè)量時(shí)的視場(chǎng)位置等。

此外，測(cè)量中還應(yīng)注意以下事項(xiàng):

(1)測(cè)量前應(yīng)仔細(xì)清擦被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的外露通光面，否則由于表面的塵土、指印、油污等的散射將明顯影響測(cè)量結(jié)果;

(2)測(cè)量時(shí)應(yīng)注意消除電流和室內(nèi)雜光的影響，在某些測(cè)量裝置中對(duì)積分球內(nèi)的照明光源采取調(diào)制措施，以提高抗干擾能力和工作穩(wěn)定性;

(3)如果在積分球的出口處裝有準(zhǔn)直物鏡，則應(yīng)盡量減小準(zhǔn)直物鏡本身的雜光系數(shù)，并在高精度測(cè)量中予以修正。

6.3照相物鏡漸暈系數(shù)的測(cè)量

6.3.1照相物鏡漸暈系數(shù)概述光學(xué)系統(tǒng)中，隨著入射光束傾斜度的增加，參與成像光束截面積減少的現(xiàn)象為漸暈。漸暈使像平面照度發(fā)生變化。

在某一光圈刻度值時(shí)，與光軸成ω角入射，并可全部通過(guò)鏡頭的最大平行光束垂直于光軸的橫截面積Sω

與平行于光軸入射、并可全部通過(guò)鏡頭的最大平行光束垂直于光軸的橫截面積S0

之比為漸暈系數(shù)，通常用百分?jǐn)?shù)表示，即

產(chǎn)生漸暈的原因有兩個(gè):一個(gè)是光闌(包括鏡框)對(duì)斜光束的遮擋，這種漸暈稱為幾何漸暈，而且?guī)缀螡u暈產(chǎn)生的漸暈系數(shù)總是小于1的;另一個(gè)是由于光闌像差和不同視場(chǎng)的主光線位移產(chǎn)生像平面照度變化，稱為像差漸暈。應(yīng)注意像差漸暈可能大于1，這表明斜光束的截面面積大于軸上光束的截面面積。

6.3.2照相物鏡漸暈系數(shù)的測(cè)量方法

測(cè)量時(shí)，在被測(cè)物鏡像方焦平面上設(shè)置點(diǎn)光源，在物方某一平面上測(cè)量光束截面面積。先將點(diǎn)光源放在焦點(diǎn)處測(cè)得S0

，再將點(diǎn)光源移到軸外點(diǎn)(與ω

角對(duì)應(yīng))測(cè)得Sω

，用式

(612)計(jì)算漸暈系數(shù)。

根據(jù)上述原理下面介紹兩種測(cè)量方法。

一、用連接筒和小孔光闌測(cè)量

測(cè)量在暗室進(jìn)行，測(cè)量裝置如圖6.8所示。被測(cè)物鏡放在連接筒上，在像方焦平面上放一個(gè)小孔光闌，光闌的對(duì)角線上分布一排小孔，各孔到中心距離H按下式計(jì)算:

式中:f'為被測(cè)物鏡焦距;ω

為斜光束與光軸夾角。圖6.8用連接筒測(cè)量漸暈系數(shù)

在被測(cè)物鏡的物方，垂直于光軸放置一感光底片(為調(diào)小孔位于焦平面上，先放一毛玻璃)，先將光源聚光在光闌的中心小孔處，此時(shí)通過(guò)被測(cè)物鏡射出的光束對(duì)底片感光面

積為S0

，然后將光源依次移到其他各小孔處，在底片上得到對(duì)應(yīng)各ω

角的斜光束感光面積Sω

，測(cè)量面積S0和一系列不同視場(chǎng)角的Sω

，得出一系列的Kω。

底片上感光面積S0和Sω可用求積儀測(cè)量，也可用放在照片上透明的網(wǎng)格紙，數(shù)出感光面積所占的格數(shù)。再就是從照片上剪下每個(gè)感光的影像部分，在分析天平上稱重量，由于感光紙的厚度基本均勻，所以重量之比等于面積之比。

二、在光具座上測(cè)量

在光具座上測(cè)量漸暈系數(shù)應(yīng)用一個(gè)帶有回轉(zhuǎn)臂的光具座。被測(cè)物鏡的安裝應(yīng)使像方節(jié)點(diǎn)位于回轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)軸上。在物鏡的焦平面上放置小孔光闌，白熾燈泡通過(guò)聚光鏡照明小孔。物鏡前放置感光底片，如圖6.9所示。圖6.9在光具座上測(cè)量漸暈系數(shù)

測(cè)量時(shí)，回轉(zhuǎn)臂連同物鏡一起從軸上位置向兩側(cè)每隔5°轉(zhuǎn)一次，直到視場(chǎng)邊緣被完全遮擋為止。在每個(gè)視場(chǎng)角下，從小孔通過(guò)物鏡射出的光束對(duì)底片感光，處理之后得到一系列面積不同的曝光圖形。測(cè)出圖形面積，求出不同視場(chǎng)角的漸暈系數(shù)。

應(yīng)當(dāng)注意，物鏡繞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)后，為使小孔仍保持在焦平面上，則小孔光闌應(yīng)后移Δ距離，即

其中:f‘為被測(cè)物鏡距焦;ω

為回轉(zhuǎn)角。

根據(jù)漸暈系數(shù)的定義，

Sω

應(yīng)是垂直光軸的截面面積。但實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)物鏡轉(zhuǎn)ω角時(shí)底片不動(dòng)，使得底片與光軸不垂直，所以從底片所得曝光面積應(yīng)除以cosω才得到Sω

值。

6.4像面照度均勻度的測(cè)量

從控制曝光時(shí)的觀點(diǎn)考慮，希望亮度均勻的物體成像在像平面各部位時(shí)其像面照度均勻，但大多數(shù)物鏡的像面照度不可能達(dá)到完全均勻，像面照度一般來(lái)說(shuō)總是隨著視場(chǎng)的增大按一定規(guī)律下降。

考慮斜光束有漸暈現(xiàn)象，其系數(shù)為Ks

，并假設(shè)物鏡完全畸變，而物面亮度在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)不變，這時(shí)視場(chǎng)不同部位的像面照度分布為

其中:E'y為離中心為y'處的像面照度;E0

為視場(chǎng)中心的像面照度;K'y

為像面照度均勻度，通常用百分?jǐn)?shù)表示。

式(6－15)表明，即使無(wú)漸暈，像面照度均勻度也按cos

4ω的規(guī)律由視場(chǎng)中心向邊緣逐漸降低。一般情況下K'y總是小于cos4ω的。

對(duì)于廣角照相物鏡，這種情況尤為嚴(yán)重。例如，當(dāng)ω=60°時(shí)，相應(yīng)的K'y<6.25%，如視場(chǎng)中心曝光正合適，視場(chǎng)邊緣將嚴(yán)重不足。為改善這種狀況，有些廣角照相物鏡利用像差漸暈現(xiàn)象，使Ks

>1，且隨著ω的增大，

Ks增大，因此可在校正畸變條件下使得像面照度比較均勻。另外，有些照相物鏡放棄了校正畸變，彌補(bǔ)了視場(chǎng)照度的不均勻性，這時(shí)K'y的分布不再滿足式(6－15)。

下面介紹兩種直接測(cè)量像面照度均勻度的方法。

一、光電法

光電法的原理是:在被測(cè)物鏡的物方設(shè)置一個(gè)亮度均勻而穩(wěn)定的漫射面光源，并用光電接收器測(cè)量像方焦平面上各點(diǎn)的照度，在檢流計(jì)上讀出光電流值。只要光電接收器的入

孔直徑保持不變，檢流計(jì)讀數(shù)便與像面照度成正比，因此有

其中:m1

為測(cè)離視場(chǎng)中心y處照度時(shí)的檢流計(jì)讀數(shù);m2

為測(cè)視場(chǎng)中心照度時(shí)的檢流計(jì)讀數(shù)。

光源到被測(cè)物鏡距離盡可能近些，這樣充滿整個(gè)視場(chǎng)所需的光源尺寸可小些，易滿足光源的均勻性要求。

用這一原理測(cè)量K'y值可借用測(cè)量漸暈系數(shù)的裝置。使小孔光闌位于物鏡焦平面上，中心小孔與焦點(diǎn)重合，用一漫射面光源(被燈光照明的乳白玻璃是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的面光源，燈用穩(wěn)壓器或蓄電池供電)代替測(cè)量漸暈系數(shù)的裝置中的底片。漫射面光源與被測(cè)物鏡盡量靠近，使光源上亮度均勻的范圍稍大于被測(cè)物鏡的物方視場(chǎng)。將光電接收器放在小孔的后面，依次測(cè)定每個(gè)小孔位置的像面照度，如果幾個(gè)小孔相距太近，可用較厚的黑紙將不用的小孔擋住，每次只讓通過(guò)一個(gè)小孔的光線進(jìn)入光電接收器，分別測(cè)出中心小孔和其他各孔位置的光電流，利用式(6－16)計(jì)算像面照度均勻度。

本方法的測(cè)量誤差主要來(lái)源于光源本身亮度的不均勻和小孔光闌上的各孔直徑不完全相等。

目前，隨著光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，接收器可采用矩形面陣列的光電接收器，陣列的整個(gè)面積與被測(cè)物鏡像平面的面積相同，并采用數(shù)字顯示或打印出不同視場(chǎng)的像面照度均勻

度，或做出分布曲線。

二、照相法

照相法所用光源與光電法相同，也是在被測(cè)物鏡的物方設(shè)置一個(gè)亮度均勻穩(wěn)定的漫射面光源，在被測(cè)物鏡的焦平面上放置照相底片，曝光和顯影后，用光密度計(jì)測(cè)量底片不同

部位的光密度，光密度的不均勻反映像面照度的不均勻。

光密度與照度之間的關(guān)系為

其中:γ

為底片的反差系數(shù)(底片感光特性曲線直線區(qū)域的斜率，反映物像襯度比，與顯影條件有關(guān));D

為光密度;E

為照度;t

為曝光時(shí)間;E