CN104713638B

CN104713638B - 一种柱面光度测量装置及方法

Info

Publication number: CN104713638B
Application number: CN201510030746.1A
Authority: CN
Inventors: 徐科; 王磊
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN104713638A

Abstract

本发明涉及一种柱面光度测量装置及方法。属于光学测量领域，用于测量光源或折反射材料的出射光强与出射光角度的之间的分布规律。本发明使用柱面光屏内壁收集空间中各方向的出射光，出射光光强反应为柱面光屏内壁被照射的亮度。本发明使用鱼眼相机测量柱面光屏内壁被出射光照射的亮度，同时根据鱼眼相机坐标变换的关系，由图像坐标求出对应出射光的角度，从而建立出射光强与出射光角度之间的分布规律。相对于传统方法，本发明能够同时测得出射光角度在180度半球范围内的出射光强数据，一次测量获得的数据量大，效率高，受环境干扰低；同时该测量设备简单易加工，具有成本低的优点。

Description

一种柱面光度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种柱面光度测量装置及方法。属于光学测量领域，用于测量光源或折反射材料的出射光强与出射光角度的之间的分布规律。

背景技术

光度学是度量光线强弱及其传播方向性的计量学科，其中重要的课题是测量光强在空间各方向上的分布规律。当测量对象是发光光源，如LED灯珠时，测量结果称之为——配光曲线(Luminous intensity distribution curve,LIDC)，是光强关于光线出射角度的函数。当测量对象是折/反射材料时，测量结果称之为——双向散射分布函数(Bidirectional scattering distribution function,BSDF)，包括其反射部分——双向反射分布函数(BRDF)，和折射部分——双向透射分布函数(BTDF)。这三个函数均是光强关于光线入射角度、出射角度的高维函数。

测量配光曲线一般使用积分球，如专利CN201210176379，使用球面漫反射光屏和转动机构实现360度空间范围上的光强测量。由于球面漫反射光屏体积大、制造成本高、转动机构安装复杂，不便于使用和推广。

测量双向散射分布函数可以使用积分球测量，也可以使用专门的测量装置，如Instrument Systems公司的GON360光强角度分布测试仪，使用两个转动的机械臂分别承载光源与测光器，机械臂相互转动逐步测量出各方向的光强数值。由于单次测量只能提供单一角度的光强值，需要长时间多次测量才能得到完整的光强分区函数，效率较低。测量期间由于环境光干扰、光源亮度波动等因素，会造成较大误差。

专利US7130033 B2使用抛物面反射镜将出射光线聚焦后成像，可一次性测量多角度的出射光强，测量效率高。但由于光线在传播过程中经历了多个透镜和抛物面反射镜，透镜/反射镜本身的折反射特性叠加到被测材料上，干扰测量结果。且抛物面反射镜制造成本较高，测量环境要求苛刻，不易于推广使用。

针对现有光度测量装置存在的问题，本发明提出了一种柱面光度测量装置及方法，使用易于制造的柱面漫反射光屏，配合使用鱼眼相机，可以用于测量光源的配光曲线，或折反射材料的双向散射分布函数。该光度测量装置结构简单易于布置，测量效率高，同时能测量上半球面的光强分布，与现有测量设备相比具有明显的优势。

发明内容

本发明提出的一种柱面光度测量装置及方法，可以低成本、高效率地测量光强在空间各方向上的分布规律，如光源的配光曲线、测量折\反射材料的双向散射分布函数等。

本发明是一种柱面光度测量装置及方法，其特征在于：包含柱面光屏1、鱼眼相机3、载物台4以及相机支架2、载物台支架5，所述的柱面光屏1为横截面为圆形或弧形的中空柱体，其长径比大于1，内壁材料采用质地均匀的白色漫反射材料；所述的载物台4置于柱面光屏1轴心线上，柱面光屏1轴线中心一侧；所述的鱼眼相机3的光心位于柱面光屏1轴心线上，载物台4旁；鱼眼相机3、载物台4之间不互相遮挡，通过相机支架2、载物台底座于柱面光屏1共同固定在实验平台上。

本发明的另一个技术方案是上述鱼眼相机3光轴与柱面光屏1轴心重合。

本发明的又一个技术方案是上述鱼眼相机3光轴与柱面光屏1轴心垂直。

本发明的另一个技术方案是上述柱面光屏1上有通光孔，用于摄入照射光。

本发明的最后一个技术方案是上述固定鱼眼相机3和载物台4的支架可以沿柱面光屏1轴线平移或转动。

(注：光源的配光曲线定义为：表示以空间方向为自变量，光源在该方向上光强的函数，如图1所示。双向散射分布函数定义为：表示以入射光方向时，折/反射材料在出射光方向上的光强函数，如图2所示，当出射光为反射光时，该函数称为双向反射分布函数：当出射光时折射光时，该函数称为双向透射分布函数：如图2所示。)

(1)构造特点：

该装置主要部分为：柱面光屏1、鱼眼相机3、载物台4，相机和载物台分别通过相机支架2，载物台支架5与柱面光屏1共同固定在实验平台上。其中柱面光屏1为横截面为圆形或弧形的中空柱体，其长径比大于1，内壁材料采用质地均匀的白色漫反射材料。柱面光屏1上可以根据需要开设通光孔，用于入射光线射入；或绘制坐标网格辅助测量定位。

柱面光屏的优点是：相对于积分球使用的球形光屏或抛物面反射屏，柱面光屏很容易使用板材弯曲制造，或利用市场上现有的管材制作，成本低、尺寸和形状精度高；相对于球面，柱面光屏很容易贴附纸基、布基等反光材料，易于光屏的维护、替换以及功能扩展。

载物台4安装于柱面光屏1轴心线中心点上；鱼眼相机3光心位于柱面光屏1轴心线上，靠近载物台4一侧，鱼眼相机3、载物台4相邻但不互相遮挡。使用鱼眼相机的好处是：鱼眼相机具有覆盖半个球面的视野，配合柱面光屏1，可以一次性获得接近半个球面方向的光强分布，具有极高的采样效率。

当需要测量被测材料正半球面的光强分布时，鱼眼相机3轴线垂直于柱面光屏1轴线，平行于被测材料表面法向，此时鱼眼相机3能够覆盖正半球面大部分视野；光屏可以采用弧形截面的半圆柱面。

当需要测量被测材料正面及反面全方向光强分布时，鱼眼相机3轴线平行于柱面光屏1轴线，此时鱼眼相机3能够覆盖被测材料正反各半个球面的视野；光屏采用圆形截面的中空圆柱。

鱼眼相机3和载物台4通过支架与柱面光屏1共同固定在实验平台上。支架可以采用固定支架，也可以采用可调支架，使鱼眼相机3或载物台4能够沿着柱面光屏1轴线平移或转动，以方便实验微调。

(2)调试方法：

测量前，对光学***进行调试：

(a)调整样本基准点S位置，使其位于柱面光屏1轴线中点上。以S点为基准，建立世界坐标系S_xyz-(x,y,z)，同时建立样本球坐标系

(b)调整鱼眼相机3的光心C的位置，使其位于柱面光屏1轴线上，轴线中点O的一侧，在世界坐标系中的位置是S_xyz-(0,0,d)。以C点为基准，建立相机球坐标系C_rαβ-(r,α,β)。(注：当测量发光体时，该基准点是发光中心点，当测量折\反射材料时，该基准点是入射光线在被测材料上投影点。)

上述调整应使相机光心C、样本基准点S尽量靠近，但互不遮挡。

(c)给被测光源供电(或使用激光照射折/反射材料)，使用鱼眼相机3可以拍摄到柱面光屏1内壁上的光强明暗分布，以拍摄到的相片中心点P基准，建立图像坐标系P_uv-(u,v)，以图像圆半径为单位1，u、v取值范围-1～1。

(d)使用标准亮度光源标定鱼眼相机3各处图像灰度的基准值。

(3)使用方法：

由鱼眼相机3拍摄的柱面光屏1内表面图像，可以建立配光曲线LIDC函数，或双向散射分布函数BSDF，具体方法是：

(a)由图像坐标求出射光角度，即函数自变量：

出射光角度，即柱面光屏1内壁上的投影点A与样本点S之间的连线，在样本球坐标系中的角度分量为该角度分量即光源的配光曲线的自变量、或双向散射分布函数自变量中的该坐标角度分量可以根据坐标变换由图像坐标求出：

首先已知投影点A的图像坐标(u,v)，可以根据图像投影关系求出投影点A在相机球坐标系中的角度分量(α,β)；

同时已知柱面光屏1半径R，可以求出投影点A在相机球坐标系中的距离分量r；

然后由相机球坐标(r,α,β)，可以转换为世界坐标(x,y,z)；

最后将投影点A的世界坐标转换为以样本点S为中心的球坐标其中即为配光曲线LIDC或双向散射分布函数BSDF的自变量。

整个坐标变换的过程为：图像坐标→相机球坐标→世界坐标→样本球坐标。

(b)由图像亮度求函数值：

配光曲线LIDC，或双向散射分布函数BSDF的函数绝对值是来自样本点S的出射光强度。柱面光屏1内壁的投影点A被该出射光照亮，反映为鱼眼相机3的图像灰度值。这个灰度值是LIDC或BSDF的相对函数值。

由于光路长短不一，需要根据上述坐标系求出光路长度，对相对函数值进行修正，得到单位距离上的LIDC或BSDF函数的绝对函数值。

另一个方法是：使用标准亮度光源标定，即在样本点处用标准亮度点光源照明，通过鱼眼相机3拍摄柱面光屏1得到一副基准亮度图像。以此图像为基准，与测量图像进行对比得到LIDC或BSDF的绝对函数值。

本发明的优点

(a)效率高：

由上述方法可以一次性得到自变量在360°×180°的空间半球范围内，多达相机分辨率数目的光源的配光曲线LIDC函数值，达到一次性完成测量的目的。

测量双向散射分布函数时，自变量由入射激光方向给出，可以一次性求出自变量在360°×180°的空间半球范围内，BSDF的函数值。将实验控制变量由4个减少到了2个，大大减少了测量次数，提高了实验效率。

(b)干扰低精度高：

本发明一次性覆盖测量半球范围内的出射光强度，避免了分时多次测量出射光强度的过程中，光源亮度波动、环境光带来的干扰，因此精度更高。

(c)设备简单成本低：

本发明所需的必要设备只包含：鱼眼相机3、柱面光屏1，以及样本载物台4等其他固定夹具。与现有光度测量设备中所使用的球面光屏、抛物面反射屏、角度控制机械臂等设备相比，本发明具有设备简单、成本低的优点。

附图说明

图1为光源的配光曲线示意图；

图2为折/反射材料的双向散射分布函数示意图；

图3为截面为弧形的柱面光度测量装置布局；

图4为截面为弧形的柱面光度测量装置的坐标变换示意图；

图5为截面为圆形的柱面光度测量装置布局；

图6为截面为圆形的柱面光度测量装置的坐标变换示意图。

(以上图中：1.柱面光屏、2.相机支架、3.鱼眼相机、4.载物台、5.载物台支架。)

具体实施方式

本发明提出的一种柱面光度测量装置及方法。具体实施方式有如下两例：

实施例一

如图3所示，柱面光屏1为截面为弧形的柱面，柱面半径为R；载物台4位于柱面光屏1轴线中点处，记作样本点S；鱼眼相机3的光心C位于柱面光屏1轴线中点上与样本点S距离为d，相机光轴垂直于柱面轴线并正对光屏。以样本点S为坐标原点，建立如图4所示的世界坐标系S_xyz-(x,y,z)，同时建立样本球坐标系鱼眼相机3的光心C在世界坐标系中的位置是S_xyz-(0,0,d)，以C点为原点，建立相机球坐标系C_rαβ-(r,α,β)。以拍摄到的相片中心点P为基准，建立图像坐标系P_uv-(u,v)，以图像圆半径为单位1，u、v取值范围-1～1。

使用亮度均匀的标准点光源，放置于样本点S处照亮柱面光屏1内壁，使用鱼眼相机3获得一副灰度图像作为基准：I_ref(u,v),(-1≤u,v≤1)，其中I_ref(u,v)等于或接近0的点的点为无效点。在样本点S处放置需要测量的样本，来自样本的出射光照亮柱面光屏1内壁，使用鱼眼相机3获得柱面光屏1内壁的图像：I_cam(u,v)。使用下式得到出射光的绝对亮度值：I_light(u,v)。

整个坐标变换过程为：图像坐标→相机球坐标→世界坐标→样本球坐标，坐标之间存在如图4所示关系。各步变换的公式为：

图像坐标I_light(u,v)→相机球坐标I_light(r,α,β)：

相机球坐标I_light(r,α,β)→世界坐标I_light(x,y,z)：

世界坐标I_light(x,y,z)→样本球坐标系

当测量光源配光曲线时：

LIDC(φ,θ)＝I_light(φ,θ)——(5)

当测量双向散射分布函数时，时，自变量由入射激光方向给出，自变量即坐标变换式(4)求得的

BSDF(φⁱ,θⁱ,φ,θ)＝I_light(φ,θ)

while lazerdirection is(φⁱ,θⁱ)——(6)

实施例二

如图5所示，光屏1为截面为圆形的柱面，柱面半径为R；载物台4位于柱面光屏1轴线中点处，记作样本点S；鱼眼相机3的光心C位于柱面光屏1轴线中点上与样本点S距离为d，相机光轴与柱面光屏1轴线重合。以样本点S为坐标原点，建立如图4所示的世界坐标系S_xyz-(x,y,z)，同时建立样本球坐标系鱼眼相机3光心C在世界坐标系中的位置是S_xyz-(0,0,d)，以C点为原点，建立相机球坐标系C_rαβ-(r,α,β)。以拍摄到的相片中心点P为基准，建立图像坐标系P_uv-(u,v)，以图像圆半径为单位1，u、v取值范围-1～1。

通过基准光源图像I_ref(u,v)得到出射光亮度的绝对值I_light(u,v)的方法与方案一相同。

图像坐标、相机球坐标、世界坐标、样本球坐标之间存在如图6所示关系。

图像坐标I_light(u,v)到相机球坐标I_light(r,α,β)的坐标变换为：

相机球坐标I_light(r,α,β)→世界坐标I_light(x,y,z)：

世界坐标I_light(x,y,z)到样本球坐标系与实施例一中的公式(4)相同。

光源配光曲线的求解方式实施例一中的公式(5)相同。

双向散射分布函数求解方式实施例一中的公式(6)相同。

Claims

1.一种柱面光度测量装置，其特征在于：

结构上包含柱面光屏、鱼眼相机、载物台以及相机支架、载物台支架，所述的柱面光屏为横截面为圆形或弧形的中空柱体，其长径比大于1，半径为R，内壁材料采用质地均匀的白色反射率漫反射材料；所述的载物台置于柱面光屏轴心线上且位于柱面光屏轴线中心一侧；所述的鱼眼相机光心位于柱面光屏轴心线上且位于载物台旁；鱼眼相机、载物台之间不互相遮挡，通过相机支架、载物台底座与柱面光屏共同固定在实验平台上。

2.根据权利要求1所述的一种柱面光度测量装置，其特征在于：所述鱼眼相机光轴与柱面光屏轴心重合。

3.根据权利要求1所述的一种柱面光度测量装置，其特征在于：所述鱼眼相机光轴与柱面光屏轴线垂直。

4.根据权利要求1所述的一种柱面光度测量装置，其特征在于：所述柱面光屏上有通光孔，用于摄入照射光。

5.根据权利要求1所述的一种柱面光度测量装置的方法，其特征在于：使用漫反射材质的柱面光屏作为光度测量的载体，配合以鱼眼相机对柱面光屏各方向的反射光强进行采样，通过反射光强Icam求出照射在该方向的入射光强Ilight；以样本点S为坐标原点，建立世界坐标系(x,y,z)，同时建立样本球坐标系(ρ,θ,φ)；以相机光心C点为原点，建立相机球坐标系(r,α,β)；以拍摄到的相片中心点P为基准，建立图像坐标系(u,v)；通过图像坐标(u,v)与样本球坐标(ρ,θ,φ)之间的转换关系，求出光强Ilight与坐标角度(θ,φ)之间函数关系Ilight(θ,φ)；所述图像坐标(u,v)与样本球坐标(ρ,θ,φ)之间的坐标变换的过程为：图像坐标(u,v)→相机球坐标(r,α,β)→世界坐标(x,y,z)→样本球坐标(ρ,θ,φ)；通过反射光强Icam求出照射在该方向的入射光强Ilight的方法是：使用亮度均匀的标准点光源进行，放置于样本点S处照明柱面光屏内壁，使相机获得一副灰度图像作为基准：Iref，来自样本的出射光照亮柱面光屏内壁，使用鱼眼相机获得柱面光屏内壁图像Icam，得到Ilight＝Icam/Iref。