CN115342912A - 一种基于数字相机的光亮度精确测量装置与检测方法 - Google Patents

一种基于数字相机的光亮度精确测量装置与检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字相机的光亮度精确测量装置与检测方法，该装置包括成像光学模块、数字相机模块、图像接收模块、测距模块和数据处理模块。成像光学模块用于接收并汇聚待测目标的光能量，数字相机模块用于将光能量转化为数字灰度值图像输出，图像接收模块用于接收数字相机模块发送的数字灰度值图像并对其曝光时间和增益进行控制，测距模块用于测量待测目标和数字相机模块的距离，数据处理模块根据图像灰度值和测距数据精确计算并输出待测目标光亮度。基于该装置的检测方法可以在不同测量距离条件下，根据数字相机输出的灰度值图像获得待测目标二维光亮度的精确分布。

Description

一种基于数字相机的光亮度精确测量装置与检测方法
技术领域
本发明属于光亮度测量领域，更具体地，涉及一种基于数字相机的光 亮度精确测量装置与检测方法。
背景技术
光亮度是单位投影面积上的发光强度，可作为显示屏的重要评测指标。 采用数字相机进行面光源光亮度测量具有精度高、范围大、速度快等优势。
目前大量使用的成像法测量光亮度主要由成像光学系统、探测器和配 套的数据接收与处理模块组成。在将已知光亮度的面光源和探测器输出的 信号进行实验标定之后，通过探测器输出的信号可以获得待测目标的光亮 度。在特定的测量距离下，这种方法具有较高的测量精度。
实际上，探测器输出的信号不仅与目标的光亮度有关，而且与测量距 离和数字相机曝光时间有关，而现有的成像法并未考虑到这一点，因此在 不同的测量条件下需要重复标定，当测量距离和曝光时间改变时，精度有 待改善。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于数字相机的光 亮度精确测量装置与检测方法，旨在解决现有技术在不同的测量条件下需 要重复标定的问题，可在不同测量条件下精确测量面光源光亮度。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种数字相机光亮度精确测量 装置包括：成像光学模块、数字相机模块、图像接收模块、测距模块和数 据处理模块；
成像光学模块，用于接收待测目标的光能量信息，对待测目标成像， 将待测目标发出的光能量进行汇聚；
数字相机模块，其输入端与成像光学模块的输出端连接，用于将成像 光学模块获得的二维光能量信息转换为数字灰度值图像；数字灰度值图像 随曝光时间和增益改变；
图像接收模块，其输入端与数字相机模块的输出端连接，用于接收数 字相机模块发送的数字灰度值图像；
测距模块，用于测量待测目标和数字相机模块之间的距离；
数据处理模块，其第一输入端与图像接收模块的输出端连接，第二输 入端与测距模块的输出端连接，用于根据待测目标和数字相机模块之间的 距离以及数字灰度值图像，计算待测目标的光亮度。
进一步地，数字相机模块包括：图像传感器单元、控制单元、数据传 输单元；
图像传感器单元，用于将成像光学模块聚焦到图像传感器表面的光能 量信息转换为数字灰度值图像；
控制单元，其输入端与图像传感器单元连接，用于对图像传感器单元 提供时序控制，并接收其输出的数字灰度值图像；
数据传输单元，其输入端与控制单元连接，用于将数字灰度值图像发 送给图像接收模块。
进一步地，待测目标的光亮度为：
Figure BDA0003067406570000021
其中，LV(ry)为待测目标表面上距中心点距离为ry的点的光亮度，μy(ry') 为数字灰度值图像上距中心点距离为ry'的点的灰度值，μy.dark为无光条件下 数字相机模块输出的暗灰度值，K为数字相机模块的增益系数，η为图像传 感器单元的量子效率，A为图像传感器的单个像元面积，h为普朗克常数， λ为入射光波长，c为光速，texp为曝光时间，Km为明视觉最大光谱光视效 能，V(λ)为光谱光视效率，g0为标定系数，f为成像光学模块的焦距，F为成像光学模块的光圈数，τ为成像光学模块的透过率，X为待测目标到图像 传感器单元表面的距离。
本发明另一方面提供了一种如第一方面所述的基于数字相机的光亮度 精确装置的标定装置，包括第一方面所述的基于数字相机的光亮度精确装 置和标定模块，所述标定模块用于选取多个不同波长和光亮度的单色均匀 面光源作为标定样件，使用经计量的光亮度测量仪器测量所有标定样件的 光亮度，获得标定样件经成像光模学块成像后的数字灰度值图像，测量标 定样件经成像后距像面的距离，根据标定样件经成像后距像面的距离以及 数字灰度值图像，计算标定样件的光亮度，经计量的光亮度测量仪器测量 的光亮度进行比较获得标定系数。
本发明又一方面提供了一种如第一方面所述的基于数字相机的光亮度 精确装置的标定方法，包括以下步骤：
S11.选取多个不同波长和光亮度的单色均匀面光源作为标定样件，使用 经计量的光亮度测量仪器测量所有标定样件的光亮度；
S12.获得标定样件经成像光模学块成像后的数字灰度值图像，测量标定 样件经成像后距像面的距离；
S13.根据标定样件经成像后距像面的距离以及数字灰度值图像，计算标 定样件的光亮度，与S11中的光亮度进行比较获得标定系数。
本发明又一方面提供了一种基于数字相机的光亮度精确检测方法，包 括以下步骤：
S21.按照第二方面所述的标定方法获得标定系数；
S22.对待测目标清晰成像，并调节数字相机的曝光时间及增益，使数字 相机处于动态范围内，获得待测目标经成像后转换的数字灰度值图像，测 量待测目标经成像后距像面的距离；
S23.根据待测目标经成像后距像面的距离、数字灰度值图像以及标定系 数，计算待测目标光亮度的精确值。
进一步地，待测目标的光亮度为：
Figure BDA0003067406570000041
其中，LV(ry)为待测目标表面上距中心点距离为ry的点的光亮度，μy(ry') 为数字灰度值图像上距中心点距离为ry'的点的灰度值，μy.dark为无光条件下 数字相机输出的暗灰度值，K为数字相机的增益系数，η为数字相机的量子 效率，A为数字相机的单个像元面积，h为普朗克常数，λ为待测目标波长， c为光速，texp为曝光时间，Km为明视觉最大光谱光视效能，V(λ)为光谱光 视效率，g0为标定系数，f为成像焦距，F为光圈数，τ为透过率，X为待测 目标到像面的距离。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下 有益效果：
1、本发明提供的基于数字相机的光亮度精确测量装置与检测方法，利 用已知标定样件计算标定系数，考虑灰度值图像、测量距离和曝光时间对 待测目标光亮度的影响，无需重复标定即可在不同测量条件下直接得出待 测目标的光亮度精确值；
2、本发明提供的基于数字相机的光亮度精确测量装置，提出并分析了 光能量在数字相机成像过程中的传递，为测量方法提供了理论指导。
附图说明
图1为本发明提供的基于数字相机的光亮度精确测量装置的结构示意 图；
图2为本发明提供的标定装置示意图；
图3为本发明实施例1提供的检测方法中光学系统能量传递的示意图；
图4为本发明实施例2提供的检测方法中光学系统能量传递的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可 以相互组合。
本发明所要解决的技术问题是，提出一种基于数字相机的光亮度测量 装置，以及基于该装置的光亮度的精确检测方法，该方法可在已知测量距 离和曝光时间的情况下直接得到待测目标光亮度的精确值。
图1为本发明提供的光亮度精确测量装置的结构示意图，该光亮度测 量装置包括成像光学模块1、数字相机模块2、图像接收模块3、测距模块 4、数据处理模块5。数字相机模块2的输入端与成像光学模块1的输出端 连接，图像接收模块3的输入端与数字相机模块2的输出端连接，数据处 理模块5的第一输入端与图像接收模块3的输出端连接，第二输入端与测 距模块4的输出端连接。
进一步地，在本测量装置中，数字相机模块包括图像传感器单元6、控 制单元7、数据传输单元8。控制单元7的输入端与图像传感器单元6的输 出端连接，数据传输单元8的输入端与控制单元7的输出端链接。
本发明提供的测量装置工作原理如下：由成像光学模块1接收待测目 标发射的光能量，并将光线汇聚到数字相机模块2中的图像传感器单元6 的表面；数字相机模块2将接收到的光照度信息转换为灰度值图像信息并 通过数据传输单元输出至图像接收模块3，图像接收模块3进行灰度值图像 的接收与显示，以及对数字相机模块2的曝光时间、模拟/数字增益等参数 进行控制，并将灰度值图像发送给数据处理模块5；测距模块4对待测目标和数字相机模块2中图像传感器单元6表面的距离进行测量；数据处理模 块5通过待测目标光亮度和输出灰度值的关系计算并输出待测目标的光亮 度。
本发明提供的光亮度精确测量装置在初次运行时，需要对该装置进行 标定。图2是标定装置示意图，包括：均匀单色面光源9、本发明提出的光 亮度精确测量装置10、标定模块11、标准光亮度计12其中均匀单色面光 源9的第一输出端与本发明提出的光亮度测量装置10的输入端连接，均匀 单色面光源9的第二输出端与标准光亮度计12的输入端连接，本发明提出 的光亮度精确量装置10的输出端与标定模块11的第一输入端连接，标准 光亮度计12的输出端与标定模块11的第二输入端连接。
本发明提供的光亮度精确测量装置标定方法，具体包括如下步骤：
S1.调节均匀单色面光源波长及光亮度；
S2.调节成像光学模块对待测目标清晰成像，通过图像接收模块调节数 字相机的曝光时间及增益，使其处于动态范围内，数字相机模块获得待测 目标的灰度值图像，测距模块获得待测目标和图像传感器表面的距离；
S3.使用标准光亮度计测量均匀单色面光源的标准光亮度；
S4.将本发明提出的光亮度精确测量装置进行标定，得出标定系数；
S5.改变均匀单色面光源的光亮度及波长，重复步骤S2-S3。
在步骤S4中，由于均匀单色面光源不是严格意义上的单色光，有一定 的半带宽，图像传感器的量子效率、光学系统的透过率和光谱光视效率效 率与单色光下对应的标称值有一定区别。将此偏差视为线性定义为g0，称 为标定系数。
本发明提供的光亮度精确检测方法，具体包括如下步骤：
S1.测距模块测量待测目标距图像传感器单元表面的距离；
S2.调节成像光学模块对待测目标清晰成像；
S3.通过图像接收模块调节数字相机模块的曝光时间及增益，使其处于 动态范围内。数字相机模块获得待测目标的灰度值图像，并将其通过图像 接收模块传输至数据处理模块；
S4.数据处理模块根据待测目标光亮度和图像灰度值的关系式，以及S1 中获得的测量距离和图像接收模块设定的曝光时间计算待测目标的光亮度。
实施例1
该实施例对待测目标中心点光亮度进行测量。其中步骤S2中成像光学 模块的能量传递，即待测目标中心点光亮度到像面(图像传感器表面)的 光能量传递过程，如图3所示：
在此实施例中，包括：待测目标中心点微元dS13、入射光瞳14、出射 光瞳15、像面(图像传感器表面)上与dS对应的共轭微元dS'16。待测目 标表面中心点微元dS发出的光线进入入射光瞳，经过成像光学模块后从出 射光瞳发出，汇聚到像面上中心点dS'。其中，由dS进入入射光瞳的光通 量可表示为：
ΦV＝πdSsin2UmLV
其中，ФV为进入入射光瞳的总光通量，LV为待测目标表面中心点微元 dS的光亮度，Um为dS对入射光瞳的张角。从出射光瞳发出汇聚到像面中 心点dS'上的光照度与待测目标光亮度的关系为：
Figure BDA0003067406570000071
其中，EV为图像传感器单元表面微元dS'中心点的光照度。在此实施例 中，成像光学模块视为结构对称，且满足正弦条件，故待测目标中心点光 亮度到图像传感器表面光亮度关系为：
Figure BDA0003067406570000081
本实施例步骤S3数字相机模块中的图像传感器单元表面光照度和数据 传输单元发送给图像接收模块的灰度值图像有如下关系：
Figure BDA0003067406570000082
其中，μy为数字相机输出的灰度值，μy.dark为无光条件下数字相机输出 的暗灰度值，K为数字相机模块增益系数，η为图像传感器量子效率，A为 图像传感器的单个像元面积，h为普朗克常数，λ为入射光波长，c为光速， texp为曝光时间，Km为明视觉最大光谱光视效能，V(λ)为光谱光视效率。
进一步地，步骤S4所述待测目标中心点光亮度到图像灰度值关系满足：
Figure BDA0003067406570000083
其中，M为入射光波长相关的系数，Q在确定的光学系统和数字相机 下为常量：
Figure BDA0003067406570000084
Figure RE-GDA0003128821930000085
进一步地，步骤S4所属待测目标中心点光亮度计算式满足：
Figure BDA0003067406570000086
对于确定的测量装置，M和Q为定值，在已知测量距离X和曝光时间texp的情况下可得出待测目标中心点光亮度。
实施例2
该实施例对待测目标轴外点光亮度进行测量。其中成像光学模块建立 待测目标轴外点光亮度到像面(图像传感器单元表面)的光能量传递过程， 如图4所示：
在此实施例中，成像光学模块的光能量传递包括：待测目标表面轴外 点微元dS17、入射光瞳18、出射光瞳19、像面与dS对应的共轭微元dS'20。 对于该实施例，考虑斜入射带来的影响，步骤S2中待测目标轴外点光亮度 到图像传感器单元表面光照度有如下关系：
Figure BDA0003067406570000091
其中r为待测目标上的轴外微元dS距中心点距离，r'为其在图像传感 器单元表面对应的共轭点dS'距图像传感器中心点距离，EV'(r')为图像传感 器表面dS'的光照度，LV(r)为待测目标上的微元dS的光亮度。
本实施例步骤S4中所述，待测目标光亮度和图像灰度值有如下关系：
μy(r′y)＝g0PMQteXpLV(ry)+μy.dark
式中ry'为dS'距图像传感器中心点的像素个数，且有
Figure BDA0003067406570000092
ry为该 点对应的待测目标表面共轭点，μy(ry')为该点对于图像灰度值。其中M和Q 与实施例1相同，P为测量距离相关的系数，如下所示：
Figure BDA0003067406570000093
进一步地，步骤S4所属待测目标中心点光亮度计算式满足：
Figure BDA0003067406570000094
对于确定的测量装置，M和Q为定值，在已知测量距离X的情况下可 求得P的值，结合曝光时间texp可得出待测目标中心点光亮度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于数字相机的光亮度精确测量装置，其特征在于，包括：成像光学模块(1)、数字相机模块(2)、图像接收模块(3)、测距模块(4)和数据处理模块(5)；
成像光学模块(1)，用于接收待测目标的光能量信息；
数字相机模块(2)，其输入端与成像光学模块(1)的输出端连接，用于将成像光学模块(1)获得的二维光能量信息转换为数字灰度值图像；
图像接收模块(3)，其输入端与数字相机模块(2)的输出端连接，用于接收数字相机模块(2)发送的数字灰度值图像；
测距模块(4)，用于测量待测目标和数字相机模块(2)之间的距离；
数据处理模块(5)，其第一输入端与图像接收模块(3)的输出端连接，第二输入端与测距模块(4)的输出端连接，用于根据待测目标和数字相机模块(2)之间的距离以及数字灰度值图像，计算待测目标的光亮度。
2.如权利要求1所述的光亮度精确测量装置，其特征在于，所述数字相机模块(2)包括：图像传感器单元(6)、控制单元(7)、数据传输单元(8)；
图像传感器单元(6)，用于将成像光学模块(1)聚焦到图像传感器表面的光能量信息转换为数字灰度值图像；
控制单元(7)，其输入端与图像传感器单元(6)连接，用于对图像传感器单元(6)提供时序控制，并接收其输出的数字灰度值图像；
数据传输单元(8)，其输入端与控制单元(7)连接，用于将数字灰度值图像发送给图像接收模块(3)。
3.如权利要求2所述的光亮度精确测量装置，其特征在于，待测目标的光亮度为：
Figure FDA0003067406560000021
其中，LV(ry)为待测目标表面上距中心点距离为ry的点的光亮度，μy(ry')为数字灰度值图像上距中心点距离为ry'的点的灰度值，μy.dark为无光条件下数字相机模块输出的暗灰度值，K为数字相机模块的增益系数，η为图像传感器单元的量子效率，A为图像传感器的单个像元面积，h为普朗克常数，λ为入射光波长，c为光速，texp为曝光时间，Km为明视觉最大光谱光视效能，V(λ)为光谱光视效率，g0为标定系数，f为成像光学模块的焦距，F为成像光学模块的光圈数，τ为成像光学模块的透过率，X为待测目标到图像传感器单元表面的距离。
4.如权利要求1所述的光亮度精确测量装置，其特征在于，数字相机模块(2)获得的数字灰度值图像随曝光时间和增益改变。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的基于数字相机的光亮度精确测量装置的标定装置，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的基于数字相机的光亮度精确装置和标定模块，所述标定模块用于选取多个不同波长和光亮度的单色均匀面光源作为标定样件，使用经计量的光亮度测量仪器测量所有标定样件的光亮度，获得标定样件经成像光模学块成像后的数字灰度值图像，测量标定样件经成像后距像面的距离，根据标定样件经成像后距像面的距离以及数字灰度值图像，计算标定样件的光亮度，经计量的光亮度测量仪器测量的光亮度进行比较获得标定系数。
6.一种如权利要求1至4任一项所述的基于数字相机的光亮度精确测量装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11.选取多个不同波长和光亮度的单色均匀面光源作为标定样件，使用经计量的光亮度测量仪器测量所有标定样件的光亮度；
S12.获得标定样件经成像光模学块成像后的数字灰度值图像，测量标定样件经成像后距像面的距离；
S13.根据标定样件经成像后距像面的距离以及数字灰度值图像，计算标定样件的光亮度，与S11中的光亮度进行比较获得标定系数。
7.一种基于数字相机的光亮度精确检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S21.按照权利要求6所述的标定方法获得标定系数；
S22.获得待测目标经成像后转换的数字灰度值图像，测量待测目标经成像后距像面的距离；
S23.根据待测目标经成像后距像面的距离、数字灰度值图像以及标定系数，计算待测目标光亮度的精确值。
8.如权利要求7所述的数字相机光亮度精确检测方法，其特征在于，S22中通过数字相机将成像后的待测目标转换为数字灰度值图像。
9.如权利要求8所述的光亮度精确检测方法，其特征在于，待测目标的光亮度为：
Figure FDA0003067406560000031
其中，LV(ry)为待测目标表面上距中心点距离为ry的点的光亮度，μy(ry')为数字灰度值图像上距中心点距离为ry'的点的灰度值，μy.dark为无光条件下数字相机输出的暗灰度值，K为数字相机的增益系数，η为数字相机的量子效率，A为数字相机的单个像元面积，h为普朗克常数，λ为待测目标波长，c为光速，texp为曝光时间，Km为明视觉最大光谱光视效能，V(λ)为光谱光视效率，g0为标定系数，f为成像焦距，F为光圈数，τ为透过率，X为待测目标到像面的距离。
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