CN101813517A - 一种亮度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亮度测量装置，包括机壳，机壳的入光口设置镜头，来自镜头的光分成两束，一束经过小孔视场光阑被第一光电探测器接收，另一束被第二光电探测器接收。第一光电探测器测量被瞄准点的亮度及光谱参数，第二光电探测器可同时实现被瞄准点的周围环境的发光信息的显示、记录和图像亮度的测量，本发明的亮度测量装置测量精度高，同时又可给出明视觉、暗视觉和中间视觉亮度值，测量功能全，操作方便，重复性高。

Description

一种亮度测量装置

【技术领域】

本发明涉及一种测量光辐射测量装置，尤其设计一种亮度测量装置。

【背景技术】

亮度或者辐亮度是指单位面积的光源在某一方向的光强(辐射强度)，单位为cd/m²(W/m²/sr)，它直接反应人眼对光的感知，在平板显示、照明工程和光源设计等领域有着十分广泛的应用。因此亮度(辐亮度)的方便、准确测量十分重要。测量亮度的仪器为亮度计，目前的亮度计可分为遮光筒式亮度计、瞄点式亮度计和图像式亮度计。遮光筒式亮度计采用接触法测量亮度，被测量面积较大，测量具有局限性且精度较低。瞄点式亮度计和图像式亮度计都具有成像镜头，通过非接触法测量亮度。

图像式亮度计中具有二维CCD感光元件，通过在CCD感光元件前加滤色片使CCD像元的光谱灵敏度与V(λ)曲线或其它所要求的光谱函数相拟合，经过一次成像得到平面内各点的亮度或辐亮度。然而，图像式亮度计的光谱匹配程度普遍低于高精度的滤色片式瞄点式亮度计，而且由于二维CCD中的每一个CCD像元的光谱灵敏度都有所区别，而很难在每个CCD前设置不同的滤色片，因此现有的图像式亮度计由于存在较大的光谱灵敏度失匹配不一致性误差，总体精度受到一定影响。在评价光源对人体视网膜的危害程度的应用中，公告号为CN201219753Y的中国专利公开了一种亮度测量装置，其中提到用光谱仪测量整个被测图像的平均光谱，对图像亮度计中的每个像元的测量值进行光谱修正，进而希望以此降低测量误差，但这种方法中的光谱仪所测得的光谱不能与图像亮度计中的每个像元点形成对应关系，客观上仍会存在较大的不一致性测量误差，假如被测光源的发光光谱不均匀，那么，非但不能实现降低测量误差的目的，很有可能还进一步加大了测量误差。除此之外，二维CCD感光元件线性动态范围较窄也会对测量带来误差，特别是定标光源的亮度与测量目标亮度之间的差距较大时，这种误差会更加明显。

经典的瞄点式亮度计中通过在探测元件前设置小孔视场光阑，能够精确瞄准并测量某一点的亮度或辐亮度。根据探测元件的不同，瞄点式亮度计又可以分为滤色片式和光谱式，此外，美国公开号US2007/0272844A1一种滤色片式和光谱式二者相互切换的瞄点式亮度计。现有的这些瞄点式亮度计的共同原理是，为了瞄准所测量的点，经过镜头的光被分为两部分，探测器中仅接收来自瞄准点的光束，而瞄准点周围环境的光会最终进入目视系统，由人眼来进行观察。现有的这些瞄点式亮度计都有以下共同的缺陷：在测量中，由人眼通过目镜观察周围环境并调整亮度计的位置以瞄准需被测量的点。这种测量方式一方面操作不方便，测量时，人眼需要不停地在目镜和测量数据显示屏二者之间不断切换；另一方面，对被测量点的判断和选择完全是依靠人眼实现，容易引入人为因素，从而影响亮度的测量。现有的瞄点式亮度计根本不可能实现对于测量点周围景象等信息的的记忆，更不可能用图像形式测量和记录周围景象的亮度分布值。

【发明内容】

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明旨在提供一种智能化程度高、操作方便、对准精确、重复性好、测量精度高的亮度测量装置；

这种亮度测量装置不仅可以显示和记录被瞄准点的亮度或光谱辐亮度；

这种亮度测量装置且能显示和记录被瞄准点周围环境的图像信息或亮度分布图像。

本发明的亮度测量装置是通过以下技术方案实现的：一种亮度测量装置，包括机壳，在机壳上设置镜头，镜头瞄准被测目标，从被测目标发出的被测量光束从镜头进入机壳内；其特征在于机壳内包括第一光电探测器、第二光电探测器和小孔视场光阑，所述第一光电探测器是单通道探测器或者多通道探测器，所述第二光电探测器是多通道探测器；从镜头出射的光束被至少分为两路，其中一路穿过小孔视场光阑入射到第一光电探测器上，另一路光束入射到第二光电探测器上，第一光电探测器和第二光电探测器分别位于小孔视场光阑两边的光路上。更为具体地讲，被测目标通过镜头成像于小孔视场光阑和第二光电探测器，来自被测目标且穿过小孔视场光阑的光束被单通道或多通道的第一光电探测器接收并测量其亮度，或者该部分光束经过采集装置和光学色散装置把依光谱次序色散好的光束入射到的多通道的第一光电探测器上，测量该部分光束的亮度和光谱分布等光学参数。第二光电探测器所接收的光束不穿过小孔视场光阑，一般情况下，第二光电探测器接收来自小孔视场光阑的反射光束或来自设在镜头和小孔视场光阑间的分光器的出射光束。

为了便于说明，在本发明中，被测目标中与所述的小孔视场光阑中的小孔形成光学成像共轭关系的区域称为瞄准点。第一光电探测器通过测量穿过小孔视场光阑的小孔的被测光，测量出瞄准点的亮度或光谱辐亮度，实现瞄点式亮度计的测量功能。

第二光电探测器为多通道探测器，它接收被测目标在第二光电探测器可覆盖的整个视场内的光束，测量被测目标的图像信息，可得到瞄准点的周围环境的发光信息，它实现了现有瞄点式亮度计中只能通过目镜和人眼观察才能实现的功能，瞄准点的周围环境的发光信息不仅能够实时显示，还能够被电子记录，使得亮度测量操作简便，瞄准点定位精确，测量状态的可追溯性强，多次测量重复性高。

在第二光电探测器前加V(λ)或V’(λ)曲线校正用滤光片，本发明的亮度测量装置即可实现图像式亮度计的功能，测量被测目标的亮度分布。当第二光电探测器和第一光电探测器均测量瞄准点的亮度，且第一光电探测器具有较高的测量精度时，可用第一光电探测器的结果来校正第二光电探测器所测得的图像亮度的绝对值，得到更为精确的被测目标的绝对亮度分布。且可以根据CIE技术文件，通过计算得到明视觉、暗视觉和中间视觉的亮度值。

本发明还可以根据以下技术方案进一步限定和完善：

上述的小孔视场光阑为带小孔的反射镜，第一光电探测器接收来自镜头并从小孔视场光阑中穿过的光束，第二光电探测器接收来自镜头并被小孔视场光阑反射的光束。在本方案中，第一光电探测器测量被测目标中光束通过小孔的很小区域，即瞄准点的亮度或光谱辐分布等光学参数；反射镜将进入镜头的其它光束反射到的第二光电探测器上，由于穿过小孔的被瞄准点的光束没有参与反射，第二光电探测器接收不到瞄准点的光束，在第二光电探测器所测量的图像中，会呈现出有一个黑色点区域，该区域即反映瞄准点的像，是第一探测器所测量的区域。利用这一现象能够精确地定位瞄准点位置。

或者在上述镜头后的光路中设置第一分光器，第一分光器接收来自镜头的光束，第一分光器的一束出射光被第二光电探测器接收，第一分光器的另一束光束穿过小孔视场光阑被第一光电探测器接收。所述的第一分光器可以是分光棱镜，分光立方棱镜或镀有部分透射部分反反射膜的平面镜，或者所述的第一分光器也可以是切入或切离光路的平面反射镜。在此方式中小孔视场光阑和第二探测器通常均处于镜头对于被测目标的光学像面位置上，即两者是光学共轭关系。本方案中，第一光电探测器和第二光电探测都测量到了瞄准点。当第二光电探测器前加V(λ)曲线校正用滤色片时，可用第一光电探测器测得的瞄准点的亮度校正第二光电探测器的测量绝对值。当第二光电探测器前加V’(λ)曲线校正用滤色片时，可以根据CIE技术文件，通过计算得到明视觉、暗视觉和中间视觉的亮度值。

上述的机壳中包括光采集装置和光学色散装置，光学色散装置通过光采集装置接收穿过小孔视场光阑的光束即来自瞄准点的光束，所述的第一光电探测器为多通道探测器，且为光学色散装置的光电探测部分。本技术方案的光学色散装置能够实现对瞄准点的光谱测量，并根据光谱数据计算出亮度和辐亮度值，且不存在光谱失匹配误差。上述的第一光电探测器是一维或二维光电探测器阵列，如光电电荷耦合器(CCD)或者光电二极管阵列或CMOS光电阵列。

上述的第二光电探测器之前也可以设置二次光学成像装置。通过二次光学成像装置把来自镜头的一次光学图像成像到第二探测器上。

本发明中的第二光电探测器是一种二维光电探测器阵列，如二维光电电荷耦合器(CCD)或者光电二极管阵列或CMOS光电阵列。

上述的镜头到第二光电探测器之间的光路上可设置滤色片，使第二光电探测器各个像元的相对光谱灵敏度度与V(λ)曲线、V’(λ)曲线或其它所要求的光谱函数相拟合，以实现亮度或辐亮度测量功能。例如，当第二探测器的像元相对光谱灵敏度与V(λ)曲线相匹配时，镜头和第二探测器的组合除了作相机功能之外还具备图像式亮度计功能，能够测量被瞄准点周围的各点亮度，即图像亮度或亮度分布图像。

上述的第一光电探测器是多通道探测器时，在小孔视场光阑的后续光路上设置第二分光器，第二分光器的一束出射光被第一多通道光电探测器接收，第二分光器的另一束出射光被一个单通道或多通道的第三光电探测器接收。这个第二分光器可以是由两块直角棱镜组成且在两块棱镜相粘接的面上镀半透半反膜的立方棱镜，或者是镀半透半反膜的平面镜，或者是分叉光纤。通常在上述的单通道或多通道的第三光电探测器前设置滤色片，使第三光电探测器的相对光谱灵敏度与V(λ)曲线或颜色三刺激值曲线或其它特定要求的光谱函数相拟合，测量对应的亮度或其它特定光学量值。上述的单通道探测器可以为硅光电池或者光电倍增管，与第一光电探测器相结合能够拓宽探测器线性动态范围，提高被瞄准点的亮度测量的精度。通常在上述的第一光电探测器前设置光采集装置和光学色散装置，用于测量穿过小孔视场光阑的光束的光谱分布。

本发明的亮度测量装置中所述的小孔视场光阑是设有圆孔或者方孔或者多边形孔或者复杂图形孔的位于被测目标像面位置的光阑，通过切换机构可以把这些小孔按被测目标中被瞄准点的需要切入光路之中。

上述机壳中设置有微处理器和电子记忆装置，所述的第一光电探测器和第二光电探测器与微处理器电连接。并在机壳上设置图像显示单元，图像显示单元与微处理器电连接。图像显示单元能够显示被测目标整个图像和被瞄准点所在的位置，也可显示测得的亮度和光谱辐亮度值，以及光谱分布。包括图像在内的测量结果可以在电子记忆装置中记录保存。

综上所述，本发明亮度测量装置的第一光电探测器实现瞄点亮度或辐亮度或光谱辐亮度的测量，第二光电探测器实现瞄准点的周围环境的发光信息，或图像亮度分布，或亮度图像的测量，操作方便，可记录，重复性高，测量精度高。

【附图说明】

附图1为本发明的实施例1的结构示意图；

附图2为本发明的实施例2的结构示意图；

附图3为本发明的实施例3的结构示意图；

附图4为本发明的实施例4的结构示意图。

附图标记说明：1、机壳，2、镜头，3、小孔视场光阑，3-1、小孔一，3-2、小孔二，4、第一光电探测器，5、第二光电探测器，6、第一分光器，6-1、第一出光口，6-2第二出光口，7、光采集装置，8、滤色片一，9、二次光学成象装置，10、光学色散装置，11、第二分光器，12、第三光电探测器，13、滤色片三，14、上位机，16、微处理器，17、图象显示单元，18、电子记忆装置，19、滤色片二，20、被测目标，20-1瞄准点。

【具体实施方式】

如图1，2，3，4为本发明的典型实施例结构示意图。

实施例1：

如图1所示，本发明的亮度测量装置包括外壳1，外壳1上设置有镜头2，被测目标20的被测量光束从镜头2进入外壳1。在镜头2后设置有所述第一分光器6是由两块直角棱镜组成且在两块棱镜相粘接的面上镀半透半反膜的立方棱镜6，该立方棱镜6具有两个出光口，第一出光口6-1，第二出光口6-2。从第一出光口6-1出射的光穿过小孔视场光阑3被第一光电探测器4所接收，第一光电探测器4是单通道的硅光电池，在第一光电探测器4前还设置有将第一光电探测器4的相对光谱灵敏度匹配为V(λ)曲线滤色片二19。从第二出光口6-2出射的光被第二光电探测器5接收，第二光电探测器5是二维的CCD面阵，在第二光电探测器5前也设置有将第二光电探测器5的像元的相对光谱灵敏度与V(λ)曲线为相匹配的滤色片一8。第一光电探测器4的光谱匹配程度优于第二光电探测器5。在机壳内设置微处理器16，第一光电探测器4和第二光电探测器5都与微处理器16电连接，微处理器16与上位机14电连接。镜头2将被测目标20发出的光成像到第二光电探测器5和小孔视场光阑3所在的位置，第二探测器5和小孔视场光阑3位于光学成像共轭面上。由于小孔视场光阑3的小孔视场限制作用，被测目标中仅有很小区域，即瞄准点20-1的光能穿过小孔视场光阑3的小孔被第一光电探测器4接收和测量其亮度。第二光电探测器5通过镜头3测量其视场范围内包括瞄准点在内的被测目标20的整体图像信息和亮度分布。第一光电探测器4和第二光电探测器5的测量结果通过微处理器16传递到上位机14。第一光电探测器4测量的瞄准点20-1的亮度值和第二光电探测器5测量的被测目标20的亮度图像都通过上位机14显示和记录。上位机14通过软件将第一光电探测器4测得的瞄准点20-1的亮度与第二光电探测器测量的图像亮度分布中瞄准点20-1的亮度相比，得到绝对量校正值，并用该绝对量校正值校正第二光电探测器的各个像元的测量值，得到更为精确的被测目标在各点的亮度分布绝对值。

实施例2：

如图2所示，实施例包括外壳1，被测目标20的被测量光束从镜头2进入外壳1，在镜头2后的光路上设置了一个反射镜式小孔视场光阑3，该小孔视场光阑3为带小孔一3-1的反射镜，小孔一3-1和被测目标20上的瞄准点20-1为光学成像共轭关系。来自瞄准点20-1的被测光束经过镜头、穿过小孔一3-1被光采集装置7所接收，被光采集装置7所接收的光被耦合到一个光学色散装置10(本实施例采用快速光谱辐射计)，快速光谱辐射计的光电探测元件为第一光电探测器4，第一光电探测器4为一个一维CCD。除瞄准点以外的其它被测目标的被测光束被小孔视场光阑3的反射面3-2所反射，并经一个二次光学成像装置9成像到第二光电探测器5上，第二光电探测器5为一个二维CCD阵列。在亮度测量装置的外壳1上还安装有图象显示单元17(本实施例采用液晶显示屏)，亮度测量装置的外壳1内还设置有微处理器16和电子记忆装置18，所述第一光电探测器4、第二光电探测器5、液晶显示屏和电子记忆装置18均与微处理器16电连接，由微处理器16处理第一光电探测器4和第二光电探测器5的测量数据，通过液晶显示屏显示出来，并由电子记忆装置18记录保存。

在使用本亮度测量装置时，镜头2对准被测目标20，并在图象显示单元17(显示屏)中显示第二光电探测器5的测量结果，即它所观察被测目标20，调节镜头2到小孔视场光阑3的距离，使液晶显示屏17中显示的被测目标20的图像最为清晰，此时在显示屏17中显示具有黑点的被测目标20。进一步调节亮度测量装置或被测目标的位置，使在显示屏17上观测到的黑点为所需瞄准测量的点，即瞄准点20-1。微处理器16控制电子记忆装置18记录此时第二探测器5所测得的图像。并将显示屏17切换到显示快速光谱辐射计10测量结果的界面，微处理器16将根据第一光电探测器4的测量数据计算出瞄准点20-1的的光谱功率分布、亮度、辐亮度和色坐标等光色参数，在显示屏17中显示出来，并由控制电子记忆装置18记录这些量值。

实施例3：

如图3所示，本实施例与实施例2的结构相似，但在小孔视场光阑3与光采集装置7之间设置了一个第二分光器11，所述第二分光器是半透半反立方棱镜11，它接收穿过小孔视场光阑3的小孔3-1的光束即来自瞄准点20-1的光束，并将该光束分成两束，一部分仍然被光采集装置7接收，进入光学色散装置10(本实施例采用快速光谱辐射计)，另一部分被前面设有滤色片13的第三光电探测器12，第三光电探测器12是单通道的硅光电池，所述滤色片13使硅光电池对入射光的相对光谱灵敏度S(λ)_rel与V(λ)曲线相匹配。同时，在第二光电探测器5前也设置有滤色片8，该滤光片8使得第二光电探测器5的各个像元的相对光谱灵敏度也与V(λ)曲线相匹配。

本实施例的亮度测量装置的使用方法与实施例2相似，不同的是，在测量瞄准点20-1的亮度值时，本实施例既可以得到第三光电探测器12由硅光电池测量的亮度，也可根据快速光谱辐射计10的测量结果计算出瞄准点的亮度、辐亮度、光谱辐亮度和色度参数等，还可以将硅光电池和快速光谱辐射计10二者测量结果相结合，得到在大跨度范围内更为精确的亮度值。本实施例中的第二光电探测器5不仅反映被测目标的总体图像情况，还能够测量除被瞄准点之外被测目标的图像亮度和亮度分布。

实施例4：

如图4所示，本实施例的结构与实施例3相似，但在本实施例中没有内置微处理器16和电子记忆装置18，亮度测量装置中的第一光电探测器4、第二光电探测器5和硅光电池都连接到上位机14，由上位机实现该亮度测量装置的对准显示和记录以及亮度、辐亮度等瞄准点光色参数的测量和记录。

Claims (10)

1.一种亮度测量装置，包括机壳(1)，在机壳(1)上设置镜头(2)，被测目标(20)的被测量光束从镜头(2)进入机壳(1)内，其特征在于在机壳(1)内设有第一光电探测器(4)、第二光电探测器(5)和小孔视场光阑(3)，所述的第一光电探测器(4)是单通道探测器或者多通道探测器，所述的第二光电探测器(5)是多通道探测器，从镜头(2)出射的光束被至少分为两路，其中一路穿过小孔视场光阑(3)入射到第一光电探测器(4)上，另一路光束入射到第二光电探测器(5)上，所述的第一光电探测器(4)和第二光电探测器(5)分别位于小孔视场光阑(3)两边的光路上。

2.根据权利要求1所述的亮度测量装置，其特征在于所述的小孔视场光阑(3)为带小孔的反射镜，第一光电探测器(4)接收来自镜头(2)并从小孔视场光阑(3)中穿过的光束，第二光电探测器(5)接收来自镜头(2)并被小孔视场光阑(3)反射的光束。

3.根据权利要求1所述的亮度测量装置，其特征在于在镜头(2)与小孔视场光阑(3)之间的光路中设置第一分光器(6)，来自镜头(2)的经过第一分光器(6)的一路光束被第二光电探测器(5)接收，来自镜头(2)的经过第一分光器(6)的另一路光束穿过小孔视场光阑(3)被第一光电探测器(4)接收。

4.根据权利要求1或2或3所述的亮度测量装置，其特征在于所述的第一光电探测器(4)是一维或者二维多通道探测器，在机壳(1)中包括光采集装置(7)和光学色散装置(10)，光学色散装置(10)通过光采集装置(7)接收穿过所述的小孔视场光阑(3)的光束，所述的第一光电探测器(4)为光学色散装置(10)的光电探测部分。

5.根据权利要求1或2或3所述的亮度测量装置，其特征在于在所述的第二光电探测器(5)前设置二次光学成像装置(9)。

6.根据权利要求1或2或3所述的亮度测量装置，其特征在于在所述的镜头(2)到所述的第二光电探测器(5)之间的光路上设置滤色片一(8)。

7.根据权利要求4所述的亮度测量装置，其特征在于在所述的小孔视场光阑(3)的后续光路上设置有第二分光器(11)，第二分光器(11)的其中一束出射光被第一光电探测器(4)接收，第二分光器(11)的另一束出射光被一个单通道或多通道的第三光电探测器(12)接收。

8.根据权利要求7所述的亮度测量装置，其特征在于在所述的第三光电探测器(12)前的光路上设置有滤色片三(13)。

9.根据权利要求7所述的亮度测量装置，其特征在于所述的第二分光器(11)是由两块棱镜组成，棱镜的粘接面上镀有半透半反膜；或者所述的第二分光器(11)是镀半透半反膜的平面镜；或者所述的第二分光器(11)是分叉光纤。

10.根据权利要求1或2或3所述的亮度测量装置，其特征在于在所述的机壳(1)内设有微处理器(16)，在所述的机壳(1)上设置图像显示单元(17)。

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