CN101620006B

CN101620006B - 一种新颖的彩色亮度计光学系统

Info

Publication number: CN101620006B
Application number: CN2009101010300A
Authority: CN
Inventors: 叶炜
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: CN101620006A

Abstract

本发明提供了一种新颖的彩色亮度计光学系统，它包括主物镜、光栏、带孔反射镜、积分镜，彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上被分割为三个成像区域，并相应设有三个并列的光探测器，光探测器分别为对应红色波段的X(λ)探测器、对应绿色波段的Y(λ)探测器、对应蓝色波段的Z(λ)探测器，X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器前分别设置红色滤色片组、绿色滤色片组、蓝色滤色片组；彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上，对应三个成像区域，并列设有对应X(λ)探测器的第一光路透射结构、对应Y(λ)探测器的第二光路透射结构、对应Z(λ)探测器的第三光路透射结构。本发明不仅结构简单紧凑，而且可靠性高、稳定性高、功耗低。

Description

一种新颖的彩色亮度计光学系统

技术领域

本发明涉及光电积分法彩色亮度计光学系统。

背景技术

彩色亮度计用于测定与颜色相关的亮度和色度参数，已经被广泛的应用于彩色电视图像、交通信号灯、建筑光环境、景观照明、LED/LCD大屏幕广告牌等相关领域的亮度色度检测中。

彩色亮度计的测量方法有二种：一种是光谱光度法，其原理是通过望远镜光学系统测量出被测目标的光谱组成，然后根据国际照明委员会(CIE)推荐的标准色度观察者光谱三刺激值X(λ)Y(λ)Z(λ)计算出目标相关的亮度与色度参数。这种彩色亮度计测量精度较高，但是价格相对昂贵；另一种是光电积分法，其原理是通过望远镜光学系统，将被测目标以一定的视场角成像在探测器上，应用一组红、绿、蓝滤色片组与光探测器组合，将它们的光谱响应匹配成国际照明委员会(CIE)推荐的标准色度观察者光谱三刺激值X(λ)Y(λ)Z(λ)，以获得光谱三刺激值，然后计算出相关的亮度与色度参数。这类仪器测量精度低于前者，但是仪器成本较低，应用广泛。

就目前的积分式彩色亮度计的光学系统结构而言，从被测目标发射的光束由物镜组接收，通过限制光束孔径的光栏，光束入射于带孔反射镜，带孔反射镜上的小孔确定了测量仪器的视场大小，光束的一部分穿过小孔入射于积分镜，并通过滤色片组成像于光探测器上。目前的彩色亮度计采用的是单个光探测器，红、绿、蓝滤色片组装在旋转马达的色盘上，马达旋转时，光探测器可输出被测目标光束的红、绿、蓝组成，通过后继电路和软件计算，可获得目标的亮度与色度参数。在该系统中滤色片组盘连续旋转，光探测器则可以不断输出被测目标的红、绿、蓝信号。目前日本Minolta、Topcon，美国Photoresearch等生产的多种型号的彩色亮度计，以及浙江大学90年代研制的CL-I彩色亮度，此类仪器均采用上述技术，并已经在世界各国广泛应用。

在以上仪器结构中，为了实现对XYZ三刺激值的测量，仪器内部只能用马达转动红、绿、蓝滤色片组，使它们依次复盖在光探测器表面上，因此结构相对复杂，测量速度受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单的新颖的彩色亮度计光学系统。为此，本发明采用以下技术方案：它包括主物镜、光栏、带孔反射镜、积分镜，所述彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上被分割为三个成像区域，并相应设有三个并列的光探测器，所述光探测器分别为对应红色波段的X(λ)探测器、对应绿色波段的Y(λ)探测器、对应蓝色波段的Z(λ)探测器，所述X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器前分别设置红色滤色片组、绿色滤色片组、蓝色滤色片组；所述彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上，对应三个成像区域，并列设有对应X(λ)探测器的第一光路透射结构、对应Y(λ)探测器的第二光路透射结构、对应Z(λ)探测器的第三光路透射结构。

由于采用本发明的技术方案：本发明具有以下优点：

(1)高可靠性：采用分镜式光学系统，无运动部件，取代了长期以来采用马达旋转滤色片组方式。因此系统结构简单紧凑，可靠性高；

(2)高稳定性：传统彩色亮度计采用马达旋转红绿蓝滤色片组，造成输出颜色信号有时间差别，使测量仪器稳定性降低。而本发明所提供的彩色亮度计由于三个光探测器同时接收目标信号，因此仪器测量的稳定性和重复性大大增强，特别对不太稳定目标测量时，传统彩色亮度计的测量误差会很大；

(3)低功耗：由于彩色亮度计的应用中往往需要进行现场测量，决定了彩色亮度计一般设计成手持式而便于携带。因此本发明所提供的彩色亮度计分镜式结构解决了采用马达旋转时所需要的功耗问题，而更适于电池供电。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的光学系统示意图。

图2为本发明分镜式三色分离成像结构的剖面示意图。

图3为本发明分镜式三色分离成像结构的排列示意图。

具体实施方式

参照附图。本发明包括主物镜2、光栏3、带孔反射镜12、积分镜11、反射镜4、转像镜5、分划板6、目镜7，从被测目标发射的光束经保护玻璃1，由主物镜2接收，经限制光束孔径的光栏3，光束入射于带孔反射镜12，带孔反射镜12上的小孔确定了测量仪器的视场大小，光束的一部分穿过小孔入射于积分镜11，当被测目标光束的一部分穿过带孔反射镜12的小孔的同时，其余部分被带孔反射镜反射至反射镜4，并通过转像镜5成像于分划板6上，观察者可通过目镜7看清被测目标。因此测量人员可以通过上述瞄准光路，使测量系统对准被测目标。

所述彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上被分割为三个成像区域，并相应设有三个并列的光探测器，所述光探测器分别为对应红色波段的X(λ)探测器、对应绿色波段的Y(λ)探测器、对应蓝色波段的Z(λ)探测器，在附图中，标号8-1、8-2分别表示这三个光探测器的其中两个，所述X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器前分别设置红色滤色片组、绿色滤色片组、蓝色滤色片组，在图中，标号9-1表示红色滤色片组、绿色滤色片组、蓝色滤色片组中的其中一个；所述彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上，对应三个成像区域，并列设有对应X(λ)探测器的第一光路透射结构、对应Y(λ)探测器的第二光路透射结构、对应Z(λ)探测器的第三光路透射结构。

所述第一光路透射结构、第二光路透射结构、第三光路透射结构均可采用凸透镜，在附图中，附图标号10-1、10-2、10-3分别表示其中的一个凸透镜。

如图所示，本发明还设有探头体10-0，所述积分镜、凸透镜10-1、凸透镜10-2、凸透镜10-3、X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器集成设置在探头体10-0上。

本发明的X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器采用全数字光探测器。由于基于小型高灵敏度的全数字光度、色度传感器的研究成功，因此，本发明可实现直径小于30mm的X(λ)Y(λ)Z(λ)组合式全数字光度、色度传感器。在积分镜11后部的光束区域，可以120°或其他合适的角度进行三区城分割，安置三个凸透镜10-1、10-2、10-3，将目标光束分割为三个区域，入射光束经积分镜11后为平行光束，三个部分的分割光束被凸透镜10-1、10-2、10-3同时会聚于三个分别前置有红、绿、蓝滤色片组的全数字光探测器表面，通过这三个全数字光探测器，也即X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器输出目标的X，Y、Z(红、绿、蓝)信号，并通过后继电路及软件，可以计算出目标相关的亮度与色度参数。

由于匹配X(λ)Y(λ)Z(λ)曲线时，采用了不同光谱透过率的滤光片组，同时光探测器在红绿蓝的波段响应并不相同，而对于典型的硅光探测器，在可见光波段中，其在不同波段的光谱灵敏度呈现出红色波段大于绿色波段，绿色波段大于蓝色波段的响应特性，因此三个光探测器所获得的实际光能量以及经光探测器光电转换后的输出信号强度并不相同。调整第一光路透射结构、第二光路透射结构、第三光路透射结构的透光面积大小，可使各成像区域接收的能量分配趋于平衡，有利于提高彩色亮度计的整体灵敏度。一般情况下，在平均分配输入光能量时，Y(λ)探测器的输出信号强度高于X(λ)探测器和Z(λ)探测器，因此设计中，适当增加X(λ)探测器和Z(λ)探测器光信号输入强度，减弱Y(λ)探测器光信号输入强度将使三个探测器的输出信号强度趋于平衡；在本发明中，通过合理设计第一光路透射结构、第二光路透射结构、第三光路透射结构来实现上述设想。在实施中，可通过制作不同透光面积的凸透镜，调整三个探测器所对应的透光面积比例分配，使X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器所接收的光信号能量满足Y＜X＜Z的特性，达到探测器的输出信号强度平衡的要求，这能使本发明的三个探测器输出信号灵敏度接近。实际设计中，X(λ)探测器:Y(λ)探测器:Z(λ)探测器所对应的光输入信号强度最佳为1.2:1:1.4。上述透光面积的不同可采用选择不同直径的凸透镜来实现，也就是说，凸透镜10-2的直径小于凸透镜10-1的直径、凸透镜10-1的直径小于凸透镜10-3的直径。

此外，当合理设计第二光路透射结构、第三光路透射结构，通过制作不同透光面积的凸透镜，使Y(λ)探测器、Z(λ)探测器所接收的光信号能量满足Y＜Z的特性，也能达到相当高的整体灵敏度。

当然，即使第一光路透射结构、第二光路透射结构、第三光路透射结构是相同的，使凸透镜的透光面积相等，使X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器所接收的光信号能量相同，也能满足普通的测量要求，并能实现本发明的技术效果。

Claims

1.一种彩色亮度计光学系统，包括主物镜、光栏、带孔反射镜、积分镜，其特征在于所述彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上被分割为三个成像区域，并相应设有三个并列的光探测器，所述光探测器分别为对应红色波段的X(λ)探测器、对应绿色波段的Y(λ)探测器、对应蓝色波段的Z(λ)探测器，所述X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器前分别设置红色滤色片组、绿色滤色片组、蓝色滤色片组；所述彩色亮度计光学系统在积分镜之后的成像光路上，对应三个成像区域，并列设有对应X(λ)探测器的第一光路透射结构、对应Y(λ)探测器的第二光路透射结构、对应Z(λ)探测器的第三光路透射结构；第二光路透射结构和第三光路透射结构满足：使Y(λ)探测器的输入光信号强度小于Z(λ)探测器的输入光信号强度。

2.如权利要求1所述的一种彩色亮度计光学系统，其特征在于第一光路透射结构、第二光路透射结构和第三光路透射结构满足：使Y(λ)探测器的输入光信号强度小于X(λ)探测器的输入光信号，X(λ)探测器的输入光信号强度小于Z(λ)探测器的输入光信号强度。

3.如权利要求1所述的一种彩色亮度计光学系统，其特征在于所述第一光路透射结构、第二光路透射结构、第三光路透射结构分别采用凸透镜，所述第二光路透射结构的凸透镜的透光面积小于第三光路透射结构的凸透镜。

4.如权利要求2所述的一种彩色亮度计光学系统，其特征在于所述第一光路透射结构、第二光路透射结构、第三光路透射结构分别采用凸透镜，所述第二光路透射结构的凸透镜的透光面积小于第一光路透射结构的凸透镜，所述第一光路透射结构的凸透镜的透光面积小于第三光路透射结构的凸透镜。

5.如权利要求1所述的一种彩色亮度计光学系统，其特征在于它设有探头体，所述积分镜、第一光路透射结构、第二光路透射结构、第三光路透射结构、X(λ)探测器、Y(λ)探测器、Z(λ)探测器集成设置在探头体上。