CN103471817B - 一种多场空间光度分布快速测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场空间光度分布快速测量装置与方法，属于照明光学参数测量技术领域。本装置包括灯具置放座、框体、光纤束、探测系统和数据处理系统；灯具置放座设置于框体内部中央，用于对待测灯具进行稳定装夹；框体根据需要分层设置于灯具置放座周围；光纤束用于传输框体内部待测灯具发出的光线，光纤束的一端分布设置在各框体上，另一端连接至探测系统；探测系统接收从光纤束传来的光信号并将其转换成电信号传送至数据处理系统；数据处理系统对接收到的数据进行处理和计算，得到多场空间光度分布信息。整套装置不采用机械旋转件，不同方位角和测量距离下的数据均可一次性获得，测量速度快，且相对成本更为低廉，适用于生产线上的实时快速测量。

Description

一种多场空间光度分布快速测量装置与方法

技术领域

本发明属于光照参数测量技术领域，涉及一种多场空间光度分布快速测量装置与方法。

背景技术

空间光度分布表示光源在空间不同方位角下的发光性能，包括光强和色度信息，是照明光学设计的最重要参数。为获取光源的空间光度分布信息，目前通行的做法是通过旋转光源样品或探测器，得到不同方位下的光度值，目前几乎所有的空间光度测量仪器都是基于此原理运行。

上述测量空间光度信息的方法存在以下不足：一是空间不同方位角下的光度信息的测量通过机械旋转光源或探测器完成，受限于机械件旋转需要长时间运行才能完成多方位角的数据获取，每次测量都需要耗费较长时间。若角度间隔小数据点多，测量耗时就更长，即使在测量角度间隔较大、精度较低的情况下，完成全空间的扫描往往仍需不短的测量时间；另一方面，不论是旋转探测器还是光源，都是绕一固定旋转轴在一固定旋转半径（即测量距离）下进行测量，每次获取的数据仅为某一固定测量距离下的空间光度数据，若要获得N个不同测量距离下的数据，必须调整探测器和光源间的相对位置重新扫描，而耗费的时间将为单次扫描的N倍。此外，由于多轴机械旋转件的引入，现有的空间光度测量仪器往往成本巨大，通常可达数十万元甚至更高，限制了此类仪器的推广应用。因此，现有的测量方式和仪器仅能在少数实验室或质检部门进行少量样品测量时选用，不利于大面积推广。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于多场空间光度分布快速测量的装置与方法，该装置和方法通过将探测器进行多层布置，同时测量多个不同距离下的空间光度分布，并结合插值算法得到任一方位角和测量距离下的空间光度分布。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多场空间光度分布快速测量方法，包括以下步骤：步骤一：将待测灯具放置于灯具置放座上，在灯具置放座的周围布置多个框体，各框体按距灯具置放座的不同距离进行分层布置，以便测量不同距离下的空间光度分布；步骤二：利用光纤束作为空间光度信息的传输通道，将光纤束的一端设置于框体上，光纤束的另一端耦合至探测系统，光纤束的数量根据需要进行选择，以便实现不同方位角和距离的光度信息传输；步骤三：开启待测灯具至发光稳定并开启探测系统，待测灯具发出的光信号经光纤束传送至探测系统，探测系统接收不同光纤束的光度数据并将光信号转换成电信号；步骤四：探测系统将电信号传送至数据处理系统，数据处理系统对接收到的电信号数据进行处理得到在每一框体上按不同方位角设置光纤束处的光度信息，这些不同方位和距离的光度信息数据作为构建多场空间光度分布的基础；步骤五：对步骤四中得到的每个框体上的不同方位角处的光度信息值进行插值运算，得到每个框体对应的单一场下的完整光度分布信息，再对各框体所对应的单一场的完整光度分布信息进行插值运算得到任一距离下的空间光度分布信息。

进一步，在步骤一中，各框体为半封闭框体，采用半球形或柱形，灯具置放座放置于框体内中心处，各框体按照距离与灯具置放座不同进行分层设置。

进一步，在步骤四中还包括对光度数据进行校正的步骤。

进一步，在步骤五中通过以下方法得到单一场下的完整光度分布信息：假设有特定水平角度α的光度数据没有测量，采用如下的插值方法：

$L\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\α}}_j\underset{i=0,i\≠j}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}\frac{\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_j-{\mathrm{\α}}_i}\right)$

式中，L(α)为要得到的水平角度为α的光度数据，该方法选取周围k+1个不同α、相同β的已知的光度数据，插值得到未知α下的部分光度数据；选取一个未知角度垂直角度β，采用相同方法选取不同β，相同α的已知光度数据，即可插值得到该β角下的光度数据，重复步骤，即可得到该单一场下的完整的光度信息。

进一步，在步骤五中通过以下方法得到任一距离下的空间光度分布信息：运用如下公式对一特定β角下的不同距离r，角度α进行插值，得到距离为r的场下垂直角度为β的光度信息。

$p_{\mathrm{nm}}(r,\mathrm{\α})=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{s=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(i-r)}{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(i-k)}\frac{\underset{j=1,j\≠s}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(j-\mathrm{\α})}{\underset{j=1,j\≠s}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(j-s)}f(r_k,{\mathrm{\α}}_s)$

式中，p_nm(r,α)表示距离为r,水平角度为α时，采用周围n个r值与m个α值插值后得到的垂直角为β的光度数据，选取一定数量的β值进行插值之后，即可得到完全的光度数据。

本发明还提供了一种多场空间光度分布快速测量装置，包括灯具置放座、框体、光纤束、探测系统和数据处理系统；灯具置放座设置于框体内部中央，用于对待测灯具进行稳定装夹；框体的数量为多个并根据需要按不同的距离分层设置于灯具置放座周围；光纤束用于传输框体内部待测灯具发出的光线，光纤束的一端分布设置在各框体上，另一端连接至探测系统；探测系统接收从光纤束传来的光信号并将其转换成电信号传送至数据处理系统；数据处理系统对接收到的数据进行处理和计算，得到多场空间光度分布信息。

进一步，所述探测系统主要部分包括光电转换器件，所述光电转换器件采用CCD、CMOS或CIS光电探测器。

进一步，在所述探测系统的光电转换器件前还设置有光学耦合装置，所述光学耦合装置用于将光纤束端面的信息完整地传送至光电转换器件上。

进一步，所述数据处理系统对探测器输出的电信号进行采集、转换和处理，并对测量数据进行修正和插值运算，从而获得多场空间分布数据。

本发明的有益效果在于：本装置通过将框体及探测器进行多层布置，可同时测量多个不同测量距离下的空间光度分布，再通过对测量数据的插值计算，可得到任一方位角和测量距离下的空间光度分布；整套装置不采用机械旋转件，不同方位角和测量距离下的数据均可一次性获得，因此测量速度非常快，且相对成本更为低廉，特别适用于生产线上的实时快速测量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述装置的结构示意图；

图2为不同方位角的光度数据计算示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述装置的结构示意图，如图所示，本装置包括灯具置放座1、框体3、光纤束2、探测系统4和数据处理系统5；灯具置放座1设置于框体3内部中央，用于对待测灯具进行稳定装夹；框体3的数量为多个并根据需要按不同的距离分层设置于灯具置放座1周围；光纤束2用于传输框体3内部待测灯具发出的光线，光纤束2的一端分布设置在各框体3上，另一端连接至探测系统4；探测系统4接收从光纤束2传来的光信号并将其转换成电信号传送至数据处理系统5；数据处理系统5对接收到的数据进行处理和计算，得到多场空间光度分布信息。

所述灯具置放座1需确保不同形状、大小的光源可以稳定装夹，起到稳定加固的作用；在本实施例中，各框体为半封闭框体，采用半球形或柱形，灯具置放座放置于框体内中心处。框体3按照与光源距离的不同分层排布于光源周围，每层框体测量一个场的光度信息。探测系统4用来获得光度信息并将其转化为电信号，主要部分为光电转换器件，如CCD、CMOS、CIS等光电探测器。为将光纤束端面的信息完整传递至光电转换器件上，可在探测器前增加光学系统进行光束耦合成像。数据处理系统5的主要功能为对探测器输出电信号进行采集、以及数据的转换和计算处理，从而实现对直接测量数据的修正并获得多场空间分布数据。数据采集可通过数据卡完成，数据计算可由计算机完成。

本发明所述方法的具体工作流程为：第一步：将待测灯具放置于灯具置放座上，在灯具置放座的周围布置多个框体，各框体按距灯具置放座的不同距离进行分层布置，以便测量不同距离下的空间光度分布。第二步：利用光纤束作为空间光度信息的传输通道，将光纤束的一端设置于框体上，光纤束的另一端耦合至探测系统，光纤束的数量根据需要进行选择，以便实现不同方位角和距离的光度信息传输。第三步：开启待测灯具至发光稳定并开启探测系统，待测灯具发出的光信号经光纤束传送至探测系统，探测系统接收不同光纤束的光度数据并将光信号转换成电信号。第四步：探测系统将电信号传送至数据处理系统，数据处理系统对接收到的电信号数据进行处理得到在每一框体上按不同方位角设置光纤束处的光度信息，这些不同方位和距离的光度信息数据作为构建多场空间光度分布的基础。第五步：对步骤四中得到的每个框体上的不同方位角处的光度信息值进行插值运算，得到每个框体对应的单一场下的完整光度分布信息，再对各框体所对应的单一场的完整光度分布信息进行插值运算得到任一距离下的空间光度分布信息。

为了提高测得数据的准确性，在步骤四中还包括对光度数据进行校正的步骤，校正过程如下：1）测量光源绝对光谱；2）通过之前测量的光源光谱，根据CCD/CMOS/CIS的光谱响应曲线，对CCD测量得到的值进行校正，方法如下：假设CCD得到的强度值为X，将光源光谱可见光波段n等分，每个部分有一个强度值I_i，结合光谱响应曲线F(λ)，可知：

$X=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i*F\left(\mathrm{\λ}\right)*p$

式中p定义为单位能量的光在CCD上感光产生的强度值，光强度真值X^*可由下式算得：

$X^{*}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i*p$

X^*就是对CCD校正后的光强度值。3）接着对光纤传导进行校正，与步骤2）中的方法一样，此时待校正值是X^*，光纤也有同样的传输损耗曲线G(λ)，采用同样的方法，得到X^**既为光源光强度真值。

在上述工作流程的第五步中，可以通过插值算法运算得到整个空间完整的光度分布信息，由于插值计算可以采用不同的算法，在本实施例中，采用以下算法进行计算：

同一场下不同方位角的光度数据计算：

在同一场中，测量的光度数据位非连续的，假设有特定水平角度α的光度数据没有测量，可采用如下的插值方法：

$L\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\α}}_j\underset{i=0,i\≠j}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}\frac{\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_j-{\mathrm{\α}}_i}\right)$

式中，L(α)为要得到的水平角度为α的光度数据，该方法选取周围k+1个不同α、相同β的已知的光度数据，插值得到未知α下的部分光度数据；选取一个未知角度垂直角度β，采用相同方法选取不同β，相同α的已知光度数据，即可插值得到该β角下的光度数据，重复步骤，即可得到该单一场下的完整的光度信息。

对于特定水平角度α下的未测量的某β角处的光度数据，可以选取该α角下的k+1个已知β角处的光度数据进行插值，公式如下：

$L\left(\mathrm{\β}\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\β}}_j\underset{i=0,i\≠j}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}\frac{\mathrm{\β}-{\mathrm{\β}}_i}{{\mathrm{\β}}_j-{\mathrm{\β}}_i}\right).$

任一场下（不同测量距离）的空间光度数据计算：

首先运用如下公式，对一特定β角下的不同r，α进行插值，α、β角如图二所示，得到距离为r的场下垂直角度为β的光度信息：

$p_{\mathrm{nm}}(r,\mathrm{\α})=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{s=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(i-r)}{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(i-k)}\frac{\underset{j=1,j\≠s}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(j-\mathrm{\α})}{\underset{j=1,j\≠s}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(j-s)}f(r_k,{\mathrm{\α}}_s)$

式中，p_nm(r,α)表示距离为r,水平角度为α时，采用周围n个r值与m个α值插值后得到的垂直角为β的光度数据，选取足够多的β值进行插值之后，即可得到此场的完全的光度数据。

通过上述插值运算可以得到整个空间完整的光度分布数据，且整个测量过程无需采用机械旋转件，不同方位角和测量距离下的数据均可一次性获得，因此测量速度非常快。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种多场空间光度分布快速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将待测灯具放置于灯具置放座上，在灯具置放座的周围布置多个框体，各框体按距灯具置放座的不同距离进行分层布置，以便测量不同距离下的空间光度分布；

步骤二：利用光纤束作为空间光度信息的传输通道，将光纤束的一端设置于框体上，光纤束的另一端耦合至探测系统，光纤束的数量根据需要进行选择，以便实现不同方位角和距离的光度信息传输；

步骤三：开启待测灯具至发光稳定并开启探测系统，待测灯具发出的光信号经光纤束传送至探测系统，探测系统接收不同光纤束的光度数据并将光信号转换成电信号；

步骤四：探测系统将电信号传送至数据处理系统，数据处理系统对接收到的电信号数据进行处理得到在每一框体上按不同方位角设置光纤束处的光度信息，这些不同方位和距离的光度信息数据作为构建多场空间光度分布的基础；

步骤五：对步骤四中得到的每个框体上的不同方位角处的光度信息值进行插值运算，得到每个框体对应的单一场下的完整光度分布信息，再对各框体所对应的单一场的完整光度分布信息进行插值运算得到任一距离下的空间光度分布信息；

在步骤一中，各框体为半封闭框体，采用半球形或柱形，灯具置放座放置于框体内中心处，各框体按照距离灯具置放座的不同距离进行分层设置；

在步骤四中还包括对光度数据进行校正的步骤；

在步骤五中通过以下方法得到单一场下的完整光度分布信息：假设有特定水平角度α的光度数据没有测量，采用如下的插值方法：

$L\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}\left({\mathrm{\α}}_j\underset{i=0,i\≠j}{\overset{k}{\Π}}\frac{\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_j-{\mathrm{\α}}_i}\right)$

式中，L(α)为要得到的水平角度为α的光度数据，该方法选取周围k+1个不同α、相同β的已知的光度数据，插值得到未知α下的光度数据；选取一个未知垂直角度β，采用相同方法选取不同β，相同α的已知光度数据，即可插值得到该未知β角下的光度数据，重复步骤五中的方法，即可得到该单一场下的完整的光度信息。

2.根据权利要求1所述的多场空间光度分布快速测量方法，其特征在于：在步骤五中通过以下方法得到任一距离下的空间光度分布信息：运用如下公式对一特定β角下的不同距离r，角度α进行插值，得到距离为r的场下垂直角度为β的光度信息，

$p_{nm}(r,\mathrm{\α})=\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}\underset{s=0}{\overset{m}{\Σ}}\frac{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\Π}}\left(i-r\right)}{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\Π}}\left(i-k\right)}\frac{\underset{j=1,j\≠s}{\overset{n}{\Π}}\left(j-\mathrm{\α}\right)}{\underset{j=1,j\≠s}{\overset{n}{\Π}}\left(j-s\right)}f(r_k,{\mathrm{\α}}_s)$

式中，p_nm(r,α)表示距离为r,水平角度为α时，采用周围n个r值与m个α值插值后得到的垂直角为β的光度数据，选取一定数量的β值进行插值之后，即可得到完全的光度数据。