CN110017896B - 空间光度分布快速测量方法及光度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光度分布快速测量方法及光度测量装置，方法包括将待测光源放置于转台上，将光度探头固定于支架上并令光度探头的探测面朝向待测光源；将光度探头的信号输出端连接于低通滤波器的信号输入端，将低通滤波器的信号输出端连接于计算机；控制转台连续转动；控制光度探头每隔t₁对转动中的待测光源进行光强测量；计算机对低通滤波器输出的信号进行处理；光度测量装置包括光度探头、低通滤波器以及计算机，光度探头的信号输出端连接于低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的信号输出端连接于计算机。使用本发明测量方法和本发明光度测量装置可在转台持续转动中快速准确测量待测光源光强分布。

Description

空间光度分布快速测量方法及光度测量装置

技术领域

本发明涉及空间光度分布测量领域，更具体地说，涉及一种空间光度分布快速测量方法及光度测量装置。

背景技术

分布光度计是测试各种灯具光源光强分布的主要设备。该设备通过摆臂与样品同步转动，由光度探头逐点接收被测光源不同方向的发光强度，计算得到光强空间分布数据。分布光度计主要包括用于测量光度的光度测量装置以及用于改变测量方向的转台等其他元件。

目前影响光强分布测量准确性的主要原因为:光度探头对光强的线性响应有所缺陷；尤其在测微弱光源、频闪光源及噪声干扰等情况下，导致测量数据不准确。研究人员为了减小干扰,使得测量结果准确,做了如下努力,例如:

公开日为2016年07月29日，公开号为CN106225919A的中国发明专利申请中公开了一种“基于锁相放大器的分布光度测量方法和测量系统”，该发明通过在分布光度计配置锁相放大器来减小无相关性的噪声信号干扰，但却未考虑光源频闪给测试结果带来的影响。

又如于2012年12月发表于《光学仪器》的文章，《一种快速测量LED空间色度和光度分布的新技术》该文章采用采样间隔智能判定，减小采样间隔带来的影响，但并未考虑光源频闪带来的影响。

通常照明灯具的光源发光并非绝对稳定，在一定程度上存在光强度的波动，这种波动对准确的分布光度特性测量造成干扰，尤其是当分布光度计的转台在一次转动过程中完成多个采样点测试的时候。目前我国交流电的频率一般为50Hz,还有一些国家的交流电频率为60Hz，导致常见的光源频闪频率和交流电频率或其倍频相同，还有一些发光频闪是由测量对象的驱动电路中的开关元件造成，其频闪频率也往往高于交流电频率。一般在分布光度测试中分布光度计对光源的形状、大小、光束角等没有特殊要求，但是对光源发光的稳定性有严格要求，光源发光的不稳定性将影响空间光度测量的准确性。一般来说，传统的光度系统是在选取点进行长时间测量，测量的是光源平均光强，测量所有采样点的数据后得出光源的光度空间分布。也正是因为这个原因，导致了测量时间过长。但是如果进行快速测量，光度探头在全空间每个指定方向上只进行短暂信号采集，就会导致在快速测量过程中，由光源频闪引起的光通量波动使光度探头接收到被测光源的发光强度过高或者过低，影响测量结果的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种空间光度分布快速测量方法及光度测量装置，能够提升存在频闪干扰情况下的分布光度测量效率。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种空间光度分布快速测量方法，包括如下步骤：

S1：将待测光源放置于转台上，将光度探头固定于支架上并令光度探头的探测面朝向待测光源；将光度探头的信号输出端连接于低通滤波器的信号输入端，将低通滤波器的信号输出端连接于计算机；

S2：控制转台连续转动，转动速度为V_S；可根据光度探头的采样时间间隔t₁和待测光源的频闪频率等因素确定转台的转动速度。采样角度间隔(度)等于转台转动速度(度/秒)与光度探头的采样时间间隔(秒)的乘积，采样角度间隔不宜过大，如果采样角度间隔过大，会严重影响分布光度数据的准确度；

S3：控制光度探头每隔t₁对转动中的待测光源进行光强测量；

S4：控制计算机对低通滤波器输出的信号进行处理，获得待测光源的光强在不同探测角度下的分布(即光度空间分布)，即待测光源的光强随转台的转角(也就是探测角度)变化的函数。这个数据处理的过程与传统的数据处理过程完全一样，即将电信号转化为光度分布，只是这里的电信号相比传统分布光度计得到的信号经过了低通滤波器的滤波。具体如下：低通滤波器输出转台位于θ角度时的测量信号为V_θ，由此获得待测光源的光强随探测角度变化的函数(配光分布函数)为I(θ)＝K_E*V_θ*d²，其中K_E为根据标准光源获取的光度校正系数，可由光度探头设备制造商提供。d为光度探头与待测光源光度中心的距离。

其中，光度探头的特征在于：

1)光谱响应S(λ)的精度与人眼的视觉光谱光视效率函数V(λ)的一致，即S(λ)＝V(λ)。

2)在光信号采样速度上，满足t₁≥t₂+t₃，式中t₁为光度探头的最小采样时间间隔，单位(秒)；t₂为光度探头的响应时间，单位(秒)；t₃为信号数字化(Td)以及信号传递的时间之和，单位(秒)；

3)光度探头的采样时间点匹配分布光度计转台的转动位置，即在转台一次转动过程中能够依次采集多个预设采样点的光信号。

转台的转动速度特征在于：

根据光度探头的采样时间间隔t₁和测量采样角度间隔等因素确定转台的转动速度V_S。采样角度间隔(度)等于转台转动速度(度/秒)与光度探头的采样时间间隔(秒)的乘积，采样角度间隔不宜过大，一般在1°到10°。如果采样角度间隔过大，会严重影响分布光度数据的准确度。

滤波器的特征如下：

滤波器是由包括但不仅限于电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一段特定频率的信号，或消除一段特定频率后的信号。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号将被有效滤除的电子滤波装置。

由于待测光源所在的转台在测量中保持转动状态，所以待测光源的空间光强分布的不一致都会导致光度探头输出波动的测量信号。对不存在光源频闪的待测光源，这种波动可以还原出待测光源的空间光强分布特性，即配光分布。但存在频闪的光源将导致测量信号同时也包含了光源频闪造成的波动，也就是空间光强分布造成的波动和时域上的波动在光度探头处叠加在一起，导致无法准确获得待测光源的配光分布特性。

考虑到一个转动周期内配光分布测量时间为10秒左右，而典型频闪波动周期在0.02秒左右(以50Hz为例)，配光分布导致的正常波动和频闪产生的干扰波动在频域上位于不同的频段。本设计采用低通滤波器，对光度探头将待测光源发出的光信号转换后的电信号滤波，待测光源发出较高频率的频闪信号位于阻带内，由于转台转动和待测光源光强空间分布变化导致的低频信号位于通带内。这样经过滤波器滤波后，可以获得去除频闪干扰的信号，同时对配光分布对应的信号影响很小，从而保证了获得准确的待测光源配光分布特性。

选取的低通滤波器的截止频率F_c由下式确定：

F_c ²＝2CF_fF_s；其中：

C为常系数，根据滤波器类型和滤波器阶数确定，一般取值2到4；

F_f为待测光源的频闪频率；频闪频率一般可以通过频闪测量设备在很短的时间内测量出来。

F_s＝max(K_zV_s,1)，其中空间光强最大相对变化率

其中

为待测光源的光强在光度探头的探测范围内相对于探测角度的变化率，I_max为待测光源在光度探头的探测范围内的最大光强；K_Z一般从灯具的类型即可粗略估计，也可用光强测量设备预先粗略测定；V_s为转台的转动速度(度/秒)。一般K_Z小于0.1度^-1，对K_Z的粗略估计造成的误差不会明显影响光度测量结果。

接下来主要说明上述方法中所用到光度测量装置：

光度测量装置的设计步骤如下：

1)设计或选用一个能够进行快速采集信号的光度探头，该光度探头应该能对光强变化做出及时的响应；

2)根据测试对象频闪频率等因素设计或选用一个滤波器设置滤波器的参数，将频闪对应的较高频率信号滤掉；

3)将光电探测器的输出端连接到滤波器的信号输入端。滤波器输出端为最终记录信号。

因此得到的一种用于实现上述方法的光度测量装置包括光度探头、低通滤波器以及计算机，光度探头的信号输出端连接于低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的信号输出端连接于计算机。

本发明方法的优点是：

对存在频闪的光源的分布光度测量，传统的测量方法是在转台停止转动时对待测光源进行观测，而后继续转动并又停止于一个位置继续测量，这种边转边停的方式效率很低。但本发明方法由于消除了频闪的影响(待测光源较高频率的频闪影响被低通滤波器滤除，计算机最终获得消除了频闪干扰后的测量数据)，可在转动中持续测量存在频闪的待测光源，无需将转台停下，因此大大提高效率。

本发明装置的优点是：

由于在光度探头中配置了滤波器，可有效消除了待测光源频闪给测量结果带来的影响，可以在保证测试的同时获取准确的分布光度数据；仅在光度探头后配置了滤波器，结构简单、操作简便。

附图说明

图1是本发明光度测量装置的结构示意图。

图2是本发明方法所使用的整体装置的连接结构示意图；

图3是测试灯具无频闪情况下空间光强分布的配光曲线；

图4是测试灯具有频闪时用传统光度测量装置测量到的配光曲线；

图5是本发明光度测量装置测量信号的频谱分布图；

图6是本发明针对频闪影响设计的4阶低通滤波器幅频特性曲线图；

图7是本发明经过低通滤波器信号处理得到的配光曲线(圆圈)和无频闪情况下配光曲线(实线，同图)的对比图。

图中：1、测试灯具，2、转台，3、光阑，4、测量光路，5、光度探头，6、低通滤波器，7、计算机，8、支架，9、暗室，10、低通滤波器信号输出端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。

如图1所示为本发明光度测量装置的结构示意图，用于实现上述方法的光度测量装置包括光度探头5、通滤波器6以及计算机7，光度探头5的信号输出端连接于低通滤波器6的信号输入端，低通滤波器信号输出端10连接于计算机7(未画出)。低通滤波器6为巴特沃兹滤波器，阶数选为4。

如图2所示为总体装置示意图，测试灯具1(待测光源)通过一个转轴连接于转台2上，光度探头5固定于支架8上，光度探头5连接于低通滤波器6，低通滤波器6连接于计算机7，测试灯具1和光度探头5之间设置有光阑3，测量光路4通过光阑3的中心。整个装置被设置于暗室9内。

测试过程如下：灯具所处转轴做360度的转动，光度探头5在采样时间点上进行信号采集，转轴转动完成后转台2转动一个角度间隔，接着转轴重复做360度的转动，光度探头5持续在采样时间点上进行信号采集，循环往复，直至测试灯具1完成全空间的光度数据收集；但原则上转台2转动多少角度取决于所要测量的范围，若仅测量一个小角度范围内的光强变化，则只需在该角度范围内测量。

测试灯具1的频闪频率为50Hz，频闪调制深度(最小光强/最大光强)为0.5。若采用传统的在转台2停止后测量光强的低效率方式，则得到的消除频闪后的配光曲线如图3所示；若采取连续转动并连续测量测试灯具1的光强，且光度探头5后不加低通滤波器6，就会得到未消除频闪的情况下的配光曲线，其光度分布如图4。

配光曲线以极坐标呈现，点的幅角表示测试角度，与中心的不同距离表示光强的不同，距离越大的位置光强越高。为方便比较，所有的配光曲线都做了归一化处理，最大光强设为100。

本实施方案中，在光度探头5和计算机7之间设置了4阶低通滤波器6，针对测试灯具1的频闪信号特性(也是光度探头5测量信号的频谱分布，如图5所示)，转台转动速度V_s为18度/秒，K_Z≈0,05，C取2.5，通频带上限频率设置为16Hz，该低通滤波器6的幅频特性曲线如图6所示。

将用本发明装置及本发明方法边转动边测量得到的滤波后的测试数据进行处理(处理过程与传统的处理过程完全相同，只是数据经过滤波)，得到测试灯具1的配光曲线如图7所示，其中圆圈为经过低通滤波器6信号处理得到的配光曲线采样点，图7中实线为图3的配光曲线，二者一致，说明本发明方法可有效消除频闪给测量结果带来的影响，保证测试速度的同时提高了测量准确度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明不限于光度数据的测量，还包括色度学及其他测量，滤波器也可以由数字滤波器替代电子滤波器，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种空间光度分布快速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将待测光源放置于转台上，将光度探头固定于支架上并令所述光度探头的探测面朝向所述待测光源；将所述光度探头的信号输出端连接于低通滤波器的信号输入端，将所述低通滤波器的信号输出端连接于计算机；

S2：控制所述转台连续转动，转动速度为V_S；

S3：控制所述光度探头每隔t₁对转动中的所述待测光源进行光强测量；

S4：所述计算机对所述低通滤波器输出的信号进行处理，获得所述光度探头检测到的所述待测光源的光强随所述转台的转角变化的函数；

所述低通滤波器的截止频率F_c由下式确定：

F_c ²＝2CF_fF_s；其中：

C＝2～4，为常系数；

F_f为所述待测光源的频闪频率；

F_s＝max(K_zV_s,1)，其中

其中

为所述待测光源的光强在所述光度探头的探测范围内相对于探测角度的变化率，I_max为所述待测光源在所述光度探头的探测范围内的最大光强。

2.根据权利要求1所述空间光度分布的快速测量方法，其特征在于，t₁满足下式：

t₁≥t₂；

其中，t₂为所述光度探头的响应时间。

3.一种用于实现权利要求1所述方法的光度测量装置，包括光度探头以及计算机，其特征在于，所述光度测量装置还包括低通滤波器，所述光度探头的信号输出端连接于所述低通滤波器的信号输入端，所述低通滤波器的信号输出端连接于所述计算机。

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