随着数字相机在道路车辆、飞行器、头戴显示、安防等系统中的应用日益广泛，针对远距离目标的相机测试与标定，已成为相机开发、生产、验证等环节中的必需。然而，无论是光学实验室的场地限制，还是相机量产用自动化设备的局促空间，都使得平行光管成为在有限物理空间内模拟远距离目标的必然选择。然而，在平行光管的选型与使用存在一些容易被忽视的细节。本文将从光瞳匹配、焦距匹配及模拟物距计算三个维度，与大家一起扫除这些潜在的盲区。
图 1 透射式平行光管的主要结构
平行光管的原理与结构
如图1所示，平行光管的主要组件包括均匀面光源、测试靶标以及准直物镜。由于材料特性以及加工难度的影响，大口径以及工作在红外波段的平行光管，往往采用反射式光路设计（如离轴抛物面镜），以消除色差并实现宽波段覆盖。对于可见光相机的测试，使用透镜作为准直物镜则更为常见。面光源为透射式测试靶标提供均匀照明，靶标则通过自身的图形和透光率对光束的强度和空间分布进行调制。根据凸透镜成像的原理，焦平面处的物点发出的光线，经凸透镜折射（或抛物面镜反射）后，以平行光形式出射。对于被测设备（DUT）而言，靶标通过平行光管物镜所成的像位于无穷远处，相当于一个无穷远处的物，从而解决了在有限空间内模拟远距离靶标的问题。
平行光管与 DUT 的光瞳匹配
在《入瞳及其在相机成像测试中的应用》一文中，我们与大家共同学习了孔径光阑及入瞳的概念。与入瞳的概念相似，孔径光阑通过其与像之间的光学系统所成的像，称作出射光瞳，简称出瞳。出瞳是光学系统出射光线的公共出口，亦是像方主光线（或其延长线）的交点。
图 2 平行光管准直物镜的出瞳与DUT成像物镜的入瞳
当我们使用平行光管对 DUT 进行测试时，平行光管的准直物镜 Lcol 与 DUT 的成像物镜 Ldut 组成了一个光成像系统，靶标通过 Lcol 所成的像便是 Ldut 的物。此时，两者应严格共轴（否则可能产生像差），且 Lcol 的出瞳 ExP 应与 Ldut 的入瞳 EnP 高效耦合，称为光瞳匹配。
光瞳匹配是光学系统设计的一个基本要求。对平行光管而言，ExP是出射光线的公共出口，而平行光管内的靶标为有限尺寸并非理想点物，故全视场出射光束是发散的。此时，假如光瞳不匹配，可能造成如下几个问题：
首先，假如 EnP位于ExP 后方，那么，自ExP出射的部分边缘光线会被EnP遮挡，无法进入Ldut，从而造成额外的能量损失。即使在中心视场光束可以充满EnP，但在边缘视场仍可能出现无法充满的现象，这会造成渐晕，使DUT的像面照度变得更加不均匀。不难看出，使ExP与EnP共面可最大程度减少能量损失，如图 3 所示；
其次，DUT 物镜的像差，通常随光阑面积增大而出现劣化，假如 EnP 较 ExP的口径更大，那么，入射光束便无法充满 EnP，导致 DUT 实际工作在比设计值更高的 F 数下。这会人为地减少镜头像差，造成空间频率响应测量结果虚高，与 DUT 在实际应用中的表现不一致。因此，ExP的口径应不小于EnP的口径。
综上所述，在平行光管选型时，我们应尽量使ExP口径大于EnP的口径，使入射光完全充满EnP并留有一定冗余，且应使ExP与EnP尽可能共面。
图 3 平行光管准直物镜的出瞳口径应大于DUT成像物镜的入瞳口径，且两者共面
平行光管与 DUT 的焦距匹配
焦距是Lcol的主要参数之一，在平行光管选型中，焦距的选择体现了对测试精度和设备体积的权衡。
图 4 准直物镜的焦距与系统横向放大率的关系示意
首先，我们把Lcol与Ldut看作一个光学系统。当Ldut焦距和靶标尺寸一定时，Lcol的焦距愈大，靶标的横向放大率愈低，靶标在DUT上的成像愈小，即所得图像的空间频率愈高。假如Lcol的焦距为Ldut的N倍，则可将对靶标的空间频率要求降为所需测试空间频率的1/N，降低靶标制作难度以及靶标的公差、瑕疵对测量结果的影响，如图4所示。
图 5 准直物镜的焦距与靶标横向位移所产生角误差的关系示意
其次，Lcol的焦距与靶标横向（垂轴）位移所产生的角度呈反比（当角度较小时），假如 Lcol 的焦距为 Ldut 的 N 倍，可将靶标横向位置偏差带来的角误差降至 1/N，从而降低测量的角度敏感性，如图5所示。
从计量学视角出发，计量标准应比DUT具有更低的测量不确定度，在工业实践中得到广泛认可的测量不确定度比值为1:4，即仪器的误差应小于DUT公差的1/4。如上所述，假如Lcol的焦距为Ldut的4倍，可将测试系统的靶标制作误差及角误差降至1/4，符合测量不确定度比值的要求。
再次，Lcos 的 F 数为焦距与出瞳直径的比值，对于固定的 F 数，长焦距意味着 ExP 的口径更大，更容易覆盖 EnP。
然而，焦距也是决定平行光管可覆盖视场角的因素之一，当靶标尺寸不变时，焦距愈大，可覆盖的视场角愈小。因此，使用长焦距虽然有利于提升精度，但必须使用足够大的靶标才能覆盖广角镜头所需的视场角。而靶标和光源尺寸的增大，会使平行光管体积、重量和成本陡然上升，从而制约了可选择焦距的上限。
图 6 可调物距平行光管的原理
可调物距平行光管的模拟物距计算
上述平行光管均是以无穷远为目标设计的，但在实际应用中，令DUT成像最清晰的物距可能为有限距。由透镜成像原理可知，当靶标位于Lcol焦平面之外内、之内时，可分别在正、负有限距成像。靶标位置可调的平行光管，称为可调物距平行光管（或可调焦平行光管、有限共轭平行光管），如图 6所示。这种平行光管可兼容更多类型的DUT，并支持离焦测试以间接测量固定后焦类型DUT的实际后焦偏移。
图 7 DUT成像镜头的第一主面位置是物距计算和测量的参考平面
Lcol生产商通常会提供一个表格，在靶标位置与对应的模拟物距之间建立关联，方便平行光管生产商或最终用户查找。然而，大多数Lcol的设计是通用的，设计师无法预知Ldut的参数，故表格中给出的模拟物距是针对特定的参考平面而言的，该参考平面常为ExP所在面。然而，对DUT而言，物距计算应以Ldut的第一主面（位于物方）为参考，如图7所示。忽略主面的位置，将影响测量结果的准确性。在实际应用中，假如ExP与EnP共面，那么，用户可使用EnP与第一主面的距离对Lcol供应商提供的模拟物距进行修正，以获得准确的物距。
图 8 研鼎针对不同测试需求开发的可调物距平行光管系列产品

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