CN112041645A - 允许同时测量对象的角度和光谱发射的光学装置 - Google Patents

允许同时测量对象的角度和光谱发射的光学装置 Download PDF

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Abstract

一种用于测量对象(1)的测量区域(2)的光谱发射的空间分布的系统(100)，该系统包括：第一物镜(202)；装置(204)，用于选择由第一物镜形成的图像的片段；光阑(208)；光分散装置(210)，其位于光阑附近，并且允许分散来自选择装置的光；第二物镜(206)，其被放置在选择装置与光阑之间，该第二物镜与第一物镜交互，使得光阑的孔径通过第一物镜和第二物镜与测量区域光学共轭，并且使得测量区域。根据本发明，第一物镜在预定的傅立叶表面上形成图像，在该预定的傅立叶表面上每个点对应于对象的针对一个特定波长的发射方向，选择装置具有形状取决于预定的傅立叶表面的选择表面，并且选择装置被放置在预定的傅立叶表面上。

Description

允许同时测量对象的角度和光谱发射的光学装置
技术领域
本发明涉及允许同时测量对象的角度和光谱分布的测量装置。该测量装置适用于诸如发射屏(如液晶屏、等离子屏、电致发光屏或其他类型的屏)和照明装置的对象。
现有技术
已经知道用于测量由各种对象进行的光的发射或反射的比色特性的几种技术。
关于该主题，参考以下文献：
[1]EP 0 286 529 B1,
[2]FR 2 729 220 A,
[3]FR 2 749 388 A,
[4]FR 2 800 163 A1,
[5]“Viewing angle spectral analysis of OLED display light emissionproperties,”Pierre Boher,Thierry Leroux,Thibault.Bignon,Véronique Collomb-Patton,IDW,ISSN 1883-2490/21/0641,641(2014),
[6]“New multispectral Fourier optics viewing angle instrument forfull characterization of LCDs and their components,”Pierre Boher,ThierryLeroux,Thibault.Bignon,David Glinel,SID08,ISSN 008-0966X/08/3903,1571(2008)。
如参考文献[1]中所述的包括绕着要测量的对象移动光度计的机电技术非常慢，因为它们是通过采样来执行的。所研究的每个方向都需要机械系统的移动和特定的测量。然而，该机电技术仍被使用，因为如果由分光光度计来替换光度计，则该机电技术在所选的方向上提供良好质量的光谱测量。
为了基于观察方向测量颜色，包括使用与成像传感器相关联的傅立叶光学器件的技术得到非常广泛地使用。在参考文献[3]中描述了该技术。该系统的原理在本文的图1中被表示。它包括使用傅立叶物镜2并且将每个观察方向重新聚焦在聚焦表面3上，该傅立叶物镜2允许收集由对象1的区域发射的光。借助于场透镜4和传递物镜6将该表面在二维传感器8上重新成像。被放置在场透镜4与传递物镜6之间并且与对象1上的测量区域光学共轭的光阑5允许与观察方向无关地限定测量区域的表观尺寸。布置在检测器附近的滤光器7允许选择由系统分析的光以及测量颜色。
在不知道所发射的光的波长分布的情况下测量所发射的光的颜色可能具有缺点。如果波长的分布是已知的，则比色测量的准确度通常更好。在某些情况下，光谱相关性使得能够推断所观察到的比色偏移的起源。如出版物[5]中所解释的，电致发光屏就是这种情况。最后，在非自然发射的表面上进行反射测量时，有必要知道用于照明的光源的光谱及其在该表面上反射之后的变化。
在傅立叶光学器件的帮助下，已经在商业上实现了同时测量发射对象的角度和光谱相关性的可能性[6]。通过相继地定位在成像传感器之前的一系列短通干涉滤光器而不是彩色滤光器(图1中的元件7)来测量光谱相关性。然而，滤光器的数量是有限的(分布在400nm至700nm的可见范围内的31个滤光器)，并且它们的带宽为大约10nm。因此，光谱分辨率是有限的，而光度测量所需的分辨率至少是4nm。此外，获得光谱特征所需的31次相继测量花费相对长的时间。
与傅立叶光学器件结合的成像光谱仪的使用也已经由申请人获得专利[4]。在图2a和图2b中示出了该系统的原理。除了检测部分之外，光学元件与参考文献[3]中描述的以及图1中所示的常规傅立叶系统中使用的光学元件相同。成像传感器8由穿过系统的光轴并选择一个特定方位的狭缝9来替换。使用由分散元件10、传递光学器件11和11b以及位于狭缝另一侧的成像传感器8组成的成像光谱仪来执行光谱分析。该解决方案具有一定数量的缺点。因为它需要附加的光学器件，因此实现起来很复杂。此外，系统的对准非常难以实现。所讨论的光学器件必须是消色差的，位于选择狭缝9之前的整个傅立叶光学系统也必须是消色差的，这对于实际实现引入了显著的光学约束。
本发明的一个特定目的是完全或部分地克服上述缺点，并且特别地提出具有最小数量的部件的装置，该装置允许以令人满意的光谱分辨率和非常短的测量时间沿一个特定方位进行角度和光谱测量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种用于测量对象的测量区域的光谱发射的空间分布的系统，包括：
-第一傅立叶物镜，其在预定的傅立叶表面上形成图像，在该预定的傅立叶表面上每个点对应于对象的针对一个特定波长的发射方向；
-装置，用于选择由第一物镜形成的图像的与对象的光谱发射的一个特定方位相对应的部分，该选择装置具有形状取决于预定的傅立叶表面的选择表面；
-第二傅立叶物镜，其被布置在选择装置之后，该第二傅立叶物镜与第一傅立叶物镜协作以创建与测量区域光学共轭的图像平面；
-光阑，其位于该共轭平面上，使得当通过光阑观察测量区域时，测量区域具有大致与所述方向无关的表观表面，第一物镜和第二物镜具有形成系统的光轴的公共光轴；
-光分散装置，使得来自选择装置的光能够在光阑上或者尽可能靠近光阑分散；
-第三傅立叶物镜，其位于光阑之后，使得第一傅立叶表面能够成像在傅立叶平面上；
-成像传感器，其被布置在该第二傅立叶平面上，使得能够接收所分散的光，以及确定来自由位于第一傅立叶表面的选择装置选择的一个特定方位的光的光谱和角度响应。
根据本发明，第一物镜在预定的傅立叶表面(不平坦)上形成图像，在该预定的傅立叶表面上每个点对应于对象的针对一个特定波长的发射方向，并且选择装置具有形状取决于预定的傅立叶表面的选择表面，并且选择装置被布置在预定的傅立叶表面上。
并且，光分散装置位于光阑附近。
光阑允许限定在对象上测量的具有大致与观察方向无关的表观表面的区域，并且因此即使在大的观察角度下，也保证最佳光收集。
有利地，光阑可以具有圆形开口。
光分散元件可以被放置在光阑之前或直接放置在光阑上。
光分散元件可以在与选择方向垂直的方向上分散光。
根据一个实施方式，分散装置可以由棱镜、透射网和棱镜的组合形成，分散装置被布置成在一个方向上分散光并且使所分散的光线围绕系统的光轴聚集，光阑被尽可能靠近透射网地结合在该装置中。
根据本发明的系统还可以包括绕系统的光轴同时旋转选择装置和光分散装置的装置。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于通过系统测量对象的测量区域的光谱发射的空间分布的方法，所述系统包括：
-第一傅立叶物镜，其在预定的傅立叶表面上形成图像，在该预定的傅立叶表面上每个点对应于对象的针对一个特定波长的发射方向；
-装置，用于选择由第一物镜形成的图像的一部分；
-第二傅立叶物镜，其被布置在选择装置之后，该第二傅立叶物镜与第一傅立叶物镜协作以创建与测量区域光学共轭的图像平面；
-光阑，其位于该共轭平面上，使得当通过光阑观察测量区域时，测量区域具有大致与所述方向无关的表观表面，第一物镜和第二物镜具有形成系统的光轴的公共光轴；
-光分散装置，其位于所述光阑附近，该光分散装置允许分散来自选择装置的光；
-第三傅立叶物镜，位于光阑之后，使得第一傅立叶表面能够成像在傅立叶平面上；
-成像传感器，其被布置在该第二傅立叶平面上，并且使得能够接收所分散的光，以及确定来自由选择装置选择的一个特定方位的光的光谱和角度响应。
根据本发明的方法包括下列步骤：
-确定预定的傅立叶表面(不平坦)，在该预定的傅立叶表面上每个点对应于对象的针对一个特定波长的发射方向；
-由第一物镜在预定的傅立叶表面上形成图像；
-由选择装置进行选择，该选择装置具有形状取决于预定的傅立叶表面并且布置在预定的傅立叶表面上的选择表面。
附图说明
本发明的其他优点和特征将参照附图从以下对实现方式和实施方式的详细描述中显现，这些实现方式和实施方式决非限制性的，在附图中：
-图1表示根据现有技术的系统的示意图；
-图2表示根据现有技术的系统的示意图；
-图3表示根据本发明的系统的示意图；
-图4示出了根据本发明的系统的傅立叶光学器件和与所述光学器件相关联的选择装置的实施方式；
-图5是图4中所表示的傅立叶光学器件在傅立叶表面处的横向色差效应的示意性表示。
具体实施方式
由于以下描述的实施方式决非限制性的，因此特别地可以将本发明的变型考虑为仅包括对所描述的特性的选择，如果对特性的选择足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开。该选择包括至少一个优选功能特性，没有结构细节或仅具有结构细节的一部分，如果该部分单独足以赋予技术优点或将本发明与现有技术区别开。
图3a在根据本发明的系统的观察平面中表示：
-对象1，要测量其测量区域2的光谱发射的空间分布；
-根据观察平面的根据本发明的系统100，该观察平面通过系统100的光轴和测量区域102的观察方向来确定。
系统100包括：
-成像部分200，
-检测部分300。
成像部分包括：第一会聚物镜202；选择狭缝204；第二会聚物镜206；光阑208；以及光分散装置210，该光分散装置210位于尽可能靠近光阑208的位置并且使得能够分散来自一个特定方位并由选择狭缝204选择的光；以及第三物镜212。
被分析的对象1的表面被放置在第一物镜202的焦平面中。
测量区域2和物镜202限定不平坦的被称为傅立叶表面的表面Sf1，这使得来自测量区域2的任何束会聚在该表面上。
根据本发明，选择狭缝204(在图4a中更清楚地示出)的形状取决于预定的表面Sf1并且被布置在表面Sf1上。
在所考虑的实施方式中，使用以不透明材料形成的狭缝，该狭缝被布置在具有与系统的光轴一致的转动轴的表面上。狭缝允许选择一个特定的方位。
第二物镜206被设置在第一物镜202与光阑208之间，使得第二物镜具有与第一物镜202的光轴一致的光轴，从而限定系统的光轴。
第二物镜206还被布置成使得光阑208的开口通过第一物镜和第二物镜与测量区域2光学共轭。
在通过光阑208观察时，测量区域102具有独立于观察方向的表观表面。
光分散装置210包括棱镜、透射网和棱镜的组合，使得能够在与选择狭缝204垂直的方向上分散光以及使所分散的光线围绕系统的光轴聚集。
光阑210被尽可能靠近透射网地结合在该装置中。
这些分散装置被布置在物镜212之前。
物镜212被布置成使得该物镜的光轴与系统100的光轴在光阑208与检测部分300之间一致。物镜212还被布置成使得傅里叶表面Sf1借助于第二物镜206在次级傅里叶平面Sf2上被重新成像。
分散元件210和传递光学器件212用作成像光谱仪，其比根据现有技术的成像光谱仪简单得多。
图3b是图3a中的装置100在与直的分析截面垂直的平面中——也就是说在分散平面中——的示意图。
检测部分300包括成像传感器302，该成像传感器302被布置在次级傅立叶平面Sf2上并且使得能够接收所分散的光以及确定来自由狭缝204选择的一个特定方位的光的光谱和角度响应。
成像传感器302是二维传感器(包括例如光电检测器的矩阵或CCD)，并且使得能够针对选择装置的给定位置一方面在一个方向上分析取决于角度θ的光强度，另一方面在垂直方向上分析取决于波长的光强度。有利地，该传感器被布置成使得其轴对应于这两个方向。
图4a示出了包括三个透镜的傅立叶光学器件202的实施方式。通过穿过这三个透镜，各种角度的光束逐渐地被引向光轴的方向。傅立叶表面Sf1不是平面，而是旋转对称的表面。
如图4b所示的，在转动对象上生成选择一个方位的狭缝204。
图5a是傅立叶光学器件202在傅立叶表面Sf处的横向色差效应的示意性表示。
对于在对象1上以收集角θ收集的给定光束，每个波长λ聚焦在或多或少远离系统的光轴的点处。图5示出了特别地针对收集角θ1(针对三个不同波长kRθ1、kVθ1和kBθ1)的这种效应。
随着角度θ的增加，该效应通常越来越大。
可以通过校准成像传感器302上的像素/配对对应(θ,λ)来实现对这种效应，如图5b所提出的。
在优选的实施方式中，针对来自选择狭缝的每个特定方向，场透镜在光阑208上生成准准直光束。这在技术上是可能的，因为这些透镜的设计约束比分析整个傅立叶平面的常规傅立叶系统(参考文献[3]和图1)中的设计约束少。实际上，常规傅立叶系统必须是完全消色差的，其中无论波长如何，一个特定的发射方向必须聚焦在成像传感器表面上的同一点处。这在常规系统中通过借助于场透镜4和传递光学器件7校正傅立叶光学器件2的不可避免的色差来实现。
在本发明的装置中情况不是这样的。实际上，减少了傅立叶光学器件202的设计约束：所需要的仅仅是，在关注的光谱范围(通常为可见光范围)内纵向色差最小即可。实际上，在对象上收集的光束的各种光谱分量必须完全地聚焦在构成傅立叶表面的同一聚焦表面Sf1上。相比之下，如图5A和图5b所示，横向色差没有引起问题。实际上，来自对象1的相同角度的光束可以毫无困难地聚焦在傅立叶表面的不同点上。这在图5a中示意性地示出，其示出了图4a的来自三个不同入射角的红(R)、绿(V)和蓝(B)束的细节。来自对象1的表面上的相同入射角的束的位置可以不同，而不会带来很大的不便，因为附加的光谱分散能够分离出这种贡献。对于所分析的各种波长，这仅导致成像传感器上的像素/角度对应的不同校准，如图5b所示。
通过增加系统的某些元件的同时旋转装置，光谱分析可以扩展到其他方位。选择204狭缝和光分散元件210可以以旋转固定的方式来安装。因此，可以通过扫描来重建整个分析区域。实际上，如果选择狭缝204和分散元件210同时绕系统的光轴旋转，则在正确地校准所讨论的两个元件的每个位置的像素/角度和波长相关性的情况下，可以连续地实现对整个方位系列的实时光谱分析。因此，可以快速地并以高角度分辨率来实现对发射对象的整个角孔径的光谱分析。
显然，本发明不限于刚刚描述的实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下对这些实施方式进行许多修改。此外，本发明的不同特性、形式、变型和实施方式可以根据不同的组合彼此关联，只要它们并非彼此不兼容或彼此排斥即可。

Claims (5)

1.一种用于测量对象(1)的测量区域(2)的光谱发射的空间分布的系统(100)，所述系统沿所述系统的光轴相继地包括：
-第一傅立叶物镜(202)，在预定的傅立叶表面(Sf1)上形成图像，在所述预定的傅立叶表面上每个点对应于所述对象的针对一个特定波长的发射方向；
-装置(204)，用于选择由所述第一物镜形成的所述图像的与所述对象(1)的所述光谱发射的一个特定方位相对应的部分，所述选择装置具有形状取决于所述预定的傅立叶表面的选择表面；
-第二傅立叶物镜(206)，被布置在所述选择装置(204)之后，所述第二傅立叶物镜与所述第一傅立叶物镜协作以创建与所述测量区域光学共轭的图像平面；
-光阑(208)，位于该共轭平面上，使得当通过所述光阑(208)观察所述测量区域时，所述测量区域具有大致与所述方向无关的表观表面，所述第一物镜和所述第二物镜具有形成所述系统的光轴的公共光轴；以及
-光分散装置(210)，使得来自所述选择装置的光能够在所述光阑(208)上或者尽可能靠近所述光阑分散；
-第三傅立叶物镜(212)，位于所述光阑(208)之后，使得所述第一傅立叶表面(Sf1)能够成像在傅立叶平面(Sf2)上；
-成像传感器(302)，被布置在该第二傅立叶平面(Sf2)上，使得能够接收所分散的光，以及确定来自由所述选择装置(204)选择的一个特定方位的光的光谱和角度响应，
其特征在于：
-所述选择装置(210)被布置在所述预定的傅立叶表面(Sf1)上，以选择所述对象的所述光谱发射的一个特定方位，以及
-光分散装置(210)位于所述光阑(208)附近或者尽可能靠近所述光阑。
2.根据前述权利要求所述的系统，其中，所述光阑(208)具有圆形开口。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述分散装置由棱镜、透射网和棱镜的组合形成，所述分散装置被布置成在一个方向上分散光并且使所分散的光线围绕所述系统的光轴聚集，所述光阑被尽可能靠近所述透射网而结合在该装置中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括绕所述系统的光轴同时旋转所述选择装置(204)和所述光分散装置(210)的装置。
5.一种用于通过系统(100)测量对象(1)的测量区域(2)的光谱发射的空间分布的方法，所述方法沿所述系统的光轴相继地包括：
-第一傅立叶物镜(202)，在预定的傅立叶表面(Sf1)上形成图像，在所述预定的傅立叶表面上每个点对应于所述对象的针对一个特定波长的发射方向；
-装置(204)，用于选择由所述第一物镜形成的图像的一部分，所述选择装置具有形状取决于所述预定的傅立叶表面的选择表面；
-第二物镜(206)，被布置在所述选择装置之后，所述第二物镜与所述第一傅立叶物镜协作以创建与所述测量区域光学共轭的图像平面，
-光阑(208)，位于该共轭平面上，使得当通过所述光阑(208)观察所述测量区域时，所述测量区域具有大致与所述方向无关的表观表面，所述第一物镜和所述第二物镜具有形成所述系统的光轴的公共光轴；
-光分散装置(210)，位于所述光阑(208)附近，并且使得能够分散来自所述选择装置的光；
-第三傅立叶物镜(212)，位于所述光阑(208)之后，使得所述第一傅立叶表面(Sf1)能够成像在傅立叶平面(Sf2)上；
-成像传感器(302)，被布置在该第二傅立叶平面(Sf2)上，使得能够接收所分散的光，以及确定来自由所述选择装置(204)选择的一个特定方位的光的光谱和角度响应，
其特征在于：
-所述选择装置(210)被布置在所述预定的傅立叶表面(Sf1)上，以选择所述对象的所述光谱发射的特定方位，以及
-所述光分散装置(210)位于所述光阑(208)附近或者尽可能靠近所述光阑。
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