CN214951793U - 一种显微成像式彩色亮度计及校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种显微成像式彩色亮度计，包括：镜头、主机和工控机；镜头与主机之间采用标准的F卡口相连，主机与工控机之间采用标准USB数据线相连；所述镜头，由显微物镜和测试转接镜组成，测试转接镜一端采用标准RMS螺纹接口与显微物镜相连，另一端采用F卡口与主机相连，用于待测件的图像光学放大；本实用新型采用小尺寸物体光学放大技术，借鉴光学显微镜的成像原理，将显微物镜和成像亮度计的测试转接镜头进行组合，实现小尺寸物体的光学放大，使其成像在相机的焦平面上，将显微物镜进入到成像亮度计中，实现了微米量级小尺寸微区域待测目标的测试。

Description

一种显微成像式彩色亮度计及校准装置

技术领域

本实用新型属于彩色亮度计及亮度计测量领域，具体涉及一种显微成像式彩色亮度计及校准装置。

背景技术

国内很多亮度计生产厂家根据实际应用场景，对常规成像亮度计进行了改进，例如：实用新型名称“一种RVS成像亮度计量装置(ZL 2018 2 1710942.9)”，通过温度控制消除亮度计在低温或潮湿环境下镜片起雾的问题；中国建筑科学研究院提出了一种基于数码相机的图像亮度计及其测量方法(ZL 2010 1 0238438.5)，实现了成像亮度计的小型化；远方光电设计了一种变焦亮度计，(ZL 2011 1 0031822.2)，解决了手动聚焦重复性差的缺陷；上海昊量光电设备有限公司采用彩色相机作为光电转换部件(ZL 2018 2 0906775.9)，省去了分光器件，大大缩小了设备体积。以上专利是在常规成像亮度计的基础上，通过选用带色彩分析的彩色相机、改变分光方式、增加控温除湿等措施，提升成像亮度计的性能。但是，这些技术均不涉及小尺寸微区域亮度的测试，还存在很多缺点，主要包括以下几点：(1)成像亮度计要实现色彩参数测量，需要使用XYZ三色滤光片，由于相机和滤光片从不同厂家采购，导致亮度计的视觉函数曲线与理论值偏差较大，影响最终的测试结果精度。(2)OLED等像素级别亮度的测试要求成像亮度计的分辨率能够达到1μm量级，但是现有的成像亮度计仅能达到50μm，无法满足测试需求。

平视显示系统(HUD)和头盔显示系统(HMD)中应用的数字像源具有亮度动态范围大、分辨率高、像素尺寸小等特点，目前，其最小像素尺寸接近3μm，而且随着分辨率的提高，其像素尺寸将会进一步变小。市场上现有的瞄点式光谱式亮度计最小测试尺寸约为1mm，成像亮度计最小可分辨的尺寸约为50μm，均无法满足微米量级小尺寸亮度的测试需求。

彩色亮度计的测量方法主要有两种：一种是光谱光度法，利用扫描或是分光的方式得到被测物体的光谱辐射曲线，然后根据国际照明委员会(CIE)推荐的计算公式得到三刺激值XYZ，从而得到亮度和色度参数，该方法测试精度高，适合于瞄点式彩色亮度计。另一种是采用光电积分法，应用三色或四色滤光片与探测器组合，组合后的光谱响应与标准色度观察三刺激值曲线匹配，当探测器采用CCD或COMS等二维探测器时，称为成像式彩色亮度计。与本实用新型最相近的技术方案是杭州远方光电信息有限公司设计的“一种变焦亮度计ZL 2010 1 0237097.X”，该发明通过在镜头上设置与透镜组相连动变焦器，方便地改变亮度计的镜头焦距，从而调节测量视场角；还可以通过与变焦器联动的焦距测量器测量出焦距的变化，并通过电子测量控制单元计算校正系数，从而方便实现不同视场角下的精确亮度测量。该发明在常规的亮度计的基础上增加了自动变焦功能，并没有给出小尺寸微区域亮度测试的具体方案，也没有给出标准色度观察三刺激值曲线匹配的方法。现有技术存在以下缺点：(1)成像亮度计要实现色彩参数测量，需要使用XYZ三色滤光片，由于相机和滤光片从不同厂家采购，导致亮度计的视觉函数曲线与理论值偏差较大，影响最终的测试结果精度。(2)OLED等像素级别亮度的测试要求成像亮度计的分辨率能够达到1μm量级，但是现有的成像亮度计仅能达到50μm，无法满足测试需求。

实用新型内容

本实用新型提出了一种显微成像式彩色亮度计及校准装置，可以实现微米量级小尺寸亮度的测试。其中，显微镜头与测试转接镜头将小尺寸的待测件成像在光电探测器的焦平面上；光电探测器采用黑白相机，分辨率大于3000万像素；XYZ三色滤光片放置在黑白相机与测试转接镜头之间，通过滤光片轮进行切换。整套显微成像式彩色亮度计在使用之前，需要完成探测器校准、XYZ光谱匹配校准、分辨率校准、图形畸变校准以及亮度色度校准。

一种显微成像式彩色亮度计，包括：镜头、主机和工控机；镜头与主机之间采用标准的F卡口相连，主机与工控机之间采用标准USB数据线相连；所述镜头，由显微物镜和测试转接镜组成，测试转接镜一端采用标准RMS螺纹接口与显微物镜相连，另一端采用F卡口与主机相连，用于待测件的图像光学放大；所述主机，包括：机壳、底座、高分辨率黑白相机、直流步进电机、滤光片轮、中性滤光片、XYZ三色滤光片和图像采集卡；机壳设置与底座相连，将主机进行封装；机壳留有F卡口和USB接口，F卡口与所述镜头相连，USB接口与工控机相连，直流步进电机、滤光片轮、高分辨率黑白相机和图像采集卡固定在底座上，中性滤光片及XYZ三色滤光片分别安装在不同的滤光片轮上；所述主机与所述镜头匹配使用，实现微米尺寸物体的光学成像；所述工控机对所述主机获取的图像进行数据分析处理，并将结果显示出来。

优选的，所述中性滤光片有2个，透过率分别为10％和1％。

优选的，所述滤光片轮有2个，其中第一滤光片轮至少有3个安装孔，第1个孔位作为通孔，第2个孔位安装透过率为10％的中性滤光片，第3个孔位安装透过率为1％的中性滤光片，第一滤光片轮在第一直流步进电机的驱动下旋转；所述XYZ三色滤光片有3片，分别为X滤光片、Y滤光片和Z滤光片；所述第二滤光片轮至少有3个安装孔，1个孔位安装X滤光片，1个孔位安装Y滤光片，1个孔位安装Z滤光片；所述第二滤光片轮在第二直流步进电机的驱动下旋转。

优选的，所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机都配有编码器，所述第一滤光片轮和第二滤光片轮的每一个孔位对应不同的编码，通过编码识别和切换光辐射通过的孔位。

本实用新型还提供一种显微成像式彩色亮度计的校准装置，包括积分球光源和白场仪两种类型；所述积分球光源由球体和光源组成，球体内测涂有聚四氟乙烯或硫酸钡，球体一侧具有开口，用于输出光辐射；积分球光源放置在球体内部，在积分球光源和光辐射出口之间有挡板；所述的白场仪由液晶面板和背光源组成，背光源由白光LED组成，白场仪用于产生红、绿、蓝、白四种颜色。

本实用新型的基于显微镜头的成像亮度计，可以实现微米量级小尺寸亮度的测试。采用上述方案：(1)本实用新型采用小尺寸物体光学放大技术，借鉴光学显微镜的成像原理，将显微物镜和成像亮度计的测试转接镜头进行组合，实现小尺寸物体的光学放大，使其成像在相机的焦平面上，将显微物镜进入到成像亮度计中，实现了微米量级小尺寸微区域待测目标的测试。(2)XYZ三色滤光片光谱匹配技术，首选对黑白相机的光谱响应率进行测试，然后利用视觉函数曲线计算XYZ三色滤光片的光谱曲线。在滤光片加工过程中，依据计算的光谱曲线进行不断的修正，从而保证相机和XYZ三色滤光片作为一个整体时，光谱响应与视觉函数相匹配。XYZ滤光片在制作过程中，基于黑白相机的光谱响应率进行修偏，与黑白相机组合为一体的光谱响应曲线和标准色度观察三刺激值曲线匹配度高。

附图说明

图1为本实用新型的显微成像式彩色亮度计组成框图。

图2为本实用新型主机内部结构示意图。

图3为本实用新型滤光片光谱透过率校准装置示意框图。

图4为本实用新型高分辨率黑白相机光谱响应率校准装置。

图5为本实用新型图像分辨率卡示意图。

图6为本实用新型形畸变校准卡示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。但是，本实用新型可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本实用新型的一个实施例是，提供一种显微成像式彩色亮度计，包括：镜头、主机和工控机。镜头与主机之间采用标准的F卡口相连，主机与工控机之间采用标准USB数据线相连。镜头用于待测件的图像光学放大；主机与镜头匹配使用，实现微米尺寸物体的光学成像；工控机对主机获取的图像进行数据分析处理，并将结果显示出来。

镜头主要由显微物镜和测试转接镜组成，测试转接镜一端采用标准RMS螺纹接口与显微物镜相连，另一端采用F卡口与主机相连。

主机内部结构如图2所示，包括：机壳、底座、高分辨率黑白相机、直流步进电机1、直流步进电机2、滤光片轮1、滤光片轮2、中性滤光片、XYZ三色滤光片和图像采集卡。机壳与底座相连，将主机进行封装，具有保护内部结构和屏蔽杂散光的作用；机壳留有F卡口和USB接口，F卡口与镜头相连，USB接口与工控机相连。

直流步进电机1、直流步进电机2、滤光片轮1、滤光片轮2、高分辨率黑白相机和图像采集卡固定在底座上，中性滤光片安装在滤光片轮1上，XYZ三色滤光片安装在滤光片轮2上。

待测件的光辐射由F卡口进入主机后，依次通过中性滤光片、XYZ三色滤光片，最后到达高分辨率黑白相机；黑白相机将待测件的物像转换成电信号，图像采集卡将黑白相机的电信号进行数字化处理，并通过USB接口传送至工控机。

中性滤光片有2个，透过率分别为10％和1％，也可选用其他透过率的中性滤光片。

滤光片轮1至少有3个安装孔，1个孔位作为通孔(不安装任何器件)，1个孔位安装透过率为10％的中性滤光片，1个孔位安装透过率为1％的中性滤光片。滤光片轮1在直流步进电机1的驱动下旋转，当光辐射通过通孔时，光能量保持不变；当光辐射通过透过率为10％的中性滤光片时，能量将衰减为原来的10％；当光辐射通过透过率为1％的中性滤光片时，能量衰减为原来的1％。中性滤光片通过对光辐射的能量衰减，增大彩色亮度计的动态范围。

XYZ三色滤光片有3片，分别为X滤光片、Y滤光片和Z滤光片，是三种不同光谱透过率的玻璃基底滤光片，与高分辨率黑白相机的光谱响应曲线相乘，用来拟合CIE1931标准XYZ光谱三刺激值曲线。

滤光片轮2至少有3个安装孔，1个孔位安装X滤光片，1个孔位安装Y滤光片，1个孔位安装Z滤光片。滤光片轮2在直流步进电机2的驱动下旋转，当光辐射通过X滤光片时，黑白相机输出信号对应X刺激值；当光辐射通过Y滤光片时，黑白相机输出信号对应Y刺激值；当光辐射通过Z滤光片时，黑白相机输出信号对应Z刺激值。

直流步进电机1和直流步进电机2都配有编码器，滤光片轮1和滤光片轮2的每一个孔位对应不同的编码，通过编码可识别和切换光辐射通过的孔位。

彩色亮度计在制作过程中，需要对中性滤光片的光谱透过率、XYZ三色滤光片的光谱透过率、黑白相机的光谱响应率进行校准。

滤光片的光谱透过率校准装置如图3所示，适用于中性滤光片和XYZ三色滤光片，具体为：利用卤钨灯和单色仪产生单色光，利用标准探测器对不同波长的单色光的能量进行定标，然后将中性滤光片或三色滤光片置于单色光和探测器之间的光路中，保证单色光垂直入射到滤光片上。经滤光片衰减后的单色光能量与单色光本身能量的比值，即为滤光片在该波长点下的透过率。利用同样的方法，改变单色光的波长，可以得到滤光片在整个测试波长范围内的光谱透过率曲线。卤钨灯，是一种光谱范围能够覆盖380nm～780nm的宽光谱复色光源；单色仪，利用色散元件把复色光分解为准单色光；标准探测器是一种硅材料的单元探测器，具有已知的光谱响应率，且量值溯源到国家计量机构。

高分辨率黑白相机光谱响应率校准装置如图4所示，具体为：卤钨灯经过单色仪后产生单色光，利用标准探测器对不同波长的单色光的能量进行定标，然后利用高分辨率黑白相机接收经过校准的单色光，从而得到黑白相机的光谱响应曲线。

XYZ三色滤光片的光谱透过率需要修正，具体为：以CIE1931标准XYZ光谱三刺激值曲线和高分辨率黑白相机的光谱响应曲线的比值作为XYZ三色滤光片光谱曲线标准值；根据滤光片光谱透过率校准装置测试的三色滤光片光谱透过率，对三色滤光片进行打磨，通过改变滤光片的厚度改变光谱透过率曲线走势，通过多次打磨和测试，使三色滤光片的光谱透过率尽可能与标准值一致。

彩色亮度计在组装完成后，需要对整机系统进行亮度色度校准、图像分辨率校准和图形畸变校准等，才可投入使用。

彩色亮度计的亮度色度校准装置包括积分球光源和白场仪两种类型。积分球光源由球体和光源组成，球体内测涂有聚四氟乙烯或硫酸钡等对可见光高反的材料；球体一侧具有开口，用于输出光辐射；光源放置在球体内部，在光源和光辐射出口之间有挡板。所述的白场仪由液晶面板和背光源组成，背光源由白光LED组成，白场仪可产生红、绿、蓝、白四种颜色的场景。

积分球光源和白场仪在不同工作模式下具有已知的亮度色度值，在亮度色度校准过程中，高分辨率黑白相机获取标准亮度色度下对应的灰度平均值，通过校准软件得到灰度值与亮度色度之间的标定系数，并形成亮度色度校准数据包。

彩色亮度计的图像分辨率校准，主要完成高分辨率黑白相机像素尺寸与待测物体尺寸之间的对应关系，校准采用的图像分辨功率卡如图5所示。图像分辨率卡具有角度和尺寸标准值，通过校准软件得到像素尺寸与分辨率卡标准尺寸之间的标定系数，并形成分辨率校准数据包。

彩色亮度计的图形畸变包括径向畸变和切向畸变两类，而径向畸变又分为桶形畸变和枕形畸变两种，畸变校准采用的图形畸变校准卡如图6所示。图形畸变校准卡由二维的十字叉组成，相邻十字叉之间的距离是固定且已知的，利用畸变模型分析相机获取的图像与标准图像之间的映射关系，并形成图形畸变校准数据包。

亮度色度校准数据包、分辨率校准数据包和畸变校准数据包存储在高分辨率黑白相机存储卡中，在启动软件系统时可从高分辨率黑白相机存储卡中下载至上位机；若上位机已保存校准数据包，软件系统可直接从上位机加载。

本实用新型的基于显微镜头的成像亮度计，可以实现微米量级小尺寸亮度的测试。采用上述方案：(1)本实用新型采用小尺寸物体光学放大技术，借鉴光学显微镜的成像原理，将显微物镜和成像亮度计的测试转接镜头进行组合，实现小尺寸物体的光学放大，使其成像在相机的焦平面上，将显微物镜进入到成像亮度计中，实现了微米量级小尺寸微区域待测目标的测试。(2)XYZ三色滤光片光谱匹配技术，首选对黑白相机的光谱响应率进行测试，然后利用视觉函数曲线计算XYZ三色滤光片的光谱曲线。在滤光片加工过程中，依据计算的光谱曲线进行不断的修正，从而保证相机和XYZ三色滤光片作为一个整体时，光谱响应与视觉函数相匹配。XYZ滤光片在制作过程中，基于黑白相机的光谱响应率进行修偏，与黑白相机组合为一体的光谱响应曲线和标准色度观察三刺激值曲线匹配度高。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种显微成像式彩色亮度计，其特征在于，包括：镜头、主机和工控机；镜头与主机之间采用标准的F卡口相连，主机与工控机之间采用标准USB数据线相连；所述镜头，由显微物镜和测试转接镜组成，测试转接镜一端采用标准RMS螺纹接口与显微物镜相连，另一端采用F卡口与主机相连，用于待测件的图像光学放大；所述主机，包括：机壳、底座、高分辨率黑白相机、直流步进电机、滤光片轮、中性滤光片、XYZ三色滤光片和图像采集卡；机壳设置与底座相连，将主机进行封装；机壳留有F卡口和USB接口，F卡口与所述镜头相连，USB接口与工控机相连，直流步进电机、滤光片轮、高分辨率黑白相机和图像采集卡固定在底座上，中性滤光片及XYZ三色滤光片分别安装在不同的滤光片轮上；所述主机与所述镜头匹配使用，实现微米尺寸物体的光学成像；所述工控机对所述主机获取的图像进行数据分析处理，并将结果显示出来。

2.如权利要求1所述的显微成像式彩色亮度计，其特征在于，所述中性滤光片有2个，透过率分别为10％和1％。

3.如权利要求2所述的显微成像式彩色亮度计，其特征在于，所述滤光片轮有2个，其中第一滤光片轮至少有3个安装孔，第1个孔位作为通孔，第2个孔位安装透过率为10％的中性滤光片，第3个孔位安装透过率为1％的中性滤光片，第一滤光片轮在第一直流步进电机的驱动下旋转；所述XYZ三色滤光片有3片，分别为X滤光片、Y滤光片和Z滤光片；第二滤光片轮至少有3个安装孔，1个孔位安装X滤光片，1个孔位安装Y滤光片，1个孔位安装Z滤光片；所述第二滤光片轮在第二直流步进电机的驱动下旋转。

4.如权利要求3所述的显微成像式彩色亮度计，其特征在于，所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机都配有编码器，所述第一滤光片轮和第二滤光片轮的每一个孔位对应不同的编码，通过编码识别和切换光辐射通过的孔位。

5.如权利要求1所述的显微成像式彩色亮度计的校准装置，其特征在于，包括积分球光源和白场仪两种类型；所述积分球光源由球体和光源组成，球体内测涂有聚四氟乙烯或硫酸钡，球体一侧具有开口，用于输出光辐射；积分球光源放置在球体内部，在积分球光源和光辐射出口之间有挡板；所述的白场仪由液晶面板和背光源组成，背光源由白光LED组成，白场仪用于产生红、绿、蓝、白四种颜色。

Images