CN108776002B - 一种均匀光源角均匀性测试装置及方法 - Google Patents

一种均匀光源角均匀性测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学测试领域，涉及一种均匀光源角均匀性测试装置及方法，解决了现有技术存在的一套弧形导轨只能适配一种直径出射面，造成投入过高、资源浪费的问题。本发明的技术解决方案是：一种均匀光源角均匀性测试装置，包括X‑Y二维扫描架、旋转平台、光亮度探测器和控制计算机；X‑Y二维扫描架包括横板和竖板，竖板垂直设置在横板上，且竖板可沿横板轴向往复运动；旋转平台设置在竖板上，旋转平台可沿竖板轴向往复运动，还可在竖板上转动，光亮度探测器设置在旋转平台上；控制计算机控制竖板沿横板轴向、旋转平台沿竖板轴向运动的位移量及旋转平台的转动角度。本发明同时还提供了一种均匀光源角均匀性测试装置的测试方法。

Description

一种均匀光源角均匀性测试装置及方法
技术领域
本发明属于光学测试领域，涉及一种均匀光源角均匀性测试装置及方法。
背景技术
理论上，当成像用相机对准一个亮度均匀的物体拍照时，所得图像的灰度也应该是均匀的，但由于相机各像元间响应的不一致性以及后续电子电路的不一致性，使得拍摄图像并不是完全均匀的。为了消除这些不一致带来的影响，改善相机拍摄图像的视觉效果和精度，就需要研制一种装置来测定这种不一致，并消除它。
均匀辐射光源，是一种利用光线在球体内表面连续多次反射，最终从出光口辐射光线的仪器设备，因为其内表面涂层具有很高的反射特性和各向一致特性，使得最终从出射口辐射出的光线在整个出光面具有很高的均匀性。
在科研生产中，假如均匀光源辐射出射面的均匀性经过事先标定，其精度满足测试要求，那么拍摄图像的不均匀即是由相机自身造成的，通过对不同亮度条件下拍摄图像的灰度校正，找出其中规律，即可实现相机响应一致性的校正，达到很好的视觉效果。
要进行相机均匀性校正，必须满足光源出射面与相机光学镜头口径相适应的条件。随着相机观测精细度的不断提高，相机的口径越来越大，相应的均匀光源出射口径也越来越大，这就给均匀光源的标定带来了困难。
均匀光源13的均匀性主要是指其辐射出射面的面均匀性和角均匀性，面均匀性的测试方法如图1所示，在均匀光源输出面14前方安装x-y坐标扫描装置，其运动平面垂直于均匀光源系统光轴，扫描平面为均匀光源出射面的外切正方形。通过光亮度探测器3在x-y坐标扫描架上的移动，完成对整个出射面的扫描，扫描结束，控制计算机4按照评价算法计算此出射面的面均匀性。
角均匀性的测试方法如图2所示，其定义为在垂直于均匀光源出射面的平面内，以光源出射面的圆心15中心为原点，以出射面半径为半径，沿水平方向和垂直方向扫描形成的圆弧面上，一定角度范围内光亮度相对零度角的均匀性。按照此定义，光亮度探测器3的运动轨迹为圆弧，以光源出射面14圆心作为圆弧中心，以出射面半径作为扫描半径。要进行角均匀性测试，必须配置与均匀光源出射面直径一致的圆弧导轨，均匀光源出射面变化，导轨半径随之变化，不能通用。但随着均匀光源出射面尺寸的不断增大，配备相适应的导轨越来越复杂，且投入不断提高，一套弧形导轨只能适配一种直径的出射面，造成资源浪费。
发明内容
为解决上述技术存在的一套弧形导轨只能适配一种直径的出射面，造成投入过高、资源浪费的问题，本发明提出一种基于X-Y二维扫描架和旋转平台实现均匀光源角均匀性测试的装置，该装置可对不同尺寸的均匀光源出射面进行测试，提高了测量设备的适应性和测试效率。
本发明解决上述问题的技术方案是，一种均匀光源角均匀性测试装置，其特殊之处在于：
包括X-Y二维扫描架、旋转平台、光亮度探测器和控制计算机；
所述X-Y二维扫描架包括横板和竖板，竖板垂直设置在横板上，且竖板可沿横板轴向往复运动；
旋转平台设置在竖板上，旋转平台可沿竖板轴向往复运动，还可在竖板上转动，光亮度探测器设置在旋转平台上；
控制计算机控制竖板沿横板轴向、旋转平台沿竖板轴向运动的位移量及旋转平台的转动角度。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化改进：
进一步地，控制计算机内安装有数据采集卡，数据采集卡采集光亮度探测器输出的信号，对其进行模数转换。
进一步地，上述横板上设有第一驱动装置，竖板上设有第二驱动装置，旋转平台上设有第三驱动装置；
第一驱动装置驱动竖板沿横板轴向做往复运动；第二驱动装置驱动旋转平台沿竖板轴向做往复运动；第三驱动装置驱动旋转平台转动。
进一步地，上述横板上装有第一丝杠和与第一丝杠配合的第一丝杠螺母；第一驱动装置为第一电机，第一电机驱动第一丝杠转动；
竖板上装有第二丝杠和与第二丝杠配合的第二丝杠螺母；第二驱动装置为第二电机，第二电机驱动第二丝杠转动；
所述竖板固定在第一丝杠螺母上；
所述旋转平台固定在第二丝杠螺母上；
控制计算机控制第一电机和第二电机的启停。
进一步地，上述第三驱动装置为第三电机，控制计算机控制第三电机的启停。
进一步地，上述第一电机、第二电机和第三电机均为步进电机。
另外，本发明还提出一种上述均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)对均匀光源的Y向(垂直与地面方向)进行角均匀性测试
1.1)安装X-Y二维扫描架，使X-Y二维扫描架的扫描平面垂直于地面，竖板平行于Y向；
1.2)根据角均匀性测试的角度范围、测量点数，设置测试步长；
1.3)控制计算机根据设定的光源出射面直径及测量参数，对X-Y二维扫描架的运行位置、旋转平台的回转角度进行规划，保证测试点位于与光源出射面的直径一致的圆弧轨迹上，光亮度探测器始终指向光源出射面的圆心，测量该角度位置的光亮度数据；
1.4)控制计算机内的数据采集卡采集测试点的光亮度探测器的测试数据，控制计算机统计测试结果，生成均匀光源Y向的角均匀性测试报告；
2)对均匀光源X向(平行于地面方向)的角均匀性测试
2.1)安装X-Y二维扫描架，使X-Y二维扫描架的扫描平面平行于地面，竖板平行于X向；
2.2)根据角均匀性测试的角度范围，测量点数，设置测试步长；
2.3)控制计算机根据设定的光源出射面直径及测量参数，对X-Y二维扫描架的竖板、横板运行位置、旋转平台的回转角度进行规划，保证测试点位于与光源出射面的直径一致的圆弧轨迹上，光亮度探测器始终指向光源出射面的圆心，测量该角度位置的光亮度数据；
2.4)控制计算机内的数据采集卡采集测试点的光亮度探测器的测试数据，控制计算机统计测试结果，生成均匀光源Y向的角均匀性测试报告；测试完成。
本发明的优点：
1、通用性强。本发明一种均匀光源角均匀性测试装置，X-Y二维扫描架可实现不同均匀光源出射面尺寸的角均匀性测试；
2、节约成本。本发明一种均匀光源角均匀性测试装置，均匀光源出射面尺寸变化后，无需更换导轨，一套测试装置可完成不同尺寸的均匀光源角均匀性测试。
3、测量精度高。本发明一种均匀光源角均匀性测试装置，采用控制计算机控制X-Y二维扫描架的移动及旋转平台的转动，使得光亮度探测器的位置始终处于圆弧轨迹上，角度与测试角度一致，且光亮度探测器始终指向出射面圆心。
附图说明
图1为均匀光源面均匀性测试示意图；
图2为均匀光源角均匀性测试示意图；
图3为本发明的X-Y二维扫描架结构图；
图4为本发明进行角Y向均匀性测试时的示意图；
图5为本发明进行角X向均匀性测试时的示意图；
图6为本发明均匀光源角均匀性测试装置测试原理示意图。
其中，1-X-Y二维扫描架；101-横板；102-竖板；2-旋转平台；3-光亮度探测器；4-控制计算机；5-第一丝杠；6-第一丝杠螺母；7-第一电机；8-第二丝杠；9-第二丝杠螺母；10-第二电机；11-第三电机；13-均匀光源；14-光源出射面；15-光源出射面的圆心；16-圆弧轨迹。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
根据均匀光源角均匀性测试的定义，光亮度计的运行轨迹是与均匀光源出射面半径一致的圆弧，光亮度计的探测方向始终指向出射面圆心。只要满足上述要求，即可完成角均匀性测试。
参见图3-图5，一种均匀光源角均匀性测试装置，包括X-Y二维扫描架1、旋转平台2、光亮度探测器3和控制计算机4。
所述X-Y二维扫描架1包括横板101和竖板102，竖板102垂直设置在横板101上，且竖板102可沿横板101的轴向往复运动；旋转平台2设置在竖板102上，旋转平台2可沿竖板102的轴向往复运动，并可在竖板102上转动，光亮度探测器3设置在旋转平台2上；控制计算机4控制竖板102沿横板101轴向、旋转平台2沿竖板102的轴向运动的位移量及旋转平台2的转动角度。
横板101上设有第一驱动装置，竖板102上设有第二驱动装置，旋转平台2设有第三驱动装置；第一驱动装置驱动竖板102板沿横板101轴向做往复运动；第二驱动装置驱动旋转平台2沿竖板102轴向做往复运动；第三驱动装置用于驱动旋转平台2转动。
横板101上装有第一丝杠5和与第一丝杠5配合的第一丝杠螺母6；第一驱动装置为第一电机7，第一电机7驱动第一丝杠5转动；竖板102上装有第二丝杠8和与第二丝杠8配合的第二丝杠螺母9；第二驱动装置为第二电机10，第二电机10驱动第二丝杠8转动；所述竖板102固定在第一丝杠螺母6上；所述旋转平台2固定在第二丝杠螺母9上；控制计算机4控制第一电机7、第二电机10的启停。第三驱动装置为第三电机11，控制计算机4控制第三电机11的启停。第三电机11的输出轴与旋转平台2连接，直接驱动旋转平台2转动。
第一电机7、第二电机10和第三电机11均为步进电机。
控制计算机4内安装有数据采集卡和测量程序。
一种基于上述均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，包括以下步骤：
1)对均匀光源13的Y向进行角均匀性测试
1.1)安装X-Y二维扫描架1，使X-Y二维扫描架1的扫描平面垂直于地面，竖板102平行于Y向；
1.2)根据角均匀性测试的角度范围、测量点数，设置测试步长；
1.3)控制计算机4根据设定的光源出射面14直径及测量参数，对X-Y二维扫描架1的运行位置、旋转平台2的回转角度进行规划，保证测试点位于与光源出射面14直径一致的圆弧轨迹16上，光亮度探测器3始终指向光源出射面的圆心15，测量该角度位置的光亮度数据；
1.4)控制计算机4内的数据采集卡采集测试点的光亮度探测器3的测试数据，控制计算机4统计测试结果，生成均匀光源13Y向的角均匀性测试报告；
2)对均匀光源13X向的角均匀性测试
2.1)安装X-Y二维扫描架1，使X-Y二维扫描架1的扫描平面平行于地面，竖板102平行于X向；
2.2)根据角均匀性测试的角度范围，测量点数，设置测试步长；
2.3)控制计算机4根据设定的光源出射面14直径及测量参数，对X-Y二维扫描架1的竖板102、横板101运行位置、旋转平台2的回转角度进行规划，保证测试点位于与光源出射面14直径一致的圆弧轨迹16上，光亮度探测器3始终指向光源出射面的圆心15，测量该角度位置的光亮度数据；
2.4)控制计算机4内的数据采集卡采集测试点的光亮度探测器3的测试数据，控制计算机4统计测试结果，生成均匀光源13Y向的角均匀性测试报告；测试完成。
参见图4，当进行均匀光源13Y向的角均匀性测试时，将X-Y二维扫描架1成正交方向安装，其扫描平面与地面垂直，竖板102上安装旋转平台2，其回转平面与光源出射面14垂直，旋转平台2沿+Y和-Y方向的行程相等。现以测量均匀光源13+Y向角均匀性为例，说明其测量原理。如图6所示，由光亮度探测器3的X向位置、Y的向位置与光源出射面14半径关系，实现位于弧形轨迹上测量点的定位，通过旋转平台2的转动修正测试立体角，使光亮度探测器3始终瞄准光源出射面的圆心15。设光源出射面14的半径为R，以光源出射面14所在平面为零位，则圆弧上某位置点的X向和Y向的位置如式(1)和式(2)所示。X-Y二维扫描架1运动到位后，旋转平台2转过角度步长θ，即可测量该角度位置的光亮度数据。
xi＝R·cosθi 式(1)
yi＝R·sinθi 式(2)
式中R——光源出射面14的半径；
xi——测量角度为θi时，竖板102在X向位置；
yi——测量角度为θi时，旋转平台2在Y向位置；
θi——以出射面中心光轴为0°，第i个测量点的绝对角度，i的取值范围是1…n，n为+Y向的测量点数，通常+Y与-Y方向测量点数一致。
实际测试时，为方便控制计算机4控制，将上述的位置转换为相对位置增量，竖板102X向、旋转平台2的Y向位移量和旋转平台2转角增量分别按式(3)-式(5)计算。
Δxi＝R·(cosθi-cosθi-1) 式(3)
Δyi＝R·(sinθi-sinθi-1) 式(4)
Δθi＝θi 式(5)
测量-Y方向的角均匀性原理与+Y方向一致，只是Y向导轨沿-Y方向移动，旋转平台2转角为-θ。
参见图5，当进行均匀光源13X向的角均匀性测试时，将X-Y二维扫描架1成正交方向安装，其扫描平面与地面平行，竖板102的上安装旋转平台2，其回转平面与光源出射面14垂直，旋转平台2沿+Y和-Y方向的行程相等。测试原理与Y向角均匀性测试一致，只是Y向原来的垂直运动变为水平移动，其它不变。
光亮度探测器3安装在旋转平台2上，光亮度探测器3可适配不同视场角的光学镜头(例如1°、3°和10°)，使得光亮度探测器3能根据需要测量光源出射面的一定视场范围内的光亮度；光亮度探测器3光学镜头前还可适配不同衰减比的滤光片，以满足测量不同辐亮度条件下光源均匀性的要求。光电转换电路和放大电路设计在光亮度探测器3内部，由同轴线缆传输给控制计算机4。
控制计算机4的数据采集卡采集光亮度探测器输出的信号，对其进行模数转换。测控制计算机4的测量程序，根据光源出射面14的半径，以及用户选择的测量角度和测量步长，控制X-Y二维扫描架1和旋转平台2按上述数学关系运动到指定位置，记录角度信息，采集光亮度探测器3信号，采集完毕后，移动至下一位置，重复采集过程，如此循环，直至所有位置点测量采集完毕，按照指定算法计算被测均匀光源13的角均匀性。

Claims (6)

1.一种均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，所述均匀光源角均匀性测试装置包括X-Y二维扫描架(1)、旋转平台(2)、光亮度探测器(3)和控制计算机(4)；所述X-Y二维扫描架(1)包括横板(101)和竖板(102)，竖板(102)垂直设置在横板(101)上，且竖板(102)可沿横板(101)的轴向往复运动；
旋转平台(2)设置在竖板(102)上，旋转平台(2)可沿竖板(102)的轴向往复运动，还可在竖板(102)上转动，光亮度探测器(3)设置在旋转平台(2)上；
控制计算机(4)控制竖板(102)沿横板(101)轴向、旋转平台(2)沿竖板(102)轴向运动的位移量及旋转平台(2)的转动角度；
当进行均匀光源(13)Y向的角均匀性测试时，将X-Y二维扫描架(1)成正交方向安装，其扫描平面与地面垂直，旋转平台(2)的回转平面与光源出射面(14)垂直，旋转平台(2)沿+Y和-Y方向的行程相等；
当进行均匀光源(13)X向的角均匀性测试时，将X-Y二维扫描架(1)成正交方向安装，其扫描平面与地面平行，旋转平台(2)的回转平面与光源出射面(14)垂直，旋转平台(2)沿+Y和-Y方向的行程相等；
其特征在于，包括以下步骤：
1)对均匀光源(13)的Y向进行角均匀性测试
1.1)安装X-Y二维扫描架(1)，使X-Y二维扫描架(1)的扫描平面垂直于地面，竖板(102)平行于Y向；
1.2)根据角均匀性测试的角度范围、测量点数，设置测试步长；
1.3)控制计算机(4)根据设定的光源出射面(14)直径及测量参数，对X-Y二维扫描架(1)的运行位置、旋转平台(2)的回转角度进行规划，保证测试点位于与光源出射面(14)直径一致的圆弧轨迹(16)上，光亮度探测器(3)始终指向光源出射面的圆心(15)，测量该角度位置的光亮度数据；
具体为：光源出射面(14)的半径为R，以光源出射面(14)所在平面为零位，则圆弧上某位置点的X向和Y向的位置如下式所示，X-Y二维扫描架(1)运动到位后，旋转平台(2)转过角度步长θ，即可测量该角度位置的光亮度数据；
xi＝R·cosθi
yi＝R·sinθi
式中R——光源出射面(14)的半径；
xi——测量角度为θi时，竖板(102)在X向位置；
yi——测量角度为θi时，旋转平台(2)在Y向位置；
θi——以出射面中心光轴为0°，第i个测量点的绝对角度，i的取值范围是1…n，n为+Y向的测量点数，+Y与-Y方向测量点数一致；
1.4)控制计算机(4)内的数据采集卡采集测试点的光亮度探测器(3)的测试数据，控制计算机(4)统计测试结果，生成均匀光源(13)Y向的角均匀性测试报告；
2)对均匀光源(13)X向的角均匀性测试
2.1)安装X-Y二维扫描架(1)，使X-Y二维扫描架(1)的扫描平面平行于地面，竖板(102)平行于X向；
2.2)根据角均匀性测试的角度范围，测量点数，设置测试步长；
2.3)控制计算机(4)根据设定的光源出射面(14)直径及测量参数，对X-Y二维扫描架(1)的竖板(102)、横板(101)运行位置、旋转平台(2)的回转角度进行规划，保证测试点位于与光源出射面(14)直径一致的圆弧轨迹(16)上，光亮度探测器(3)始终指向光源出射面的圆心(15)，测量该角度位置的光亮度数据；
2.4)控制计算机(4)内的数据采集卡采集测试点的光亮度探测器(3)的测试数据，控制计算机(4)统计测试结果，生成均匀光源(13)Y向的角均匀性测试报告；测试完成。
2.根据权利要求1所述的一种均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，其特征在于：所述控制计算机(4)内安装有数据采集卡，数据采集卡采集光亮度探测器(3)输出的信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，其特征在于：
所述横板(101)上设有第一驱动装置，竖板(102)上设有第二驱动装置，旋转平台(2)设有第三驱动装置；
第一驱动装置驱动竖板(102)沿横板(101)轴向做往复运动；第二驱动装置驱动旋转平台(2)沿竖板(102)轴向做往复运动；第三驱动装置驱动旋转平台(2)转动。
4.根据权利要求3所述的一种均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，其特征在于：所述第一驱动装置包括第一丝杠(5)、与第一丝杠(5)配合的第一丝杠螺母(6)和第一电机(7)，第一电机(7)驱动第一丝杠(5)转动；所述第二驱动装置包括第二丝杠(8)、与第二丝杠(8)配合的第二丝杠螺母(9)和第二电机(10)，第二电机(10)驱动第二丝杠(8)转动；
所述竖板(102)固定在第一丝杠螺母(6)上；
所述旋转平台(2)固定在第二丝杠螺母(9)上；
控制计算机(4)控制第一电机(7)和第二电机(10)的启停。
5.根据权利要求4所述的一种均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，其特征在于：所述第三驱动装置为第三电机(11)，控制计算机(4)控制第三电机(11)的启停。
6.根据权利要求5所述的一种均匀光源角均匀性测试装置的测试方法，其特征在于：所述第一电机(7)、第二电机(10)和第三电机(11)均为步进电机。
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