CN108318134A - 一种亮度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亮度测量装置，包括孔径光阑，光学成像单元，视场光阑以及第一探测单元，其特征在于还包括亮度信息已知的LED光源，分束镜和光接收器，所述光接收器为光陷阱、光电池或者光电二极管；所述的分束镜设于光学成像单元和第一探测单元之间的光路中，且第一探测单元和光接收器分别对应于分束镜的两个出光面设置。本发明装置中创新性地集成了亮度信息已知的LED光源用来对第一探测单元的信号响应进行非线性校准，完全解决了PMT、CMOS、CCD等探测单元在光信号响应中存在的非线性问题，实现了测量探测单元的非线性自校准功能，高度保证了测量结果的准确性。
Description
【技术领域】
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种亮度测量装置。
【背景技术】
在光学检测领域，光学探测器的性能直接关系到测试结果的准确性和评价的科学性。目前硅光电池、光电倍增管、二维阵列探测器已经成为光辐射测量领域内常使用的光学探测器件。对于不同的探测器，其性能各具特点，其中硅光电池具有高线性度、宽动态范围的特点，并在各种光测量场合中得到使用；二维阵列探测器独特的成像技术使其在图像检测、光谱检测中应用广泛，但是其缺点在于灵敏度不够，大动态范围线性度较差；而光电倍增管的优势在于灵敏度很高，但缺点是线性动态范围较小且容易疲劳老化。
此外，随着显示技术飞速发展以及消费者对显示产品性能要求的提高，对其光学测量参数不断增加，除了通常的亮度均匀性、色度均匀性以外，响应时间、闪烁特性、亮度对比度以及灰阶响应时间等也已经成为衡量显示屏光学性质好坏的重要表征，这对测量设备的灵敏度和动态响应范围提出了非常高的要求。传统用于光色参数测量的硅光电池以及CCD等探测器由于对极低亮度下响应灵敏度不足，在极低亮度水平的微弱光测量时往往出现较大误差。为此，公开号为CN201420427076的专利“一种液晶显示器的灰阶响应时间测量仪”中采用了具有高灵敏度和快速响应速度的光电倍增管(PMT)探测器模块来实现液晶显示器的灰阶响应时间测量。然而，PMT虽在灵敏度和响应速度上相对于传统的光电池有着极大的优势，但是在大动态范围内的响应线性度却远不及光电池等探测器，这也是由光电倍增管的工作原理决定的。
探测器的非线性响应直接关系到测试结果的准确度。针对探测器的非线性响应问题，现有技术的思想通常是对非线性响应进行线性校正，但在线性校正过程中可能会引入较大的误差，而且其疲劳特性带来的重复性问题也无法避免，因此并不能有效提高准确度；鉴于上述问题，除了线性校正方法以外，探究一种提高非线性响应探测器测量准确度的方法以及测量设备对于显示测量以及传统光学测量应用领域来讲非常亟需。
【发明内容】
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有非线性自校准功能的亮度测量设备，满足各种非线性探测器响应的校准功能，确保测量信号的准确性、重复性，适用于显示屏以及照明等各种场合的测量需求。
本发明通过以下技术方案实现：一种亮度测量装置，包括孔径光阑，光学成像单元，视场光阑以及第一探测单元，其特征在于，还包括：一个及以上的用于对所述第一探测单元进行校准的LED光源，设置于光学成像单元和第一探测单元之间的分束镜，以及光接收器；其中，所述光接收器和第一探测单元分别对应于所述分束镜的两个出光面设置，且所述的光接收器为光陷阱或者校准探测器；所述LED光源或被测对象的发射光束入射至分束镜的受光面后，在分束镜的两个出光面上形成两束出射光，其中一束出射光入射至所述第一探测单元的探测面上实现测量，另一束出射光则由对应的光接收器接收。
本发明中所述用于对所述第一探测单元进行校准的LED光源的亮度信息已知，具体为LED光源在不同电流或电压驱动下的亮度信息为已知信息；本发明装置秉承对第一探测单元响应信号进行非线性校准的思路，通过采用亮度信息已知的LED光源对第一探测器在宽动态范围内的非线性响应进行校准，进而确保了第一探测单元测量信号的准确性、重复性。
具体校准过程为：在给定驱动电流或电压下驱动所述LED光源，LED光源发出的光线经过分束镜后形成两束出射光，其中一束出射光到达第一探测单元的探测面上得到一个测量值，进而根据LED光源在对应驱动电流或电压下的已知亮度值对第一探测单元的测量值进行定标和校准；进一步地，改变LED光源的驱动电流或电压，重复上述过程，最终实现在宽动态范围内对第一探测单元响应值的非线性校准；而由分束镜形成的另一束出射光则由光接收器接收。
与传统测量设备先比，本发明完全解决了一些探测器在光信号响应中存在的非线性问题和重复性较差的问题，通过引入亮度已知的LED光源，完成了测量装置测量信号的非线性自校准功能，高度保证了测量结果的准确性。
已完成校准的本发明装置则可以用来对被测对象进行测量，测量光路为：被测对象发出的光通过孔径光阑进入光路中，进一步入射光线经过光学成像单元后进而由分束镜分为两束出射光，其中一束出射光由于光学成像单元的作用最终成像至所述的第一探测单元的探测面上实现测量，另一束出射光则由对应的光接收器接收。
上述本发明中所述的光接收器可以为光陷阱也可以为校准探测器，具体为：
当光接收器为光陷阱时，所述的LED光源发出的光线经过分束镜后形成的两束出射光中，一束出射光到达第一探测单元的探测面上进行测量，并利用LED的已知标亮度值对测量值进行非线性校准；另一束出射光则完全进入光陷阱中被吸收掉；其中所述的光陷阱可以吸收掉入射到光陷阱处的所有光线，可以为内壁涂黑的黑盒子，或者为黑色绒布等；作为优选，所述的光陷阱为内壁涂黑的黑盒子；
当光接收器为校准探测器时，所述的LED光源发出的光线经过分束镜后形成的两束出射光中，一束出射光到达第一探测单元的探测面上得到一个测量信号值；另一束出射光则进入校准探测器中实现测量并利用校准探测器测得的LED光信号对第一探测单元的光信号值进行实时校准；此处所述的校准探测器的作用是用来实时监测LED光源的发光信号；作为优选，所述的校准探测器为经校准过的硅光电池或者光电二极管；此外校准探测器也可用于极强亮度水平的被测对象的亮度测量。
本发明通过以下技术方案进行进一步的限定和完善：
作为一种技术方案，所述的第一探测单元为光电倍增管、CMOS光电二极管或者CCD。本技术方案的核心思想便是采用已知发光信号的LED光源对具有非线性响应的探测器进行非线性校准，而光电倍增管、CMOS以及CCD等对输入光的响应在大范围内呈现非线性，所以通过本装置中的LED光源可实现对上述探测器的非线性响应自校准功能。
作为一种技术方案，所述的分束镜为透射和反射比不相等的分束镜。本方案主要是应用在当第一探测器为PMT以及CMOS这种大电流可致击穿的探测器中，在具体的实施过程中，所述的LED光源发出的光线经过分束镜分光后，其中包含光线较少的光束到达第一探测单元的探测上进行测量，包含光线较多的光束则进入光接收器中。其目的是通过分光镜可以通过将大部分入射光线导入光接收器中进而减少到达第一探测器(PMT以及CMOS)探测面上的光数量，防止光电倍增管过大电流甚至导致击穿。
作为一种技术方案，包括监测LED光源的结电压变化的电监测装置。为了克服LED光源在点亮后可能随着结温的变化导致光输出变化的情况，本装置还采用了电监测装置用来监测LED光源的结电压变化，进而反映LED光源的发光稳定性，进一步保证测量的精度。
作为上述方案的一种实施方式，电监测装置监测所述LED光源的结电压，并根据结电压推算出LED光源的实际发光强度或亮度。由于LED光源的实际发光强度或亮度与LED光源的结电压有着直接的依赖关系，因此通过电监测装置监测LED光源的结电压波动，进而利用结电压和LED光源的光强或光亮度的关系进而推算了LED光源的实际发光参数，进一步地利用实际发光参数对光电倍增管的测量值进行校正，可以高度保证测试值的准确性。
作为一种技术方案，所述的LED光源设置在温度控制单元上。由于LED光源的发光稳定性会随着环境因素(如电压变化、环境湿度、温度以及LED光源自身结温的上升等)而发生变化，导致光输出特性改变；本发明通过将LED光源设置于温度控制单元上，并通过温度控制单元对LED光源的结温进行控制。作为优选，所述的LED光源通过温度控制单元实现恒温，进而保证LED光源的光输出稳定性。
作为上述技术方案的一种实施方式，所述的电监测装置与温度控制单元电连接；进而可通过温度控制单元和电监测装置之间配合和反馈进行实现，即温度控制装置根据光源电参数监测装置测得的光源电参数信息通过制冷或者加热的方式控制光源的工作温度。将光源电参数监测装置与温度控制装置电连接，通过两者的相互反馈，可获得稳定的光源输出特性，利用LED光源结电压与结温的关联关系，实现对LED光源工作温度的控制；
作为上述方案的一种实施方式，所述的温度控制单元包括热沉、加热器和驱动控制单元，所述的LED光源与热沉接触，所述的热沉与加热器接触，并通过加热器对热沉进行加热；所述的驱动控制单元与加热器连接，并控制加热器的工作。
作为一种技术方案，在所述分束镜和第一探测单元之间设有反射镜，以及还设有用于接收反射镜反射光线的第二探测单元。本方案中采用了将微弱光和强光分别测量的技术手段，即反射镜和第二探测单元的设置是针对强光测量应用，即在光强或光亮度较高时，通过切换装置将反射镜切入分束镜和光电倍增管之间的光路中，并将入射至反射镜上的测量光线反射至第二探测单元的探测面上进行测量；本方案中通过第一探测器和第二探测单元分别进行微弱光和强光的测量方案，一方面满足了实现了微弱光信号测量时对高灵敏度和测量准确度的要求，另一方面在强光测量时具有动态范围宽的优势；其中所述的第二探测单元可以为CCD探测器、光电池或光电二极管，作为优选，所述的第二探测单元为光电池，因为光电池对入射光具有极好的线性响应；
通常地，在所述第一探测单元和第二探测单元前均添加使得第一探测单元以及第二探测单元的光谱响应曲线与人眼光视效率函数相匹配的滤光片。在第一探测单元及第二探测单元添加与人眼光视效率函数相匹配的滤光片的目的使得探测单元的光谱响应能够真实反映人眼在观察对象时的感知。
作为上述技术方案的一种实施方式，将所述反射镜从光路中切入或切出的机械控制装置。在测量应用中，当测量强光信号时，通过机械控制装置将反射镜切入到光路中，入射至反射镜受光面上的被测光束由反射镜反射至第二探测单元的探测面上进行测量；当测量微弱光信号时，则将反射镜切出光路，由分束镜分光形成的待测量光束直接由第一探测单元接收测量。
作为上述技术方案的一种实施方式，所述的反射镜为半透半反镜，且由半透半反镜出射的透射光书由第一探测单元接收。即入射至半透半反镜受光面的光线经作用后形成透射光束和反射光束，其中反射光束进入第二探测单元的探测光路中，透射光束则进入第一探测单元的测量光路中；在具体的实施中，在所述反射镜与第一探测单元之间的光路上以及在所述反射镜与第二第一探测单元之间的光路上分别设有快门。
上述设置快门的目的一方面是为了消除暗电流进而减小噪声的影响，实现所述第一探测单元和第二探测单元的校零，使得测试结果更准确；即在没有打开快门时，第一探测单元(或者第二探测单元)所接收的信号作为暗噪声信号，在打开快门进行被测光测量时，第一探测单元(或者第二探测单元)的实际测量值要除去暗噪声信号作为真实的被测光测量值。另一方面，设置快门是为了根据测量对象的光强进而选择打开相应的快门进而由对应的第一探测单元或者第二探测单元进行测量；具体的，当测量强光信号时，打开第二探测单元前的快门，关闭第一探测单元前的快门，反则反之。
作为一种技术方案，所述的LED光源的主波长为555nm；本技术方案将LED光源的主波长定义555nm是为了与人眼对于光的实际灵敏度相匹配，根据CIE 1931提出的人眼光视效率函数，人眼对于光的最大光视效率位于555nm波长处。
通常的，所述的LED光源发出的光经过光阑后入射至分束镜的受光面上。光阑一方面可以限制入射至光路中的光线数量，另一方面可以防止环境杂散光进入到光路中。
作为一种技术方案，所述的亮度测量装置在测量强光信号时，在孔径光阑前设有衰减片，被测对象的发射光经过衰减片由孔径光路进入光路中。在被测对象亮度非常高的情况下，可在孔径光阑处加设衰减片，使得被测对象的发射光经过衰减片进行削弱后进而被测量，放置光信号过大导致第一探测器出现过电流或击穿。
【附图说明】
附图1为实施例1中本发明装置的示意图；
附图2为实施例1中本发明装置被测对象测量光路的示意图；
附图3为实施例1中本发明装置校准光路2的示意图；
附图4为实施例1中LED光源的外围连接图；
附图5为实施例2中本发明装置的示意图；
附图6为实施例2中发明装置强光测量光路的示意图；
附图7为实施例2中本发明装置微弱光测量光路的示意图；
附图8为实施例3中本发明装置的示意图；
附图9为实施例3中本发明装置强光测量光路的示意图；
附图10为实施例3中本发明装置微弱光测量光路的示意图；
附图11为实施例4中本发明装置的示意图。
孔径光阑—1；光学成像单元—2；视场光阑—3；第一探测单元—4，LED光源—5；分束镜—6；光接收器—7；光陷阱—7-1；校准探测器—7-2；电监测装置—8；温度控制单元—9；反射镜—10；第二探测单元—11；快门—12；滤光片—14；
【具体实施方式】
实施例1
附图1、2、3、4所示本实施例公开一种亮度测量装置，沿测量光路的光轴依次设有孔径光阑1，光学成像单元2，分束镜6、视场光阑3和第一探测单元4，其中光学成像单元2用于将被测对象的目标测量区域成像至第一探测单元4的探测面上；其中所述的第一探测单元4为光电倍增管，且在光电倍增管的探测面前设有与人眼光视效率函数相匹配的滤光片14；所述的分束镜6为具有透射和反射功能的光学镜片，且透射光的比例大于反射光的比例；本装置中所述的光学成像单元2为成像透镜；本装置还设有光陷阱7-1和亮度参数已知的LED光源5，且LED光源5设置在温度控制单元9上实现恒温；此外，LED光源5的结电压由电监测装置8进行监测，所述的温度控制单元9和电检测装置8电连接；本装置中所述的温度控制单元9包括热沉9-1、加热器9-2和驱动控制单元9-3，所述的LED光源5与热沉9-1接触，所述的热沉9-1与加热器9-2接触，并通过加热器9-2对热沉9-1进行加热；所述的驱动控制单元9-3与加热器9-2连接，并控制加热器9-2的工作；本装置中的光陷阱7-1为内壁涂黑的黑匣子。
在对被测对象进行测量时(图2)，目标测量区域发出的光线在经过光学成像单元2后进而入射至分束镜6的入射面上，并由分束镜6分为两束光，其中透射光线继续通过视场光阑3后最终成像至第一探测单元4的探测面上实现测量；由分束镜6作用后的反射光线则进入到光陷阱7-1中被全部吸收掉。
在对第一探测单元4的非线性测量值进行校准时(图3)，在不同的驱动电流下点亮LED光源5，LED光源5发出的光经过光阑后照射在分束镜6的受光面并由分束镜6作用后分为两束光，其中由分束镜6反射的光线由第一探测单元4接收测量，并根据对应驱动电流下LED光源5的已知亮度值对第一探测单元4的测量信号进行校准。
实施例2
如图5，6，7所示公开一种亮度测量装置，与实施例1不同的是，本实施例中在分束镜6和第一探测单元4之间的光路中增加设置了反射镜10，并且还设置了接收反射镜10反射光线的第二探测单元11；且在第二探测单元11的探测之前前的光路中设置设有使得第二探测单元2的光谱响应与人眼光视效率函数相匹配的滤光片14以及对应的视场光阑3；本实施例中所述的第二探测单元11为硅光电池，且所述的反射镜10可以根据不同的测试对象从光路中切入和切出，具体测量为：
当测量强光信号时(图6)，将反射镜10切入光路，被测对象的发射光经过孔径光阑1后进入测量光路中，并进一步经过成像测量单元2作用后到达分束镜6的受光面，其中一束光透过分束镜6后入射至反射镜10的光接收面，反射镜10的反射光将进一步由第二探测单元11接收；而另一束由分束镜6反射的光线则由光陷阱7-1接收；
当测量微弱光信号时(图7)，将反射镜10从光路中切出，目标测量区域发出的光线在经过光学成像单元2后进而入射至分束镜6的受光上，并由分束镜6分为两束光，其中透射光线继续通过视场光阑3后最终成像至第一探测单元4的探测面上实现测量；由分束镜6作用后的反射光线则进入到光陷阱7-1中被全部吸收掉。
校准光路以及校准过程与实施例1类似。
实施例3
如图8，9,10公开一种亮度测量装置，与实施例2不同的是，在分束镜6和第一探测单元4之间的光路中增加设置的反射镜10为半透半反镜，且反射镜10无需切换；此外，在半透半反镜与第一探测单元4之间、以及在半透半反镜与第二探测单元4之间分别设有快门12；
在进行强光测量时(图9)，打开第二探测单元11前的快门12(关闭第一探测单元4之前的快门12)，被测对象的发射光经过孔径光阑1后进入测量光路中，并进一步经过成像测量单元2作用后到达分束镜6的受光面，其中分束镜6作用后的透射光线进一步入射至半透半反镜的光接收面上，且由半透半反镜反射后的光线进一步由第二探测单元11接收；由分束镜6作用后的反射光线则进入到光陷阱7-1中被全部吸收掉。
在进行微弱光测量(图9)，打开第一探测单元4之前的快门12(关闭第二探测单元11前的快门12)，目标测量区域发出的光线在经过光学成像单元2后进而入射至分束镜6的入射面上，其中分束镜6作用后的透射光线进一步入射至半透半反镜的受光面上，且由半透半反镜透射的光线进一步由第一探测单元4接收；由分束镜6作用后的反射光线则进入到光陷阱7-1中被全部吸收掉。
在对第一探测单元4的非线性测量值进行校准时(打开第一探测单元前的快门12)，点亮LED光源5，LED光源5发出的光经过光阑后照射在分束镜6的表面并由分束镜6作用后分为两束光，其中由分束镜6反射的光线由透过半透半反镜后，透射光线由第一探测单元4接收测量，并根据LED光源5的已知亮度值对第一探测单元4的测量信号进行校准。
实施例4
如图11所述，本实施例公开一种亮度测量装置，与实施例3唯一不同之处在于所述的光接收器7为校准探测器7-2；本实施例中校准探测器7-2在对第一探测单元4的校准和被测对象的亮度测量中均可使用，其作用也不同，具体为：
对第一探测单元进行非线性校准时，LED光源5发出的光经过分束镜6后形成的透射光由校准探测器7-2接收，并通过校准探测器7-2来监测LED光源5的发光稳定性，而由分束镜6形成的反射光线则由第一探测单元4接收测量；
在对被测对象进行测量值，校准探测器7-2还可以用于极强发光亮度的被测对象的亮度测量，进一步拓宽装置的亮度测量范围；即此时，装置的亮度测量区间可以分为三个等级，对于微弱光信号测量时，打开第一探测单元4前面的快门12，由第一探测单元4进行光接收并测量；对于中等强度光信号测量时，打开第二探测单元12前的快门12，由第二探测单元11进行接收测量；而在极强光信号的测量时，关闭第一探测单元4和第二探测单元11前的快门12，被测对象发出的光经过分束镜6后形成的反射光则由校准探测器7-2接收，进而实现被测对象亮度信号的测量；本实施例具有测量范围宽、准确度高的特点。
Claims (11)
1.一种亮度测量装置，包括孔径光阑(1)，光学成像单元(2)，视场光阑(3)以及第一探测单元(4)，其特征在于，还包括：一个及以上用于对所述第一探测单元(4)进行校准的LED光源(5)，设置于光学成像单元(2)和第一探测单元(4)之间的分束镜(6)，和光接收器(7)；其中，所述光接收器(7)和第一探测单元(4)分别对应于分束镜(6)的两个出光面设置，且所述的光接收器(7)为光陷阱(7-1)或者校准探测器(7-2)；所述LED光源(5)或被测对象的发射光束入射至分束镜(6)的受光面后，在分束镜(6)的出光面上形成两束出射光，其中一束出射光入射至所述第一探测单元(4)的探测面上实现测量，另一束出射光则由对应的光接收器(7)接收。
2.如权利要求1所述的亮度测量装置，其特征在于，所述的第一探测单元(4)为光电倍增管、CMOS光电二极管或者CCD。
3.如权利要求1所述的亮度测量装置，其特征在于，所述的分束镜(6)为透射和反射比不相等的分束镜。
4.如权利要求1所述的亮度测量装置，其特征在于，包括监测所述LED光源(5)结电压变化的电监测装置(8)。
5.如权利要求1或4所述的亮度测量装置，其特征在于，所述的LED光源(5)设置在温度控制单元(9)上。
6.如权利要求5所述的亮度测量装置，其特征在于，所述的温度控制单元(9)包括热沉(9-1)、加热器(9-2)和驱动控制单元(9-3)，所述的LED光源(5)与热沉(9-1)接触，所述的热沉(9-1)与加热器(9-2)接触，并通过加热器(9-2)对热沉(9-1)进行加热；所述的驱动控制单元(9-3)与加热器(9-2)连接，并控制加热器(9-2)的工作。
7.如权利要求1或2所述的亮度测量装置，其特征在于，在分束镜(6)和第一探测单元(4)之间设有反射镜(10)，以及用于接收反射镜(10)反射光线的第二探测单元(11)。
8.如权利要求7所述的亮度测量装置，其特征在于，还包括将所述反射镜(10)从光路中切入或切出的机械控制装置。
9.如权利要求7所述的亮度测量装置，其特征在于，所述的反射镜(10)为半透半反镜，且由半透半反镜出射的透射光线由第一探测单元(4)接收。
10.如权利要求9所述的亮度测量装置，其特征在于，在所述反射镜(10)与第一探测单元(4)之间的光路中以及在所述反射镜(10)与第二探测单元(11)之间的光路中分别设有快门(12)。
11.如权利要求1或2所述的亮度测量装置，其特征在于，在孔径光阑(1)前设有衰减片(13)，被测对象的发射光经过衰减片(13)由孔径光阑(1)进入光路中。
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