CN103940587B - 一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，包括光源(1)、半积分球(2)、挡板(3)、非球面反射镜(4)、滤光片盘(5)、CCD相机(6)、计算机(7)。半积分球(2)由半球面(21)和底面(22)构成，半球面内表面涂覆漫反射层(9)，底面内表面涂覆高吸收涂层(10)。底面上设置第一圆孔(23)、挡板(3)、非球面反射镜(4)、温度控制***(8)，半球面上设置第二圆孔(24)。滤光片盘在CCD相机与第二圆孔之间。光源发射的光束照在半积分球内表面上，经漫反射、非球面反射镜后，通过滤光片盘被CCD相机所探测，其信号通过计算机和校正模型计算，获得光源光度和色度参数角分布特性。

Description

一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***。

背景技术

测量光源的光度和色度参数角分布特性，在照明光源特性分析、计算机视觉、人脸识别以及材料表面性能分析等应用领域具有重要的意义。可用于改进LED的二次光学设计；用于LCD、汽车外表面、电影胶片等各种产品的光学性能检验；进一步的物体散射分析，包括BRDF(双向反射分布函数)和BTDF(双向透射分布函数)等的测量，能够全面评估材料的各种光照条件下的表面特性。

对于发光体的光度和色度参数角分布特性测量，传统的方法是通过采用各种专门设计的测量仪器和***来实现的。角度光度计(Goniophotometer)或者角度分光光度计(Gonio-spectroradiometer)通过双轴角度计来旋转光源(LED、灯具等)，来测量特定角度下的光度或者色度参数。通过遍历各种空间角度来获得光度和色度参数的角度分布特性。这些方法由于空间角度分布特性的测量普遍采用了旋转双轴设计，因此导致测量时间长(常需要几分钟甚至30分钟以上)、角度分辨率低、***结构复杂、测量成本高等缺点。而且这些装置都只能测光强的分布特性，而不能测某一方向的颜色分布特性，以及光强与波长的关系。而且这些装置都没有考虑到温度对测量结果的影响，而实际上，大功率光源的温度对测量结果的影响是不能忽略的。

发明内容

本发明为了弥补上述现有技术的不足，提供了一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，包括：LED光源(1)、半积分球(2)、第一圆孔(23)、第二圆孔(24)、挡板(3)、非球面反射镜(4)、滤光片盘(5)、用于光电转换测量的CCD相机(6)、用于对测量结果进行处理的计算机和校准模型(7)、温度控制***(8)、温度探测器(801)、单片机(802)和PTC制冷***(803)、漫反射层(9)、黑色涂层(10)。

第一圆孔(23)设置于半积分球内底面中心，光源(1)发射的光束通过第一圆孔(23)进入半积分球内表面；挡板(3)设置在第一圆孔(23)与非球面反射镜(4)之间，以挡掉光源到非球面反射的直射光；非球面反射镜(4)设置在离半积分球的球心1/3～1/2半径处；半积分球外表面设置有第二圆孔(24)；滤光片盘(5)设置在CCD相机(6)与第二圆孔(24)之间；CCD相机(6)通过第二圆孔(24)设置在所述半积分球上方；计算机和校正模型(7)与CCD相机(6)连接；温度控制***(8)设置在所述半积分球底面，温度探测器(801)与单片机(802)连接，单片机(802)与PTC制冷***(803)连接，PTC制冷***(803)与半积分球底面连接；漫反射层(9)涂覆在所述半积分球的半球面内表面；高吸收黑色涂层(10)涂覆在半积分球的底面内表面。

进一步的，所述半积分球(2)的直径尺寸为300～1500mm。

进一步的，所述非球面反射镜(4)设置在距离半积分球的球心1/3～1/2的半径处，其功能类似于鱼眼镜头，用于反射半积分球内表面的光至所述CCD相机。

进一步的，所述非球面反射镜(4)的形状包括且并不限于椭球面、抛物面、双曲面及自由曲面。表面镀反射系数为92％以上的高反射薄膜，其薄膜材料包括且并不限于金膜、银膜、铝膜、高低折射率组成的介质膜。

进一步的，所述滤光片盘(5)上设置有3～12块不同波长的干涉滤光片，其透光波长分别是435.8nm、450nm、500nm、546.1nm、590nm、620nm、700nm，用于可见光波段的光源空间光度和色度参数角度分布特性测量。

进一步的，所述温度控制***包括：温度探测器(801)、单片机(802)和PTC制冷***(803)。温度探测器与单片机连接，单片机通过PTC制冷***控制所述半积分球内部工作环境温度。

进一步的，所述漫反射层(9)是由漫反射系数为5％～10％的硫酸钡或氧化镁或聚四氟乙烯或三种材料共同组合为主的涂层涂覆而成。

进一步的，所述高吸收黑色涂层(10)是由吸收系数为96％～99％的黑色消光涂料涂覆而成。

本发明提供的一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，采用高分辨率CCD相机进行成像测量，并在CCD相机前加入滤光片盘，同时设置温度控制***、计算机和校准模型，不仅***结构简单、成本低、测量时间短，而且具有角度分辨率高、精度高和测量数据准确等优点。

附图说明

图1本发明提供的一种光源光度和色度参数角度分布特性的快速测量***的整体结构示意图。

图2本发明提供的一种光源光度和色度参数角度分布特性的快速测量***中自动温度控制***的结构示意图。

图3本发明实施例提供的一种LED光源光度和色度参数角度分布特性的快速测量***测量的结构示意图。

图4本发明实施例提供的一种LED光源光强度角度分布特性的快速测量***的几何变形校准前的分布图。

图5本发明实施例提供的一种LED光源光强度角度分布特性的快速测量***的几何变形校准后的对比图。

图6本发明实施例提供的一种LED光源光强度角度分布特性的快速测量***的子午面内的光强度角分布结果图。

图7本发明实施例提供的一种LED光源色坐标角度分布特性的快速测量***的子午面内的色坐标分布结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。

参见附图3，本实施例中，半积分球(2)其直径尺寸为1000mm；非球面反射镜(4)设置在离半积分球(2)球心1/2半径的位置，其表面镀了反射系数为93％的高反射金属铝膜；滤光片盘(5)上有四个滤光片孔，其中1个不放任何滤光片，3个放置了3块不同透过波长的干涉滤光片，其透过波长分别是435.8nm、546.1nm和700nm；CCD相机(6)的分辨率为512×512像素，光谱响应范围覆盖350～1100nm；漫反射层(9)涂覆了漫反射系数为8％的以硫酸钡为主、并混合灰色涂料的混合涂层；高吸收黑色涂层(10)涂覆了吸收系数为98％的黑色消光涂层。

下面通过对本实施例中的具体操作原理以及步骤作进一步详细说明以支持本发明提供的一种光源光度和色度参数角度分布特性的快速测量***能够解决的技术问题。

本实施例中的光源光度和色度参数角度分布特性的快速测量***采用了白光LED光源，用于测量光度学、色度学的相关参数：

第一步：在直径为1000mm的半积分球(2)的内底平面中心设置第一圆孔(23)，第一圆孔(23)可通过盖子打开或者关闭，用于放置LED光源(1)。通过稳压电源直接对LED光源(1)进行供电，LED光源(1)向各个方向发出不同强度的光。

第二步：由于半积分球(2)的内表面涂有漫反射系数为8％的以硫酸钡为主、并混合灰色涂料的混合涂层；，因而LED光源发出的各个方向的光会在整个半积分球(2)内表面产生漫反射，由于漫反射系数仅为8％，因此多次漫反射可以忽略。

第三步：通过放置在半积分球(2)左侧底面专门设计的表面镀了反射系数为93％的高反射铝金属薄膜的非球面反射镜(4)，能够把半积分球内各点来的漫反射光反射进入到CCD相机(6)。

第四步：同时在LED光源(1)和非球面反射镜(4)之间，设置有挡板(3)，其作用有两个，一是遮挡LED光源(1)的直接光对非球面反射镜(4)的影响，其次是本身作为一个漫反射体参与了对光的反射和吸收。

第五步：经过非球面反射镜(4)反射后的所有光都会通过第二圆孔(24)进入CCD相机(6)，在进入CCD相机(6)前会经过一个滤光片盘(5)，该滤光片盘(5)上有435.8nm、546.1nm、700nm的3个不同透过波长的滤光片，用于三基色波长的光源空间光度和色度参数角分布特性的测量。要测量波长为435.8nm的光的分布函数时，需将滤光片盘(5)旋转到透过波长为435.8nm的滤光片。继续旋转滤光片盘使得透过波长分别为546.1nm、700nm，这样就可以得到3个波长光的分布特性。把3个不同波长的光的函数分布图像整合在一个坐标轴上进行对比便可确定出色度参数的角分布特性；当滤光片盘转到不放任何滤光片的位置时，所测为光强参数的角分布特性。

第六步：当所有的光经过滤光片盘(5)进入分辨率为512×512，光谱响应范围覆盖350～1100nm的CCD相机(6)后，接着就会在光敏面上成像，然后经过光电转换。在此过程中，对于光源空间的光分布与CCD采样后的输出分布建立了一个数学模型，对于光源空间光度和色度参数角度的分布特性与半积分球内表面光分布的关系由建立的数学模型获得。其数学模型如下：

设光源某一波长的光分布为I_m，n 分别为极坐标下的光分布的方位角，经CCD采样后输出R_m，n(X，Y)。其中：

SP-1：分别由光源的光分布I_m，n和CCD采样后的输出分布R_m，n构成函数矩阵如下：构成矩阵构成矩阵由I_m，n·A＝R_m，n，求得A＝R_m，n·I_m，n ^-1。

其中A的形式为：

SP-2：取已知表面空间分布的光源50～100个，编号后分别让其经过***的CCD测出其信号，根据矩阵I_m，n和R_m，n用线性回归方程，或偏最小二乘方法，可求出k个转换矩阵A₁、A₂…A_k。

SP-3：求这些矩阵的平均矩阵则平均转换矩阵B就是本方法所建立的数学关系。用不同滤光片进行定标，获得不同波长下的转换矩阵B(λ)。

SP-4：建立了平均转换矩阵B(λ)以后，某个未知光源上任意角度α_i、β_i的光强度即可根据平均转换矩阵B(λ)和CCD采样后的输出分布矩阵R_m，n来确定。

对于435.8nm、546.1nm、700nm的三基色波长，可获得光源在不同方向上的R、G、B值，进而获得不同方向上的色坐标(x，y)值，从而得到色度参数角分布特性的快速测量。(x，y)与R、G、B的关系如下：

第七步：经过CCD相机(6)输出后，最后通过有线或者无线传输相联机进入计算机和校准模型(7)，在计算机里面要对结果进行校准。

由于非球面反射镜(4)的放置是偏心的，因此在CCD相机(6)上成的像首先需要做几何变形校准，附图4和附图5就是进行几何变形校准前后的对比示意图。其次***校准，包括如下四个步骤：

SP-1：利用半积分球(2)得到一个高度均匀的输出光源；

SP-2：通过高精度角度光度计测量这个输出光源的角空间分布函数，用于量值传递；

SP-3：再把这个输出光源接入本测量***，得到原始测量数据；

SP-4：利用高精度角度光度计测量数据校准***。

第八步：校准完后，进行结果处理与输出。本测量***的输出软件包括仪器校准、数据采集、数据分析与处理等功能。其中的数据分析功能包括光度测量与分析、色度测量与分析等各种特性分析功能。附图6和附图7是部分测量结果图。

在整个测量过程中，温度控制***(8)控制着半积分球(2)内部的工作环境温度，避免温度对测量结果造成影响。其具体步骤如下：

SP-1：根据已经在单片机(802)上设置好的温度范围，由温度探测器(801)对半积分球(2)内部温度进行探测，然后将温度信息反馈给单片机(802)。

SP-2：根据反馈的温度信息，单片机(802)通过控制PTC制冷***(803)中PTC材料的吸热速度来改变半积分球(2)内部温度，达到把半积分球(2)内部温度控制在一定的范围内的目的。

Claims (8)

1.一种光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于，包括光源(1)、半积分球(2)、挡板(3)、非球面反射镜(4)、滤光片盘(5)、CCD相机(6)、计算机(7)、温度控制***(8)、漫反射层(9)、黑色涂层(10)构成；

所述半积分球(2)由半球面(21)和底面(22)构成，其直径尺寸为300～1500mm；半球面和底面内表面分别涂覆漫反射层(9)和黑色涂层(10)；

所述半积分球(2)底面上设置非球面反射镜(4)、挡板(3)、第一圆孔(23)；半积分球(2)半球面上设置第二圆孔(24)；

所述CCD相机(6)设置在第二圆孔(24)上方；所述滤光片盘(5)设置在CCD相机(6)与第二圆孔(24)之间；

光源发射的光束照在半积分球球面内表面上，经漫反射层(9)、非球面反射镜(4)反射，通过第二圆孔、滤光片盘(5)，被CCD相机(6)所探测；其信号通过计算机(7)和校准模型计算，获得光源的光度和色度参数角分布特性；所述校准模型包括以下步骤：

1)利用所述半积分得到一个高度均匀的输出光源；

2)通过高精度角度计测量所述输出光源，用于量值传递；

3)把所述输出光源接入本地测量***，得到原始测量数据；

利用高精度角度测量光度计测量数据校准***。

2.根据权利要求1所述光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于，所述温度控制***(8)控制所述半积分球(2)内部工作的环境温度，它包括：温度探测器(801)、单片机(802)、PTC制冷***(803)。

3.根据权利要求1所述光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于：所述漫反射层(9)采用漫反射系数为5％～10％的硫酸钡或氧化镁或聚四氟乙烯为主或其组合而成的涂层；所述黑色涂层(10)是吸收系数为96％～99％的黑色消光涂料涂层。

4.根据权利要求1所述光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于：所述非球面反射镜(4)设置在离所述半积分球(2)球心1/3～1/2半径处，用于将半球面内表面漫反射光反射至所述CCD相机(6)；所述非球面反射镜(4)表面镀反射系数为92％以上的高反射薄膜，其薄膜包括并不限于：金膜、银膜、铝膜、高低折射率组成的介质膜。

5.根据权利要求1所述光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于：所述滤光片盘(5)上设置有3～12块不同波长的干涉滤光片，其波长包括：435.8nm、546.1nm、700nm、450nm、500nm、590nm、620nm，用于光源空间光度和色度参数角度分布特性测量。

6.根据权利要求1所述光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于：所述非球面反射镜(4)的形状包括且并不限于椭球面、抛物面、双曲面及自由曲面。

7.根据权利要求1所述光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于：光源光度和色度参数角分布特性与CCD获得的光信号的关系由建立的数学模型获得，其数学模型如下：

设光源某一波长的光分布为 θ分别为极坐标下的光分布的方位角，经CCD采样后输出R_m,n(X,Y)；其中：

由Im，n·A＝Rm，n，得：A＝Im，n-1·Rm，n

A的形式为：

定标时：取已知具有代表性的不同波长下的光强空间角分布的光源k个(k＝50～100)，编号后分别让其经过***在该波长下的滤光片，经CCD后测出其信号，获得该波长下多个I_m，n和R_m，n矩阵，用线性回归方法，或偏最小二乘方法，求出该波长下k个转换矩阵A₁、A₂…A_k，

求这些矩阵的平均矩阵则平均转换矩阵就是本方法所建立的数学模型，

用不同滤光片进行定标，获得不同波长下的转换矩阵B(λ)，

对于某个待测光源的光度和色度参数角分布特性，即可根据平均转换矩阵B(λ)和CCD采样后的输出分布矩阵R_m，n来确定。

8.根据权利要求1或5或7所述光源光度和色度参数角分布特性的快速测量***，其特征在于：对光源的可见光波段的光强角分布特性，其波长至少包括：435.8nm、546.1nm、700nm的三基色波长，从而可获得光源在不同方向上的R、G、B值，进而获得不同方向上的色坐标(x，y)值，从而得到色度参数角分布特性的快速测量；(x，y)与R、G、B的关系如下：

$r=\frac{R}{R+G+B}g=\frac{G}{R+G+B}b=\frac{B}{R+G+B}$

$x=\frac{0.49000r+0.31000g+0.20000b}{0.66697r+1.13240g+1.20063b}$

$y=\frac{0.17697r+0.81240g+0.1063b}{0.66697r+1.3240g+1.20063b}.$