CN101398533B - 杂散光的评估方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种杂散光的评估方法与杂散光测量系统。其中杂散光测量系统的光源可分别位于待测光学元件或待测光学系统的光轴上与光轴外。杂散光的评估方法包括得到第一光扩展函数与第二光扩展函数，另外，将第一光扩展函数与第一光扩展函数进行相关运算，以得到第一相关函数，并且将第一光扩展函数与第二光扩展函数进行相关运算，以得到第二相关函数。再者，依据第一相关函数与第二相关函数得到杂散光系数或杂散光分布函数。因此即可依据杂散光系数或杂散光分布函数评估光学元件或光学系统的杂散光情形。

Description

杂散光的评估方法及其系统

技术领域

本发明有关于一种光学元件或光学系统的杂散光评估方法，且特别是有关于一种利用光扩展函数(glare spread function)(GSF)分析技术的杂散光评估方法。

背景技术

为了评估光学元件或光学系统所获得的图像质量，传统技术多会使用投影解像力、光学调制函数、空间频率响应...等来做为分析的工具。此类分析工具的基本原理是利用图像对比度的变化来反应图像质量的好坏，但上述的分析方法并无法分析出光学元件、镜头机构...等所产生的表面反射光、散射光，也就是所谓的杂散光，对图像造成的负面效应。因此要评估光学系统所获得的图像质量，则必须进行杂散光分析，以此获得光学元件或光学系统或光学元件的杂散光情形。

于ISO 9358规范中，定义出一光学元件或光学系统的杂散光分析技术与杂散光测试系统，光学元件或光学系统的杂散光分析技术可分为两类，一种称作杂散光系数(Veiling Glare Index，简称VGI)分析技术，另一种称为光扩展函数(Glare Spread Function，简称GSF)分析技术。上述两种方法分别依据ISO 9358规范的杂散光测量系统结构，对杂散光进行分析。在ISO9358规范中，使用VGI分析技术时，杂散光测量系统被规范在顺光条件下进行杂散光检测与分析；反之，使用GSF分析技术时，杂散光测量系统被规范在逆光条件下进行杂散光检测与分析。

在日本专利第JP61170635号中提出了一种利用GSF分析技术，其依据ISO 9358所规范的杂散光测试系统进行杂散光检测以获得一个光扩展函数，接着再利用下列公式(一)即可计算得到杂散光系数：

$N=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}-{\∫}_{-k/2}^{k/2}{\∫}_{-k/2}^{k/2}G(x,y)\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}}$ ...公式(一)

公式(一)中，G(x，y)为光扩展函数，k为光点大小，N为杂散光系数。

发明内容

本发明提供一种杂散光的评估方法，利用光扩展函数得到杂散光系数或杂散光分布函数，以此评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光情况。

本发明提出一种杂散光的评估方法，包括获取待测光学元件或待测光学系统光轴上的光强度分布信息，以此得到第一光扩展函数。另外，获取待测光学元件或待测光学系统非光轴上的光强度分布信息，以此得到第二光扩展函数。此外，将第一光扩展函数与第一光扩展函数进行相关(correlation)运算，以得到第一相关函数，并且将第一光扩展函数与第二光扩展函数进行相关运算，以得到第二相关函数。再者，依据第一相关函数与第二相关函数得到杂散光系数或杂散光分布函数。

在本发明的一实施例中，依据第一相关函数与第二相关函数得到杂散光系数的步骤包括将第一相关函数与第二相关函数分别进行面积分运算，以得到一第一标量与一第二标量。此外，依据第一标量与第二标量得到杂散光系数。在另一实施例中，可依据公式

计算杂散光系数，其中A₁为第一标量，A₂为第二标量，N为杂散光系数。在又一实施例中，上述的面积分运算为有限面积分运算。

在本发明的一实施例中，依据第一相关函数与第二相关函数得到杂散光系数的步骤包括取第一相关函数的最大峰值做为第一峰值，并取第二相关函数的最大峰值做为第二峰值。此外，依据第一峰值与第二峰值得到杂散光系数。在另一实施例中，可依据公式

计算杂散光系数，其中P₁为第一峰值，P₂为第二峰值，N为杂散光系数。

在本发明的一实施例中，杂散光的评估方法还包括将第一光扩展函数与第二光扩展函数转换至频率空间，并于频率空间下，取得第一相关函数与第二相关函数，分别对第一相关函数与第二相关函数进行面积分，以得到第一标量与第二标量。再依据第一标量与第二标量得到杂散光系数。在又一实施例中，于频率空间下，取得第一相关函数的最大峰值做为第一峰值，并取第二相关函数的最大峰值做为第二峰值。再依据第一峰值与第二峰值得到杂散光系数。

在另一实施例中，杂散光的评估方法还包括依据杂散光系数与第一光扩展函数以得到光源的光点大小。利用光点大小可简化光源位于其他位置的杂散光系数的计算复杂度。例如依据公式 $N=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}-{\∫}_{-k/2}^{k/2}{\∫}_{-k/2}^{k/2}G(x,y)\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}}$

可得到光点大小，其中G(x，y)为第一光扩展函数，k为光点大小，N为杂散光系数。接着，将光源位于其他位置所得到的另一光扩展函数代入上述公式的G(x，y)则可求得其他位置的杂散光系数。

此外，本发明另提供一种杂散光的评估方法，其利用几何光学方法或波动光学方法以获得光点大小，再依据光点大小以及光扩展函数得到杂散光系数，以此评估光学系统的杂散光情况。

在本发明的一实施例中，光点大小为光学系统的光源经待测光学元件或待测光学系统，所形成的光源成像大小。

在另一实施例中，计算杂散光分布函数的步骤包括将第一相关函数与第二相关函数进行相减运算，以得到杂散光分布函数。

在又一实施例中，第一相关函数与第二相关函数进行相减运算的步骤还包括对齐第一相关函数的最大峰值与第二相关函数的最大峰值。

在一实施例中，杂散光的评估方法还包括建立杂散光阈值，以此判定杂散光是否超出预定的杂散光可容许程度。在另一实施例中，杂散光的评估方法适用于杂散光测量系统，此杂散光测量系统包括光源、光传感器与待测光学元件或待测光学系统。其中，光传感器配置于光强度分布测量位置，以此得到第一光扩展函数与第二光扩展函数，而杂散光系数与杂散光分布函数用以评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光。在一实施例中，杂散光的评估方法还包括对光传感器进行暗电流校正。

从另一观点来看，本发明提供一种杂散光的评估方法，杂散光的评估方法包括，使光源照射待测光学元件或待测光学系统，以得到待测的光扩展函数，并依据光源与待测光学元件或待测光学系统之间的物距、光源的发光口径与待测光学元件或待测光学系统的焦距得到光点大小。此外，依据光点大小与光扩展函数，以得到杂散光系数。

在本发明的一实施例中，得到光点大小的步骤包括依据

公式 $k=\frac{|p-f|}{f\×p^2}\×h$

以得到光点大小，其中p为光源与待测光学元件或待测光学系统之间的物距，h为光源的发光口径，f为待测光学元件或待测光学系统的焦距，k为光点大小。

在本发明的一实施例中，得到光点大小的步骤包括依据光学镜头的光圈形状得到校正函数，并依据光源与待测光学元件或待测光学系统之间的物距、光源的发光口径、待测光学元件或待测光学系统的焦距与校正函数得到光点大小。在另一实施例中，得到光点大小的步骤，包括依据公式

以得到光点大小，其中p为光源与待测光学元件或待测光学系统之间的物距，h为光源的发光口径，f为待测光学元件或待测光学系统的焦距，PSF为校正函数，k为光点大小。

在本发明的一实施例中，依据光点大小与光扩展函数，以得到杂散光系数的步骤包括依据

公式 $N=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}-{\∫}_{-k/2}^{k/2}{\∫}_{-k/2}^{k/2}G(x,y)\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}}$

得到杂散光系数，其中G(x，y)为光扩展函数，k为光点大小，N为杂散光系数。

本发明利用光扩展函数进行相关运算，进而可得到杂散光系数与杂散光分布函数，以此评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光情况。再从另一角度来看，本发明利用几何光学获得光点大小，再依据光点大小以及光扩展函数得到杂散光系数，以此评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光。

下文特举几个实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1与2分别是依照本发明的第一实施例的一种杂散光测试系统结构图。

图3是依照本发明的第一实施例的一种杂散光评估方法的流程图。

图4是依照本发明的第三实施例的一种杂散光评估方法的流程图。

图5是依照本发明的第五实施例的一种杂散光评估方法的流程图。

主要元件符号说明

10：杂散光测试系统

20：光源

30：光学镜头

40：光传感器

200：水平轴

210：光轴

220：成像面

k：光点大小

A₁、A₂、A₃：面积

D：发光口径

p：光源与光学镜头之间的物距

S301～S308、S404、S407、S408、S501～S503：本发明的诸实施例的杂散光评估方法的各步骤

具体实施方式

本发明的实施例可以在不需定义光点大小的情况下，通过对光扩展函数进行相关运算，以此求得杂散光系数或杂散光分布函数，如此即可评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光情况。此外，利用上述求得的杂散光系数可反推光源的光点大小，接着再配合公知的GSF分析技术，可进一步简化杂散光系数的运算式。不仅如此，本发明的实施例也可利用几何光学原理或搭配波动光学原理，定义出光点大小，再配合公知的GSF分析技术，以此评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光情况。以下则配合图式作更进一步地说明。

第一实施例

图1与2分别是依照本发明的第一实施例的一种杂散光测量系统结构图。图3是依照本发明的第一实施例的一种杂散光评估方法的流程图。请先合并参照图1与图3，本实施例中，杂散光测量系统10包括了光源20、待测光学元件或待测光学系统(本实施例的待测光学元件以光学镜头30为例进行说明的)与光传感器(Photo Sensor)40。光源20的发光孔可以配置扩散光片(未示出)，使光源20能够提供广角度的散射光线。上述的光源20可以沿着水平轴200移动，以此改变光源20与光学镜头30之间的角度。光传感器40配置于光学镜头30的成像面220位置，以此测量上述不同角度的光扩展函数。

首先，可先由步骤S301，对传感器40进行暗电流校正，以此消除暗电流误差。接着由步骤S302，将光源20配置于光学镜头30的光轴210上，通过光传感器40获得第一光扩展函数。接着，由步骤S303，将第一光扩展函数与第一光扩展函数进行相关运算以得到第一相关函数。再由步骤S304进行面积分运算以得到第一标量，在本实施例其中面积分运算例如为有限面积分运算。

承上述，请再参照图2与图3，接着将光源20移动至光学镜头30的光轴210外，使光源20与光学镜头30形成一离轴配置，通过光传感器40获得第二光扩展函数(步骤S305)。熟习本领域技术人员可依其需求，而决定离轴配置的程度，本发明并不以此为限。接着，由步骤S306，将第二光扩展函数与第一光扩展函数进行相关运算以得到第二相关函数。再由步骤S307进行面积分运算，例如有限面积分运算，以此得到第二标量。

承上述，接着由步骤S308依据第一标量与第二标量即可计算杂散光系数，例如可依据下列公式(二)计算杂散光系数：

$N=\frac{A_2-A_1}{A_1}$ ...公式(二)

公式(二)中，A₁为第一标量，A₂为第二标量，N为杂散光系数。因此即可依据杂散光系数来评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光。本实施例不需定义光点大小即能评估杂散光测试系统10的杂散光，改善了公知光点大小不易确定的问题。

上述实施例中，待测光学元件或待测光学系统虽以光学镜头30为例进行说明的，但在其他实施例中，待测光学元件或待测光学系统也可由光学单/多个镜片组成或是可由含有传感器构成的模块组成。其中，光传感器40可以是杂散光测量系统内装的传感装置，亦可以是含有光传感器的待测光学系统中所含的光传感装置。

此外，上述实施例中，虽以依序执行步骤S301～S308为例。但在其他实施例中，熟习本领域技术人员可依其需求改变各步骤的顺序，例如可依序执行步骤S301、S302、S305、S306、S307、S303、S304、S308。换句话说，本发明并不受限于步骤顺序。

第二实施例

本实施例与第一实施例类似，不同的处在于本实施例可利用第一实施例所求得的第一相关函数与第二相关函数计算求得杂散光分布函数。熟习本领域技术人员应当知道杂散光分布函数包含了诸多信息，对于设计光学元件或系统或的人来说，杂散光分布函数是不可或缺的重要参考指标。

请合并参照图1与图2，由于第一相关函数是光源20位于光轴210上所测量并经过计算得到的；而第二相关函数是光源20位于光轴210外所测量并经过计算得到的。故第一相关函数与第二相关函数的最大峰值会产生一偏移距离。因此，本实施例先将第一相关函数与第二相关函数的最大峰值对齐。接着再将第一相关函数与第二相关函数进行相减运算即能得到杂散光分布函数。因此，即可通过杂散光分布函数评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光。

第三实施例

本技术领域具有通常知识者也可视其需求，而依据本发明的精神与前述诸实施例的教示改变计算杂散光系数的方式。例如图4是依照本发明的第三实施例的一种杂散光评估方法的流程图。请合并参照图1、2、图3与图4。本实施例与第一实施例相类似，不同的处在于，本实施例利用图4的步骤S404、S407、S408分别取代图3的步骤S304、S307、S308。

通过图3的步骤S301、S302、S303、S305、S306求得第一相关函数与第二相关函数之后。本实施例通过步骤S404，取第一相关函数的最大峰值，并取名为第一峰值。接着通过步骤S407，取第二相关函数的最大峰值，并取名为第二峰值。接着由步骤S408，依据第一峰值与第二峰值即可求得杂散光系数。例如可依据下列公式(三)求得杂散光系数：

$N=\frac{P_2-P_1}{P_1}$ ...公式(三)

公式(三)中，P₁为第一峰值，P₂为第二峰值，N为杂散光系数。因此即可依据杂散光系数来评估光学元件或光学系统的杂散光。

第四实施例

请参照图1，上述第一实施例与第三实施例已经描绘出几种不需定义光点大小即可求得杂散光系数的方法。本实施例利用上述实施例所求得的杂散光系数可进一步地简化求取代测光学元件或待测光学系统于不同情况下的杂散光系数的方法。

由于对同一个杂散光测试系统10，其光点大小理论上应该相同，其中本实施例所述的光点大小为光源20于成像面220所形成的大小。因此利用上述实施例所求取的杂散光系数可反推光点大小。例如可利用下列公式(四)，计算光点大小：

$N=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}-{\∫}_{-k/2}^{k/2}{\∫}_{-k/2}^{k/2}G(x,y)\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}}$ ...公式(四)

公式(四)中G(x，y)可以是第一光扩展函数，k为光点大小，N为上述实施例所求得的杂散光系数。由于G(x，y)与N皆为已知，因此由上述公式(四)的关系则可反推光点大小k。

此时光源的光点大小k则成为已知。因此当杂散光测试系统10测量到不同情况的光扩展函数时，只要将测量到的光扩展函数代入公式(四)的G(x，y)，即可求得相对应的杂散光系数。因此，可大幅简化计算杂散光系数的运算复杂度，省去了上述实施例进行相关运算的麻烦。

第五实施例

上述第四实施例虽已提供了一种计算光点大小的方式。但在其他实施例中，亦可利用几何光学估算光点大小，接着再参照上述实施例的实施方式，即可求取杂散光系数，以下则配合图示作更进一步地说明。

图5是依照本发明的第五实施例的一种杂散光评估方法的流程图。请合并参照图1与图5，首先由步骤S301对光传感器40进行暗电流校正。接着由步骤S501，通过光传感器40获取光扩展函数。接着依据几何光学原理，利用杂散光测试系统10中的光源与待测光学元件或待测光学系统之间的物距p、光源20的发光口径D与光学镜头30的焦距f即可求得光点大小k。举例来说，可依据下列公式(五)或公式(六)计算光点大小k：

$k=\frac{|p-f|}{f\×p^2}\×h$ ...公式(五)

$k=(\frac{|p-f|}{f\×p^2}\×h)\⊗\mathrm{PSF}$ ...公式(六)

其中p为光源与待测光学元件或待测光学系统之间的物距，h为光源20的发光口径，f为待测光学元件或待测光学系统30的焦距，PSF为校正函数，k为光点大小。当求得光点大小k之后，再参照第四实施例的实施方式即可求得杂散光系数。

值得一提的是，公式(六)中，校正函数PSF可依据光学镜头30的光圈形状、光圈值与光源20的波长而变化的，例如当光圈形状为圆形时，则可用圆形的校正函数来进行校正。此外校正函数PSF亦可依据光圈值与光源20的波长的不同而进行调整。举例来说，当待测光学元件或待测光学系统30的光圈形状为圆形时，校正函数PSF可用下列公式(七)表示的，其中π为圆周率，r’为出入瞳的半径，J₁为数学上的特殊函数，例如是第一类第一阶贝索函数(First Kind，Order One Bessel Function)：

校正函数PSF＝F{circ(r)}²＝{J₁(2*π*r’)/r’}²...公式(七)

又例如，当待测光学元件或待测光学系统30的光圈形状为矩形时，校正函数PSF可用下列公式(八)表示的，其中若将座标原点设在出入瞳的中心，X则代表由原点向外延伸至初入瞳最大外径r的座标位置：

校正函数PSF＝F{rect(r)}²＝{sin(π*X)/(π*X)}²。...公式(八)

上述诸实施例中，各函数之间的运算可以在时域(Time Domain)或频率域(Frequency)中进行运算。利用光传感器40求得光扩展函数之后，可将光扩展函数转换至频率域，以此简化后续的运算复杂度。

本发明的实施例公开了几种不需定义光点大小即可求取杂散光系数或杂散光分布函数的方法。此外，再利用上述所求取的杂散光系数可反推光源的光点大小，进而可简化求取杂散光系数的运算量。另一方面，本发明的实施例亦提供了几种利用几何光学方式求出光点大小的方法，进而可求得杂散光系数。最后，再通过杂散光系数或杂散光分布函数则可评估待测光学元件或待测光学系统的杂散光。

另外，前述的光源20不限于仅有一组光源，亦可以有多组光源分别置放于光学系统的光轴上与光轴外。在杂散光评估方法中，亦可加入自定的阈值(thresh hold value)，以此判定杂散光是否超出预定的杂散光可容许程度。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改。因此，本发明的保护范围以所提出的权利要求的范围为准。

Claims (16)

1.一种杂散光的评估方法，其特征在于杂散光的评估方法，包括：

获取待测光学元件或待测光学系统光轴上的光强度分布信息，以此得到第一光扩展函数；

获取该待测光学元件或该待测光学系统非光轴上的光强度分布信息，以此得到第二光扩展函数；

将该第一光扩展函数与该第一光扩展函数进行相关运算，以得到第一相关函数；

将该第一光扩展函数与该第二光扩展函数进行相关运算，以得到第二相关函数；以及

依据该第一相关函数与该第二相关函数得到杂散光系数或杂散光分布函数。

2.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述依据该第一相关函数与第二相关函数得到该杂散光系数的步骤，包括：

将该第一相关函数进行面积分运算，以得到第一标量；

将该第二相关函数进行面积分运算，以得到第二标量；以及

依据该第一标量与该第二标量得到该杂散光系数。

3.如权利要求2所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述依据该第一标量与该第二标量得到该杂散光系数的步骤，包括：

依据公式 $N=\frac{A_2-A_1}{A_1}$

计算该杂散光系数，其中A₁为该第一标量，A₂为该第二标量，N为该杂散光系数。

4.如权利要求2所述的杂散光的评估方法，其特征在于上述的面积分运算为有限面积分运算。

5.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述依据该第一相关函数与该第二相关函数得到该杂散光系数的步骤，包括：

取该第一相关函数的峰值做为第一峰值；

取该第二相关函数的峰值做为第二峰值；以及依据该第一峰值与该第二峰值得到该杂散光系数。

6.如权利要求5所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述依据该第一峰值与该第二峰值得到该杂散光系数的步骤，包括：

依据公式 $N=\frac{P_2-P_1}{P_1}$

计算该杂散光系数，其中P₁为该第一峰值，P₂为该第二峰值，N为该杂散光系数。

7.如权利要求5所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述第一峰值为该第一相关函数的最大峰值，该第二峰值为该第二相关函数的最大峰值。

8.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于杂散光的评估方法，还包括：

将该第一光扩展函数与该第二光扩展函数转换至频率空间。

9.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于杂散光的评估方法，还包括：

依据该杂散光系数与该第一光扩展函数以得到该光源的光点大小。

10.如权利要求9所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述依据该杂散光系数与该第一光扩展函数以得到该光点大小的步骤，包括：

依据公式 $N=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}-{\∫}_{-k/2}^{k/2}{\∫}_{-k/2}^{k/2}G(x,y)\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}G(x,y)\mathrm{dxdy}}$

得到该光点大小，其中G(x，y)为该第一光扩展函数，k为该光点大小，N为该杂散光系数。

11.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述得到该杂散光分布函数的步骤，包括：

将该第一相关函数与该第二相关函数进行相减运算，以得到该杂散光分布函数。

12.如权利要求11所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述第一相关函数与该第二相关函数进行相减运算的步骤，还包括：

对齐第一相关函数的最大峰值与该第二相关函数的最大峰值。

13.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于杂散光的评估方法，还包括：

建立杂散光阈值。

14.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于杂散光的评估方法适用于杂散光测量系统，该杂散光测量系统包括该待测光学元件或该待测光学系统中的其中之一、光源以及光传感器，其中该光传感器配置于该待测光学元件或该待测光学系统相对于该光源的另一侧位置，以此得到该第一光扩展函数与该第二光扩展函数，而该杂散光系数与该杂散光分布函数用以评估该待测光学元件或该待测光学系统的杂散光。

15.如权利要求14所述的杂散光的评估方法，其特征在于杂散光的评估方法，还包括：

对该光传感器进行暗电流校正。

16.如权利要求1所述的杂散光的评估方法，其特征在于所述待测光学元件或待测光学系统包括光学单/多个镜片、光学镜头或是含有传感装置的光学系统模块。

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