CN104198038B - 内置光源的亮度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置光源的亮度检测系统，包括：光学成像系统，包括沿入射光路依次设置的成像镜头、滤光片、光电探测器，以及信号处理电路；信号处理电路用于产生并输出视频信号。内置光源，固定在成像镜头旁；全反射镜，设置在成像镜头一侧前方，用于反射内置光源出射的平行光束进入成像镜头，并聚焦到光电探测器的成像区域；光电探测器，固定在成像镜头的焦平面上；所述的滤光片，曲线用于修正光电探测器的光谱响应曲线。计算机软件处理模块，用于获取图像后在图像中选择目标、内置光源的成像区域，并完成相关的灰度获取和数值运算；从而计算得到目标的亮度值。本发明还提出了利用上述检测系统的内置光源的亮度检测方法。

Description

内置光源的亮度检测方法

技术领域

本发明涉及亮度检测设备，尤其是一种内置光源的亮度检测系统和对应的亮度检测方法。

背景技术

亮度检测技术是一门广泛应用于照明工程、交通信号、光源设计、电影电视等领域的技术。传统的亮度计主要采用一对一定距离的光孔接收固定立体角，、固定投光面积的光通量，从而不受物体距离的影响，一般为了为瞄准物体，常在光学系统中加一些分光元件，使部分光束经过反射镜及目镜可以由人眼接收进行瞄准，另一部分光束仍达到光电探测器件上产生光电转换从而实现亮度测量。这种传统的亮度检测仪器一般视场角都比较小，而且只能靠人工瞄准并记录所测目标的位置和范围，使用起来极为不便。

随着光电检测技术的发展，成像式亮度计逐渐成熟。成像式亮度计主要是利用二维阵列光电探测器，在系统中加入滤光片使光电探测器的光谱灵敏度和明视觉人眼效率函数V(λ)一致，通过成像方式记录视场中各点的明视觉的亮度信息。成像式亮度计用到二维阵列光电探测器，为获取在不同的曝光时间下辐射量与数字输出量之间的关系，需要进行繁琐的标定工作，非常耗时，而且成像式亮度的视场较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种内置光源的亮度检测系统和亮度检测方法，通过获取目标和内置光源的图像及灰度信息，利用软件快速地从灰度信息中计算出目标的亮度信息。本发明采用的技术方案是：

一种内置光源的亮度检测系统，包括：

光学成像系统，包括沿入射光路依次设置的成像镜头、滤光片、光电探测器，以及信号处理电路；信号处理电路用于产生并输出视频信号；

内置光源，固定在成像镜头旁；

全反射镜，设置在成像镜头一侧前方，用于反射内置光源出射的平行光束进入成像镜头，并聚焦到光电探测器的成像区域；

光电探测器，固定在成像镜头的焦平面上；

所述的滤光片，曲线用于修正光电探测器的光谱响应曲线，使其与用于检测内置光源的标准亮度检测仪器的光谱响应度匹配，从而保证光电探测器的响应与标准亮度检测仪器的响应一致；

计算机软件处理模块，用于获取图像后在图像中选择目标、内置光源的成像区域，并完成相关的灰度获取和数值运算；从而计算得到目标的亮度值。

进一步地，成像镜头为定焦镜头或变焦镜头。

进一步地，内置光源，包括多个光谱波段不同、亮度不同的发光均匀的稳定光源，根据测试要求选取相应的波段和合适的亮度保证其成像在光电探测器的线性成像范围内。

本发明还提出了一种内置光源的亮度检测方法，采用下述步骤：

(1).光学成像系统对准目标，使目标清晰成像于光电探测器上，光电探测器对目标和内置光源同时曝光成像；

(2).成像要求在光电探测器的线性成像范围内，则对象(目标或内置光源)的灰度与对象在光电探测器上的像面照度E'存在线性关系，即G＝kE'；G为对象的灰度，k为线性系数；

(3).根据成像系统像面的光照度计算方法，像面中心的照度表示为在考虑渐晕的条件下，对于轴外像点的照度E_ω'与像面中心照度的关系为E_ω'＝Kcos⁴ω'·E₀'，即轴外像点的照度E_ω'与其对应的物面亮度L的关系为τ为光学成像系统的透过率，D/f'为系统的相对孔径，K为成像区域的渐晕系数，ω'为像方视场角；

(4)在同一幅成像的图片中，利用计算机软件处理模块获取目标的平均灰度G_目和内置光源的平均灰度值G_L，则两者物面亮度的关系为L_L/L_目＝(K_目·cos⁴ω_目'·G_L)/(K_L·cos⁴ω_L'·G_目)，从而计算得出目标物体的亮度值L_目；

L_L是内置光源的亮度值，可以事先通过标准亮度检测仪器进行测定；

K_目是目标的成像区域的渐晕系数，ω_目'为目标的像方视场角；

K_L是内置光源的成像区域的渐晕系数，ω_L'为内置光源的像方视场角。

进一步地，步骤(3)中，定义K·cos⁴ω′为对象的成像区域所处的渐晕区域的修正系数p；则步骤(4)中的公式L_L/L_目＝(K_目·cos⁴ω_目'·G_L)/(K_L·cos⁴ω_L'·G_目)也就是：

L_L/L_目＝(p_目·G_L)/(p_4·G_目)，其中p_目为目标的成像区域所处的渐晕区域的修正系数，p₄为内置光源的成像区域所处的渐晕区域的修正系数；

若对象的成像区域跨多个渐晕区域，则对象的修正系数p按其成像区域在各渐晕区域所占的面积比进行修正。

进一步地，步骤(4)中，如果考虑目标物体的光能量在传输过程中的衰减，衰减系数为Γ，则步骤(4)中的公式修正为L_L/L_目＝(K_目·cos⁴ω_目'·G_L)/(Γ·K_L·cos⁴ω_L'·G_目)，从而计算得出目标物体的亮度值。

进一步地，利用相同的方法，在同一幅成像的图片中计算获得两个目标的亮度值，分别为L_目1和L_目2，从而即刻得出两个目标之间的亮度对比度为：

L_目2/L_目1＝(p_目1·G_目2)/(p_目2·G_目1)，

其中p_目1、p_目2分别为两个目标各自的成像区域所处的渐晕区域的修正系数，G_目1、G_目2分别为两个目标各自的平均灰度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过亮度与灰度的关系，以内置光源的亮度与灰度为参照，推算目标的亮度，可以省去传统方法中大量的标定工作；

(2)本发明无需固定光电探测器的曝光时间，增大了系统的动态探测范围，适用于多种亮度检测环境中；

(3)本发明中提到的内置光源的亮度检测系统和检测方法，通过选择指定透过率曲线的滤光片使光电探测器的光谱灵敏度与检测物理量的仪器的光谱灵敏度匹配，并适当调整计算方法，可以实现其他辐射物理量的测量。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明采集的图片灰度读取示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：本发明提出的内置光源的亮度检测系统，包括：光学成像系统1，包括沿入射光路依次设置的成像镜头2、滤光片3、光电探测器6；以及信号处理电路8；信号处理电路8用于产生并输出视频信号给计算机软件处理模块7；内置光源4固定在成像镜头2旁；全反射镜5设置在成像镜头2一侧前方，用于反射内置光源4出射的平行光束进入成像镜头2，并聚焦到光电探测器6的成像区域；光电探测器6固定在成像镜头2的焦平面上。

所述的成像镜头2，可以是定焦镜头也可以是变焦镜头。

所述的滤光片3，曲线用于修正光电探测器6的光谱响应曲线，使其与用于检测内置光源4的标准亮度检测仪器的光谱响应度匹配，从而保证光电探测器6的响应与标准亮度检测仪器的响应一致；以达到测量目标空间各点亮度的目的。

所述的内置光源4，可以为多个光谱波段不同、亮度不同的发光均匀的稳定光源，根据测试要求选取相应的波段和合适的亮度保证其成像在光电探测器6的线性成像范围内，其成像面积较小，对光电探测器的曝光时间变化影响不大。

所述的计算机软件处理模块7用于获取图像后在图像中选择目标、内置光源4的成像区域，并完成相关的灰度获取和数值运算；从而计算得到目标的亮度值。

利用上述内置光源的亮度检测系统，本发明提出了一种内置光源的亮度检测方法，采用下述步骤：

首先，光学成像系统1对准目标，使目标清晰成像于光电探测器6上，光电探测器6对目标和内置光源4同时曝光成像；

如图1所示，目标发出或者反射光谱信息通过成像镜头2、滤光片3聚焦到光电探测器6的成像靶面，产生光电效应，经过信号处理电路8输出视频信号至计算机软件处理模块7保存成像的图片；同理，内置光源4发出的平行光经过全反射镜5、成像镜头2、滤光片3，最终与目标同时成像在一幅图片中，为一个亮度均匀的光斑。

上述成像要求在光电探测器6的线性成像范围内，则对象(目标或内置光源4)的灰度与对象在光电探测器6上的像面照度E'存在线性关系，即G＝kE'；G为对象的灰度，k为线性系数；

接着，将成像的图片分划为若干个环形渐晕区域作为各修正区域，各修正区域的修正系数p等于该修正区域的渐晕系数K和cos⁴ω'的乘积，即p＝K·cos⁴ω′；ω'为像方视场角；

如图2所示，以图片中心为圆心，将图片分划为若干个环形渐晕区域，图2中分划了第一修正区域15、第二修正区域11、第三修正区域12、第四修正区域13，分别对应修正系数p₁、p₂、p₃、p₄，第一修正区域15因为处于图片中心，且占据很小面积，其渐晕系数K可视为1，像方视场角ω'近似于0度，因此第一修正区域15的修正系数可视为p₁＝1，其它修正区域取该修正区域中间位置对应的渐晕系数和cos⁴ω'的乘积为修正系数。

随后，勾选出内置光源4的成像区域9和目标的成像区域10，软件读出对勾选区域的平均灰度并显示在数据菜单14中，即可获得目标的平均灰度G_目和内置光源的平均灰度值G_L。

如果勾选区域占据了多个渐晕区域，如目标的成像区域10，则按其在各渐晕区域所占的面积比进行修正，按图2中所示，设成像区域10在第一修正区域15和第二修正区域11所占的面积比为m:n，则目标的修正系数为其像面照度与其亮度之间的关系为其平均灰度G_目与其亮度L_目之间的关系为τ为光学成像系统1的透过率，D/f'为系统的相对孔径。

图2中内置光源4完全成像在第四修正区域13，则其像面照度与其亮度之间的关系为其平均灰度G_L与其亮度L_L之间的关系为 $G_L=k\·p_4\·\frac{{\mathrm{\π\τL}}_L}{4}{(D/f^{\′})}^2$

最后可以得出L_L/L_目＝(p_目·G_L)/(p₄·G_目)，其中p_目为目标的成像区域所处的渐晕区域的修正系数(如跨区域，则按上述修正方式修正)，p₄为内置光源的成像区域所处的渐晕区域的修正系数。如果考虑目标物体的光能量在传输过程中的衰减，衰减系数为Γ，上式修正为L_L/L_目＝(p_目·G_L)/(Γ·p₄·G_目)，从而计算得出目标物体的亮度值。

当目标和内置光源4的成像区域都不跨渐晕区域时，公式L_L/L_目＝(p_目·G_L)/(p₄·G_目)也就是L_L/L_目＝(K_目·cos4ω_目'·G_L)/(K_L·cos⁴ω_L'·G_目)。公式L_L/L_目＝(p_目·G_L)/(Γ·p₄·G_目)也就是公式L_L/L_目＝(K_目·cos4ω_目'·G_L)/(Γ·K_L·cos4ω_L'·G_目)；

L_目目标物体的亮度值，待求；

L_L是内置光源4的亮度值，可以事先通过标准亮度检测仪器进行测定；

K_目是目标的成像区域的渐晕系数，ω_目'为目标的像方视场角；

K_L是内置光源4的成像区域的渐晕系数，ω_L'为内置光源4的像方视场角。

根据上述步骤，可以在同一幅成像的图片中计算获得两个目标的亮度值，分别为L_目1和L_目2，从而即刻得出两个目标之间的亮度对比度为：

L_目2/L_目1＝(p_目1·G_目2)/(p_目2·G_目1)，

其中p_目1、p_目2分别为两个目标各自的成像区域所处的渐晕区域的修正系数，G_目1、G_目2分别为两个目标各自的平均灰度。

上述亮度检测方法无需大量繁琐的标定工作，适用于现场快速的亮度测量和亮度对比度测量。

Claims (6)

1.一种内置光源的亮度检测方法，采用具有内置光源的亮度检测系统进行检测，该亮度检测系统包括：光学成像系统(1)，包括沿入射光路依次设置的成像镜头(2)、滤光片(3)、光电探测器(6)，以及信号处理电路(8)，信号处理电路(8)用于产生并输出视频信号；

内置光源(4)，固定在成像镜头(2)旁；

全反射镜(5)，设置在成像镜头(2)一侧前方，用于将内置光源(4)出射的平行光束反射进入成像镜头(2)，并聚焦到光电探测器(6)的成像区域；

计算机软件处理模块(7)，接收信号处理电路的输出视频信号并获取图像后，在图像中选择目标、内置光源(4)的成像区域，并完成相关的灰度获取和数值运算；

其中光电探测器(6)，固定在成像镜头(2)的焦平面上；所述的滤光片(3)，用于修正光电探测器(6)的光谱响应曲线，使其与用于检测内置光源(4)的标准亮度检测仪器的光谱响应度匹配，从而保证光电探测器(6)的响应与标准亮度检测仪器的响应一致；其特征在于，采用下述步骤：

(1).光学成像系统(1)对准目标，使目标清晰成像于光电探测器(6)上，光电探测器(6)对目标和内置光源(4)同时曝光成像；

(2).使上述曝光成像在光电探测器(6)的线性成像范围内，则目标或内置光源(4)成像区域的灰度与其在光电探测器(6)上的像面照度E'存在线性关系，即G＝kE'；G为相应的灰度，k为线性系数；

(3).将成像的图片以中心为圆心分划为若干个环形渐晕区域，根据成像系统像面的光照度计算方法，像面中心的照度表示为在考虑渐晕的条件下，对于轴外像点的照度E_ω'与像面中心照度的关系为E_ω'＝Kcos⁴ω'·E₀'，即轴外像点的照度E_ω'与其对应的物面亮度L的关系为τ为光学成像系统(1)的透过率，D/f'为系统的相对孔径，K为成像区域的渐晕系数，ω'为像方视场角；

(4)在同一幅成像的图片中，利用计算机软件处理模块(7)获取目标的平均灰度G_目和内置光源的平均灰度值G_L，则两者物面亮度的关系为L_L/L_目＝(K_目·cos⁴ω_目'·G_L)/(K_L·cos⁴ω_L'·G_目)，从而计算得出目标物体的亮度值L_目；

L_L是内置光源(4)的亮度值；

K_目是目标的成像区域的渐晕系数，ω_目'为目标的像方视场角；

K_L是内置光源的成像区域的渐晕系数，ω_L'为内置光源的像方视场角。

2.如权利要求1所述的内置光源的亮度检测方法，其特征在于：

步骤(3)中，定义K·cos⁴ω′为目标或内置光源的成像区域所处的渐晕区域的修正系数p；则步骤(4)中的公式L_L/L_目＝(K_目·cos⁴ω_目'·G_L)/(K_L·cos⁴ω_L'·G_目)也就是：

L_L/L_目＝(p_目·G_L)/(p₄·G_目)，其中p_目为目标的成像区域所处的渐晕区域的修正系数，p₄为内置光源的成像区域所处的渐晕区域的修正系数；

若成像区域跨多个渐晕区域，则修正系数p按其成像区域在各渐晕区域所占的面积比进行修正。

3.如权利要求1所述的内置光源的亮度检测方法，其特征在于：

步骤(4)中，如果考虑目标物体的光能量在传输过程中的衰减，衰减系数为Γ，则步骤(4)中的公式修正为L_L/L_目＝(K_目·cos⁴ω_目'·G_L)/(Γ·K_L·cos⁴ω_L'·G_目)，从而计算得出目标物体的亮度值L_目。

4.如权利要求2所述的内置光源的亮度检测方法，其特征在于：

利用相同的方法，在同一幅成像的图片中计算获得两个目标的亮度值，分别为L_目1和L_目2，从而即刻得出两个目标之间的亮度对比度为：

L_目2/L_目1＝(p_目1·G_目2)/(p_目2·G_目1)，

其中p_目1、p_目2分别为两个目标各自的成像区域所处的渐晕区域的修正系数，G_目1、G_目2分别为两个目标各自的平均灰度。

5.如权利要求1所述的内置光源的亮度检测方法，其特征在于：

成像镜头(2)为定焦镜头或变焦镜头。

6.如权利要求1所述的内置光源的亮度检测方法，其特征在于：

内置光源(4)，包括多个光谱波段不同、亮度不同的发光均匀的稳定光源，根据测试要求选取相应的波段和合适的亮度保证其成像在光电探测器(6)的线性成像范围内。