CN114136440A - 便携式逆反射光度色度联合测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
便携式逆反射光度色度联合测量方法和装置属于交通领域，装置具体包括：光源驱动器，灯杯，运算和控制模块，电源，机壳，显示模块，出光口，校准帽，三级光阑左部，二级挡板，一级光阑左部，冷却腔，光源腔，降温设备，可见光分光模块，光纤，一级光阑右部，导光柱，电控调光玻璃，三级光阑右部；本专利实现了短时间内快速测量在役道路交通标志(或道路交通标线、突起路标)的逆反射系数(或逆反射亮度系数、发光强度系数)和逆反射色品坐标。本专利具有极好的适用性，可用于各种样式的逆反射材料的逆反射系数、逆反射亮度系数、发光强度系数、逆反射色品坐标的现场测量和实验室测量。
Description
技术领域
本发明属于道路交通领域。
背景技术
道路交通标志在实际路况中对车辆起着引导、分流、警示和限制的作用，是交通安全中至关重要的工具。它的主要原理是通过反光膜对车辆灯光的逆反射实现夜间优良的可视性。对道路交通标志的逆反射系数、逆反射色品坐标的测量是保证道路交通标志质量的最后一道屏障，也是保障交通安全至关重要的一环。一般分别使用便携式逆反射标志测量仪测量道路上安装好的道路交通标志的逆反射系数，在暗室内使用15米以上的大型光学装置测量道路交通标志组成材料反光膜的逆反射色品坐标。
目前常使用便携式逆反射标志测量仪测量道路上安装好的道路交通标志的逆反射系数，也可以在暗室内使用15米以上的大型光学装置测量道路交通标志的逆反射系数。常在暗室内使用15米以上的大型光学装置测量道路交通标志组成材料反光膜的逆反射色品坐标，而无法在道路现场测量在役状态的道路交通标志的逆反射色品坐标。
(1)无法实现在道路现场测量在役状态的道路交通标志(或道路交通标线、突起路标)的逆反射色品坐标。
(2)无法同时测量在役道路交通标志(或道路交通标线、突起路标)的逆反射系数(或逆反射亮度系数、发光强度系数)和逆反射色品坐标。
(3)15米以上的大型光学装置的成本较高，一般成本在(100～200)万元。
发明内容
本发明实现测量装置小型化便携化，实现在道路现场测量在役状态的道路交通标志(或道路交通标线、突起路标)的逆反射色品坐标；实现了同时测量在役道路交通标志(或道路交通标线、突起路标)的逆反射系数(或逆反射亮度系数、发光强度系数)和逆反射色品坐标。
本专利所述联合测量装置主要由灯杯、运算和控制模块、显示模块、冷却腔、可见光分光模块、光纤、导光柱、电控调光玻璃等部分组成，硬件连接图如图1所示。
图1中，1为光源驱动器，2为灯杯，3为运算和控制模块，4为电源，5为机壳，6为显示模块，7为出光口，8为校准帽，9为三级光阑左部，10为二级挡板，11为一级光阑左部，12为冷却腔，13为光源腔，14为降温设备，15为可见光分光模块，16为光纤，17为一级光阑右部，18为导光柱，19为电控调光玻璃，20为三级光阑右部。
h1为一级光阑左部到二级挡板间的垂直距离，h2为二级挡板到三级光阑左部间的垂直距离，h3为三级光阑左部到出光口所在平面间的垂直距离。
其中在使用该装置时校准帽是紧贴机壳的，即校准帽上表面到机壳下部的距离可忽略。灯杯的设计色温一般为2856K±150K，出射光均匀性优于95％，在出光口处照度值一般不低于100lx。灯杯由光源驱动器驱动，光源驱动器安装在灯杯上部，灯杯和光源驱动器安装在光源腔内，灯杯下表面和光源腔下表面平齐。光源腔内壁和光源驱动器表面为吸光材料覆盖，在可见光波段的反射率一般不高于8％。光源腔下方是冷却腔，冷却腔上部连接光源腔，下部是开放的结构，开放的孔径记为
等于灯杯的口径。冷却腔右侧安装有降温设备，可以是风扇或半导体制冷片等，冷却腔左侧有出风口，空气在冷却腔内、即灯杯下光路垂直方向上形成一个风道，将灯杯发光时散发的热量带走，冷却腔内的热空气从冷却腔左侧排出。冷却腔下方依次设置有若干组光阑，最接近冷却腔的是一级光阑左部和一级光阑右部，一级光阑左部和一级光阑右部二者在一个平面上，一级光阑左部和一级光阑右部中间有一个孔径。一级光阑左部下方是二级挡板，一级光阑右部下方是导光柱和电控调光玻璃，导光柱和电控调光玻璃是垂直叠放的，电控调光玻璃和二级挡板处于同一个平面，二者底部到三级光阑右部的距离相同。导光柱和电控调光玻璃都是狭长的长方体。三级光阑左部、二级挡板、一级光阑左部三者的右侧处于同一竖直面内。出光口在三级光阑左部和三级光阑右部间构成的孔径下方。校准帽可安装在出光口处，尺寸大于出光口直径。校准帽内部水平嵌入了一块白色漫反射板，光谱反射率为函数pt(λ)，照度反射率为p。
电源是恒流源，可以是电池模组，也可以是AC-DC转化板或变压器模组等将外接交流电转换为直流电。电源为光源驱动器、运算和控制模块、显示模块等供电。
导光柱将透过电控调光玻璃照射到导光柱下侧的光导到光纤中。
可见光分光模块用来将通过导光柱采集、再通过光纤传输过来的光分解成单色光，分光的波长不大于2nm，并通过内部的敏感元件将光信号转化为电信息，提供给运算和控制模块。
电控调光玻璃在通断电是能够按从左到右的顺序改变透光或遮光的状态，透光率记为g。电控调光玻璃的调光单元是从左向右排列的，用以根据需要的角度调整透光区域和遮光区域，可以是通电的调光单元透光，也可以是断电的调光单元透光。设进行颜色测量时反射光应照射到电控调光玻璃和导光柱的左侧起始长度为z的区域，即进行颜色测量时电控调光玻璃从左侧起长度为z的区域为透光状态，其他区域为遮光状态。
电控调光玻璃的透光区域最右端(区域宽度为
)是距离最左侧j距离处，和对应观测角β的关系是：
运算和控制模块可以由FPGA、MCU、放大电路等组成，将可见光分光模块传输的电信号通过AD模块读入再通过查表法转换为单波长光强度，得到300nm～800nm内各个波长的辐射通量Fλ(其中λ表示对应波长值)，F为300nm～800nm内各个波长的辐射通量之和，并根据照度计算公式E＝F/S得到照度值，S为接受照射的表面面积。运算和控制模块通过如下公式计算三刺激值X、Y、Z:
式中，
m1(λ)是测样品时在波长为λ处的单波长光强度；m2(λ)是测量校准帽时在波长为λ处的单波长光强度；SA(λ)是标准A光源的相对光谱功率分布；
是CIE标准观察体色度函数；Δλ是波长间隔，不大于2nm。X是三刺激值的红原色刺激量，Y是三刺激值的绿原色刺激量，Z是三刺激值的蓝原色刺激量。
运算和控制模块通过如下公式计算逆反射色品坐标x、y：x＝X/(X+Y+Z)，y＝Y/(X+Y+Z)。x为CIExyY色度图上的横坐标，y为CIExyY色度图上的纵坐标。
运算和控制模块通过McCamy经验公式计算相关色温。
测量校准帽时照度读数为E1，测量样品时照度读数为E2，则被测样品的逆反射系数RA通过如下公式计算：RA＝pE2(h2+h3)2/(E1A)，A为光照射在样品上的面积，一般取A＝π
显示模块是触摸屏，可直接显示测量结果，并通过触摸输入形式进行设置。
当样品为道路交通标志、反光膜时，
当样品为道路交通标线时，
本专利实现了短时间内快速测量在役道路交通标志(或道路交通标线、突起路标)的逆反射系数(或逆反射亮度系数、发光强度系数)和逆反射色品坐标。本专利具有极好的适用性，可用于各种样式的逆反射材料的逆反射系数、逆反射亮度系数、发光强度系数、逆反射色品坐标的现场测量和实验室测量。本专利相比15米以上的大型光学装置，成本降低1倍以上。
附图说明
图1是本发明装置示意图。
图2是本发明方法示意图。
图3是本发明实施例流程示意图。
具体实施方式
本专利所述XX由灯杯、运算和控制模块、显示模块、冷却腔、可见光分光模块、光纤、导光柱、电控调光玻璃等部分组成。
总体技术方案实现过程如下：
(1)将校准帽安装在出光口处。
(2)将装置通电，预热5分钟，使得灯杯稳定发光。
(3)运算和控制模块控制电控调光玻璃，使得电控调光玻璃从左侧起长度为z的区域为透光状态，其他区域为遮光状态。
(4)光线从灯杯发出，依次穿过孔径
的位置到达校准帽，被校准帽反射，反射光依次穿过孔径
的位置，透过电控调光玻璃透光区域，入射到导光柱，经光纤传到可见光分光模块中，经过分光后光信号转化为电信号输入运算和控制模块。
(5)在显示模块上输入JJF 1809中规定的观测角0.2°。运算和控制模块根据接收到的电信号计算得到光谱信息，包括单波长光强度，300nm～800nm内各个波长的辐射通量Fλ(其中λ表示对应波长值)等。
(6)运算和控制模块根据McCamy经验公式计算相关色温，判断相关色温是否为2856K，如大于2856K，则逐渐降低电源输出给光源驱动器的电流值，使得相关色温下降到2856K；如小于2856K，则逐渐升高电源输出给光源驱动器的电流值，使得相关色温上升到2856K；如经过电流调整仍然无法达到2856K，则判定灯杯损坏，需更换灯杯。
(7)当相关色温为2856K时，运算和控制模块记录此时的电流值作为下次启动的默认电流值。
(8)取下校准帽。
(9)在显示模块上输入JJF 1809规定的观测角β。将装置以规定的入射角放置在样品上。使得样品和出光口的距离最近。
(10)运算和控制模块控制电控调光玻璃，使得电控调光玻璃从左侧起距离为j处的短区域(区域宽度等于
j处为区域最右端)为透光状态，其他区域为遮光状态。其中
β为JJF 1809规定的观测角。
(11)光线从灯杯发出，依次穿过孔径
的位置到达样品，被样品反射，反射光依次穿过孔径
的位置，透过电控调光玻璃透光区域，入射到导光柱，经光纤传到可见光分光模块中，经过分光后光信号转化为电信号输入运算和控制模块。
(12)运算和控制模块根据接收到的电信号计算得到光谱信息，包括单波长光强度，300nm～800nm内各个波长的辐射通量Fλ(其中λ表示对应波长值)、辐射通量之和F等。
(13)计算得到照度值和三刺激值。
(14)计算得到逆反射系数和逆反射色品坐标。
实例技术方案实现过程如下：
(1)将校准帽安装在本专利所述装置上。
(2)将装置通电预热。
(3)启动装置，自动检测灯杯相关色温是否为2856K，如不是则调整电流值直到相关色温为2856K。
(4)将装置放置在被测道路交通标志上，使得装置的出光口所在平面和道路交通标志的平面呈0°，在显示模块上输入此时的观测角β为0.2°。
(5)记录装置输出的逆反射色品坐标为结果。
(6)调整装置的出光口所在平面和道路交通标志的平面呈-4°，记录装置输出的逆反射系数为几何条件是(0.2°，-4°)时的逆反射系数。
(7)如需要测量其他几何条件下的逆反射系数，则进行如下重复操作。
(8)依次在显示模块上输入观测角β为0.5°、1°，分别记录装置输出的逆反射系数为几何条件是(0.5°，-4°)和(1°，-4°)时的逆反射系数。
(9)调整装置的出光口所在平面和道路交通标志的平面呈15°，在显示模块上依次输入观测角β为0.2°、0.5°、1°，分别记录装置输出的逆反射系数为几何条件是(0.2°，-4°)、(0.5°，-4°)和(1°，-4°)时的逆反射系数。
(10)调整装置的出光口所在平面和道路交通标志的平面呈30°，在显示模块上依次输入观测角β为0.2°、0.5°、1°，分别记录装置输出的逆反射系数为几何条件是(0.2°，-4°)、(0.5°，-4°)和(1°，-4°)时的逆反射系数。
(11)如有其他规定的入射角和观测角，则调整入射角和观测角，记录输出结果。
本专利利用了电控调光玻璃的局部透光、遮光性能实现了在规定观测角下对反射光光信号进行测量，并且反射光从出光口外入射经过发明设计的不同孔径光阑组合，保证了在便携情况下小到0.2°的观测角的精度，角度精度优于±0.002°。本专利中几个组成部分的尺寸是关联的关系。电控调光玻璃的透光区域最右端(区域宽度为
)是距离最左侧j距离处，和对应观测角β的关系是：
和灯杯的直径相同，
当样品为道路交通标志、反光膜时，
z的值应保证使得当入射光从灯杯垂直射入样品时，以同入射光呈0.2°夹角反射的反射光能够完全射入电控调光玻璃下表面，z值为(h2+h3)tan(0.2°)。
的值应保证使得当入射光从灯杯垂直射入样品时，以同入射光呈0.2°夹角反射的反射光能够完全进入机壳而不被机壳遮挡。
当样品为道路交通标线时，
z的值应保证使得当入射光从灯杯垂直射入样品时，以同入射光呈1.05°夹角反射的反射光能够完全射入电控调光玻璃下表面，z值为(h2+h3)tan(1.05°)。
的值应保证使得当入射光从灯杯垂直射入样品时，以同入射光呈1.05°夹角反射的反射光能够完全进入机壳而不被机壳遮挡。
灯杯前加入了降温设计，延长了灯杯使用寿命。根据实验室实测，使用降温设计可以延长灯杯寿命6倍。和一般在灯杯后部进行降温不同，发明在光路中垂直方向上形成一个风道，将灯杯发光时散发的热量带走，实现降温，减小了灯杯体降温对发光效率的影响。
Claims (3)
1.便携式逆反射光度色度联合测量装置，其特征在于：
具体包括：光源驱动器，灯杯，运算和控制模块，电源，机壳，显示模块，出光口，校准帽，三级光阑左部，二级挡板，一级光阑左部，冷却腔，光源腔，降温设备，可见光分光模块，光纤，一级光阑右部，导光柱，电控调光玻璃，三级光阑右部；
h1为一级光阑左部到二级挡板间的垂直距离，h2为二级挡板到三级光阑左部间的垂直距离，h3为三级光阑左部到出光口所在平面间的垂直距离；
校准帽是紧贴机壳的，灯杯的设计色温为2856K±150K，出射光均匀性优于95％，在出光口处照度值一般不低于100lx；灯杯由光源驱动器驱动，光源驱动器安装在灯杯上部，灯杯和光源驱动器安装在光源腔内，灯杯下表面和光源腔下表面平齐；光源腔内壁和光源驱动器表面为吸光材料覆盖；
光源腔下方是冷却腔，冷却腔上部连接光源腔，下部是开放的结构，开放的孔径记为
等于灯杯的口径；冷却腔右侧安装有降温设备，可以是风扇或半导体制冷片等，冷却腔左侧有出风口，空气在冷却腔内、即灯杯下光路垂直方向上形成一个风道，将灯杯发光时散发的热量带走，冷却腔内的热空气从冷却腔左侧排出；冷却腔下方依次设置有若干组光阑，最接近冷却腔的是一级光阑左部和一级光阑右部，一级光阑左部和一级光阑右部二者在一个平面上，一级光阑左部和一级光阑右部中间有一个孔径；一级光阑左部下方是二级挡板，一级光阑右部下方是导光柱和电控调光玻璃，导光柱和电控调光玻璃是垂直叠放的，电控调光玻璃和二级挡板处于同一个平面，二者底部到三级光阑右部的距离相同；导光柱和电控调光玻璃都是狭长的长方体；三级光阑左部、二级挡板、一级光阑左部三者的右侧处于同一竖直面内；出光口在三级光阑左部和三级光阑右部间构成的孔径下方；校准帽可安装在出光口处，尺寸大于出光口直径；校准帽内部水平嵌入了一块白色漫反射板；光谱反射率为函数pt(λ)，照度反射率为p；
导光柱将透过电控调光玻璃照射到导光柱下侧的光导到光纤中；
可见光分光模块用来将通过导光柱采集、再通过光纤传输过来的光分解成单色光，分光的波长不大于2nm，并通过内部的敏感元件将光信号转化为电信息，提供给运算和控制模块。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：电控调光玻璃在通断电是能够按从左到右的顺序改变透光或遮光的状态；电控调光玻璃的调光单元是从左向右排列的，用以根据需要的角度调整透光区域和遮光区域，可以是通电的调光单元透光，也可以是断电的调光单元透光；设进行颜色测量时反射光应照射到电控调光玻璃和导光柱的左侧起始长度为z的区域，即进行颜色测量时电控调光玻璃从左侧起长度为z的区域为透光状态，其他区域为遮光状态；
电控调光玻璃的透光区域最右端(区域宽度为
)是距离最左侧j距离处，和对应观测角β的关系是：
3.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于：运算和控制模块将可见光分光模块传输的电信号通过AD模块读入再通过查表法转换为单波长光强度，得到300nm～800nm内各个波长的辐射通量Fλ，其中λ表示对应波长值，F为300nm～800nm内各个波长的辐射通量之和，并根据照度计算公式E＝F/S得到照度值，S为接受照射的表面面积；运算和控制模块通过如下公式计算三刺激值X、Y、Z:
式中，
m1(λ)是测样品时在波长为λ处的单波长光强度；m2(λ)是测量校准帽时在波长为λ处的单波长光强度；SA(λ)是标准A光源的相对光谱功率分布；
是CIE标准观察体色度函数；Δλ是波长间隔，不大于2nm；X是三刺激值的红原色刺激量，Y是三刺激值的绿原色刺激量，Z是三刺激值的蓝原色刺激量；
运算和控制模块通过如下公式计算逆反射色品坐标x、y：x＝X/(X+Y+Z)，y＝Y/(X+Y+Z)；x为CIExyY色度图上的横坐标，y为CIExyY色度图上的纵坐标；
运算和控制模块通过McCamy经验公式计算相关色温；
测量校准帽时照度读数为E1，测量样品时照度读数为E2，则被测样品的逆反射系数RA通过如下公式计算：RA＝pE2(h2+h3)2/(E1A)，A为光照射在样品上的面积，
当样品为道路交通标志、反光膜时，
当样品为道路交通标线时，
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