作者 | Andy
排版 | zp
出品 |舜宇智领技术
全面讲解车载摄像头应用与杂散光
随着自动驾驶和智能舱内技术的发展，在车辆四周和内部使用的车载摄像头数量越来越多。一辆车上配置17个摄像头也是常见之事。
摄像头的杂散光现象在摄像头的使用中的一些场景被发现并引起人们的注意。特别是当一些自动驾驶，环视、周视、后视的摄像头，安装在车辆外围，面临阳光照射，夜间车辆大灯直射等复杂的情况时，杂散光容易被观察到。
车载摄像头拍摄道路、车辆、行人，驾驶员、乘客，相对于传统的手机摄像头，面临更复杂场景。不仅需要更高的灵敏度，而且需要更大的动态范围。成像过程中的光学现象也是车载摄像头考察的重要方面，其中杂散光的影响越来越引起人们的重视。人们在描述杂散光时，有时会用杂光，鬼影，炫光等名词进行描述。
光学系统在对物体成实像时，像面上除了正常成像的光束外，还会出现少量的非成像光线，这种现象称为杂光现象。这些叠加到像面处、不参与直接成像的有害光称为杂散光，简称杂光。
（图1、理想的镜头成像过程和实际的镜头成像过程中的光的传播）
镜头杂散光几乎随处可见，在道路和户外的摄像头采集图像时，经常采集到含有明显的杂散光图片。
（图2、含明显杂散光的摄像头成像图片）
随着光学系统探测要求越来越高，对杂光抑制能力的要求也越来越高，杂光分析和控制杂散光、炫光和鬼像一直是光学成像系统设计中的一项十分重要并且复杂的任务。
杂散光，又称为杂光，炫光，鬼像。在描述杂散光现象时，有时人们用不同的名称。为了统一描述方式，究竟应该称为哪种名称，根据多数人的习惯，我们在此进行了一些汇总。
杂散光定义（Scattered Light，stray-light）
光学系统中，针对成像光学系统，任何非希望但经过传播后到达探测器面的光线为杂散光；针对非成像光学系统，任何成像或其它非预期的光线传播形成的光斑等为杂散光。
炫光（Flare Light）
通常描述为光源周围强烈的光线能量扩散。
（图3、炫光图片）
鬼像（Ghost Image）
通常描述为，与物体实景点有对应关系的一簇图像。具有与实际目标物体类似的形状、纹理等。鬼像也描述为，光线剩余反射引发，在光学系统曲率的巧合下，在像面上形成非预设光斑等。鬼像是在主要光路中的光学表面中多次来回反射造成的。
（图4 Example of a second-order ghost reflection path）
（图5、鬼像图片）
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衍射：孔径在强光照射下在像面上看到孔径的衍射像。
（图5 Aperture diffraction from a bright source (a street lamp) inside the FOV）
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反射：例如，鬼像，光线剩余反射引发，在光学系统曲率的巧合下，在像面上形成非预设光斑等；在多数折射光学系统中，即使各表面都镀了增透膜，光学表面的多次反射也是主要的杂光光源。
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散射：主要是结构表面散射，光线入射后发生散射，引起复杂光线传播，某些部分到达像面并形成干扰成像的光斑；光学表面，主要是表面粗糙度等，引起的散射光线到达像面干扰成像。
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杂散光也可以由镜头座、镜头的非光学表面等多次反射形成，甚至由感光器件本身反射形成。
1、可能产生杂光的表面:
– 安装表面或光栏
– 镜头的边缘表面
– 镜头的倒角磨平面
– 感光器或者包围感光器的保护屏表面
（图6：镜头座反射产生的杂光）
2、视场外的杂光
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感光器件通常有矩形或者正方形的尺幅；
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MAX视场角由感光器件从中心到边缘的幅度决定；
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镜头设计为满足所有方向的圆形的视场角；
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感光器件尺度以外，镜头视场角以内的一个明物体可能会在感光器上形成一个比较大的杂光；
（图7：视场外的杂光）
3、感光器微结构的反射
感光器本身会反射一部分光线回镜头，然后反射光可以再反射或者散射回到感光器上，形成杂光，对于固体感光器件例如CMOS芯片，其微结构可以产生较大的衍射效应，这对杂光的分布模式会有较大的影响。
（图8：感光器微结构的反射）
CMOS芯片的结构对于检测到的杂光具有很显著的影响。特别是CMOS芯片前面的保护屏，如果没有对该保护屏进行适当的镀膜处理，那么从该保护屏反射回去的光线形成的杂光效果会很明显。
光学设计中，杂散光分析是非常重要的环节。对于成像系统，即使设计像质良好，如果杂散光达到影响成像质量，则之前的工作就属于徒劳。某种意义上，杂散光对于光学系统有一票否决的作用。因此，在镜头设计的过程中，杂散光是关注的重点之一。
需要了解的是，杂散光无法完全消除，只能一定程度上抑制。只要杂散光不影响成像质量，或者说其影响在可接受或可允许的条件下，即视为完成杂散光抑制工作。总之，一个优秀的光学设计系统，杂散光是必须要考量的因素。我们常说的消除，其实是抑制。
杂散光消除方法(”Move It 、Block It 、Paint/Coat It 、Clean It”）
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移除-结构设计中更改结构位置、光学设计中更改光学参数；
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遮挡-光阑、遮光罩、挡光环、冷屏、滤光片、消光片等；
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表面处理-镀膜、喷漆、光学表面的粗糙度、、其它表面微结构等；
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清洁-主要是光学表面的污染，比如冷加工中的磨料残留等；
镜面镀膜是消除杂散光的主要方法之一，镜头设计完成后要对杂散光进行分析，杂散光常常来自第一片保护玻璃，和最后一片非球面。在具体的分析中，也会发现主要的鬼影光线路径包含来自其它镜面的二次反射光，为了降低鬼影光线的能量，我们可以在镜面上进行镀膜。通过对镜面镀AR膜，可以看到杂散光结果有明显的变化。
杂散光的分析始于20世纪70年代，经过多年的发展，现已发展为以下几个既相互独立又密切联系的研究方向：杂散光测试、杂散光辐射理论、杂散光抑制技术、涂层材料研究、双向反射分布函数测量与应用、杂散光分析软件。其中，杂散光辐射理论、涂层材料研究、双向反射分布函数测量与应用是杂散光分析的基础，杂散光分析软件是杂散光分析的工具，杂散光测试是评估杂散光大小、杂光抑制水平的方法。
目前，应用于杂散光分析的各类分析软件，如ASAP、LightTools、Tracepro等，已经成功应用于各种光学系统的杂散光分析中，杂散光的理论分析结果已与实际测量结果十分接近。
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理论建模分析-在软件中建模，设置好光源、表面属性、探测器属性，进行光线追迹查看杂散光情况。
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实物建模分析-一般使用光学目标模拟器（主要为光源（积分球、激光光源、靶标等）+平行光管+高精度转台），测量不同角度下的PST等情况，全视场查看实际目标源的成像情况，分析是否满足使用要求。
光线追迹是查看杂散光是常用方法之一，它设置光线追迹相对阈值强度（Minimum Relative Ray Intensity），当光线能量高于光源出射光的一定比例时可被追迹，从而找出杂散光线中在像面（探测器）上能量较强的路径。
（特定区域光线分析）
（由透镜侧面反射所产生的杂散光路径）
以上我们描述了杂散光的表现形式，杂散光的评价有以下一些方法：
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点源透射比PST； -
杂光系数； -
信噪比；
目前杂散光比较多的依赖于主观感受的评测。最近，特别是随着车载摄像头应用的增加，人们越来越关注摄像头杂散光的表现，在杂散光数字化量化测量方面，讨论越来越多。关于杂散光的更具体的评价和测量方法，我们在下一章《杂散光的评价方法》中继续介绍。
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原文始发于微信公众号（舜宇智领技术）：「技术讲堂」 | 车载摄像头应用与杂散光
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