DE102020107457A1

DE102020107457A1 - Messvorrichtung zur Vermessung von optischen Strahlungsquellen und Verfahren zur Durchführung einer Vermessung

Info

Publication number: DE102020107457A1
Application number: DE102020107457.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Senft
Original assignee: Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH
Current assignee: Instrument Systems GmbH
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-23
Also published as: WO2021185973A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Vermessung einer optischen Strahlungsquelle (1), aufweisend eine die zu vermessende Strahlungsquelle haltende Tragvorrichtung (2), mindestens einen Referenzsensor (6), mindestens einen Reflektor (3), mindestens eine Kamera und mindestens eine Auswerteeinheit. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer Vermessung unter Verwendung einer solchen Messvorrichtung. Ziel der Erfindung ist es, das Streulicht solcher Messvorrichtungen weitestgehend zu reduzieren, ohne dabei den Messaufwand nennenswert zu erhöhen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass der Reflektor (3) als schmaler Reflektorstreifen (3a) ausgebildet ist, wobei der Reflektorstreifen (3a) und die Strahlungsquelle (1) beweglich zueinander angeordnet sind, derart, dass die Bewegungsrichtung quer zur Längsachse (A) des Reflektorstreifens (3a) verläuft, und dass die Kamera als Zeilenkamera (4) als Multispektralkamera oder als Hyperspektralkamera (7) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Vermessung einer optischen Strahlungsquelle, aufweisend eine die zu vermessende Strahlungsquelle haltende Tragvorrichtung, mindestens einen Referenzsensor, mindestens einen Reflektor, mindestens eine Kamera und mindestens eine Auswerteeinheit. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer Vermessung unter Verwendung einer solchen Messvorrichtung.
Die zu vermessenden Strahlungsquellen sind beispielsweise LEDs, LED-Arrays sowie Scheinwerfer und andere gerichtete Lichtquellen.
Zur Bestimmung der Lichtstärkeverteilung von optischen Strahlungsquellen, insbesondere von Fahrzeugscheinwerfern und ähnlichen Lichtquellen, werden sogenannte Fernfeld-Goniophotometer eingesetzt. Die Messsensorik, beispielsweise ein Photometer, ist in der Regel fest installiert. Als Tragvorrichtung dient ein Goniometer, das die jeweilige Strahlungsquelle in verschiedene Positionen fährt, um auf diese Weise jede Abstrahlrichtung der optischen Strahlungsquelle vermessen zu können. Das Anfahren der einzelnen Positionen macht die Vermessung sehr aufwendig und zeitintensiv. Um die Vermessung zu beschleunigen, können anstatt eines einzelnen Sensors mehrere eine Matrix bildende Sensoren verwendet werden. Hierdurch kann die Messung beschleunigt werden, allerdings ist die benötigte Hardware relativ aufwendig und kostenintensiv.
Daher ist man dazu übergegangen, Messvorrichtungen mit einem großflächigen Reflektorschirm als Reflektor und einer Kamera, sogenannte Screenphotometer, einzusetzen, um kürzere Messzeiten mit relativ niedrigem Hardwareaufwand zu erzielen. Die optische Strahlungsquelle leuchtet auf den großflächigen Reflektorschirm. Die Reflektion wird mittels einer geeigneten Kamera aufgezeichnet und vermessen. Die Kamera erfasst hierbei möglichst den gesamten Reflektorschirm. Während beim Fernfeld-Goniophotometer jede Abstrahlrichtung der optischen Strahlungsquelle einzeln angefahren werden muss, liefert das Screenphotometer die Messdaten parallel in einem Bild.
Ein Problem stellt allerdings das von dem großflächigen Reflektorschirm reflektierte Streulicht dar, welches nach weiterer Reflexion an den Raumwänden zurück auf den Reflektorschirm gelangt und speziell bei der Messung an Autoscheinwerfern mit ihren ausgeprägten Hell-Dunkel-Grenzen den messbaren Dynamikbereich stark einschränkt. Das Problem des vom Reflektorschirm zurückreflektierten Streulichts wird vor allem durch die Größe des Reflektorschirms verursacht. Dieser wird üblicherweise so groß wie möglich, meist so groß wie die Abmessungen des Lichtkanals es erlauben, gebaut, damit ein möglichst großer Raumwinkelbereich der Lichtverteilung mit einem Bild von der Kamera erfasst werden kann. Entsprechend viel Streulicht wirft der Projektionsschirm in den Raum zurück. Ein weiteres Problem stellt der aufgrund des nicht aselektiv reflektierenden Reflektorschirms nur schwierig realisierbare Spektralangleich dar.
Zur Streulichtreduktion werden bei bekannten Realisierungen eines Screenphotometers vor allem Streulichtblenden zwischen der optischen Strahlungsquelle und dem Reflektorschirm eingesetzt. Die Streulichtblenden verursachen einen zusätzlichen apparativen Aufwand. Weiterhin sind Techniken bekannt, den Streulichteinfluss rechnerisch zu kompensieren. Dazu werden vor der eigentlichen Messung mit einer speziellen Lichtquelle Korrekturwerte ermittelt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der zuvor beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Nachteile von bekannten Screenphotometern möglichst weitgehend überwunden werden.
Hierbei besteht insbesondere der Zielkonflikt zwischen einer schnellen, einer genauen und aussagekräftigen sowie einer besonders wirtschaftlichen Messung.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einer Messvorrichtung der eingangs genannten Art vor, dass der Reflektor als schmaler Reflektorstreifen ausgebildet ist, wobei der Reflektorstreifen und die Strahlungsquelle beweglich zueinander angeordnet sind, derart, dass die Bewegungsrichtung quer zur Längsachse des Reflektorstreifens verläuft, und dass die Kamera als Zeilenkamera, als Multispektralkamera oder als Hyperspektralkamera ausgebildet ist.
Durch Reduzierung des Reflektors von einem möglichst großflächigen Reflektorschirm zu einem schmalen Reflektorstreifen wird das Streulicht drastisch reduziert. Unter schmal wird ein Reflektorstreifen verstanden, dessen Längsabmessung (in Richtung der Längsachse) um mindestens das Zehnfache, vorzugsweise um mindestens das Hundertfache größer ist als dessen Querabmessung (in Richtung quer zur Längsachse). Erfindungsgemäß wird die Strahlungsquelle bei der Vermessung mittels der Trageinheit quer zum Reflektorstreifen bewegt, so dass der Lichtkegel der Strahlungsquelle quer über den Reflektorstreifen geführt wird. Der Positionsverlauf der Strahlungsquelle wird von der Tragvorrichtung an die Auswerteeinheit übermittelt. Dies wird über eine Kommunikationsschnittstelle realisiert. Die Zeilenkamera oder die Hyperspektralkamera erstellen kontinuierlich oder zeitdiskret Aufnahmen des Reflektorstreifens und übermitteln diese an die Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit synchronisiert die Aufnahmen und den Positionsverlauf der Strahlungsquelle. Anschließend werden die Aufnahmen zusammengefügt und anhand der daraus gebildeten zweidimensionalen Abbildung die Leuchtdichte- und/oder die Lichtstärkeverteilung der Strahlungsquelle ermittelt. Der Zeitaufwand der Vermessung bleibt gegenüber dem Einsatz eines großflächigen Reflektorschirms ähnlich gering.
Während Multispektralkameras 3 bis 19 Spektralkanäle zur Vermessung aufweisen, verfügen Hyperspektralkameras über 20 bis weit über 200 Spektralkanäle.
Beim Einsatz der Multispektralkamera oder der Hyperspektralkamera kann die Vermessung spektral aufgelöst werden. Hierdurch können sowohl die spektralen Reflexionseigenschaften des Reflektors herausgerechnet als auch die räumliche spektrale Strahldichteverteilung der optischen Strahlungsquelle bestimmt werden. Bei der Vermessung wird für jeden Bildpunkt ein Spektrum erfasst. Je nach notwendiger Messgenauigkeit, kann die Vermessung mit entsprechender Auflösung durch die jeweils eingesetzte Kamera angepasst werden. D.h., dass der für jeden Bildpunkt erfasste Spektralvektor sehr viele Spektralkanäle (z.B. über 100) aufweisen kann, wenn eine Hyperspektralkamera eingesetzt wird, sodass ein quasikontinuierliches Spektrum aufgezeichnet wird. Gegebenenfalls können aber auch nur acht oder sogar weniger Kanäle ausreichen. In einigen Anwendungsfällen kann sogar die Anwendung einer RGB-Kamera mit nur drei (Farb-)Kanälen für den spektralen Angleich ausreichend sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Tragvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlungsquelle quer zum Reflektorschirm zu bewegen. Bei der Beweglichkeit der Tragvorrichtung ist insbesondere darauf zu achten, dass die gesamte Lichtverteilung der optischen Strahlungsquelle im Verlauf der Bewegung auf dem Reflektorschirm abgebildet werden kann.
Besonders zweckmäßig ist es, dass die Tragvorrichtung als Goniometer ausgebildet ist. Mittels des Goniometers ist die Strahlungsquelle für die Anforderungen bei der Vermessung optimal beweglich. Die Bewegung ist in diesem Falle eine Drehung der Strahlungsquelle, wobei die Drehachse parallel zur Längsachse des Reflektorstreifens verläuft. Weiterhin kann die Tragvorrichtung dazu eingerichtet sein, die Strahlungsquelle um weitere Achsen, z.B. quer zur Längsachse des Reflektorstreifens zu rotieren, z.B. um die Lichtstärkeverteilung über einen größeren Abstrahlwinkelbereich, der insbesondere nicht durch die Abmessungen des Reflektorstreifens beschränkt ist, vermessen zu können.
Zudem ist es besonders sinnvoll, wenn die Tragvorrichtung und die Auswerteeinheit über eine Kommunikationsschnittstelle verbunden sind. Hierdurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise der Positions- bzw. Winkelverlauf der auf der Trageinheit befindlichen Strahlungsquelle während der Bewegung mit den Aufnahmen der Zeilenkamera bzw. der Hyperspektralkamera synchron isieren.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Reflektorstreifen eine (optional verschließbare) Öffnung aufweist und dass der Referenzsensor auf der der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite des Reflektorstreifens angeordnet ist. Mittels des Referenzsensors können zu geeigneten Zeitpunkten Referenzmessungen des durch die Öffnung hindurchtretenden Lichts durchgeführt werden, die bei der Aus- und Bewertung der Messdaten zur Kalibrierung dienen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: schematisch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
2: schematisch den Bewegungsablauf bei dem erfindungsgemäßen Verfahren;
3: schematisch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Vermessung einer optischen Strahlungsquelle (z.B. ein Autoscheinwerfer), die mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Die Strahlungsquelle 1 ist auf einem Goniometer 2a angeordnet, das als Tragvorrichtung 2 für die Strahlungsquelle 1 dient. Die Strahlungsquelle 1 kann mittels des Goniometers 2a rotiert werden, angedeutet durch die Doppelpfeile. Des Weiteren ist ein Reflektor 3 dargestellt, der erfindungsgemäß als schmaler Reflektorstreifen 3a ausgebildet ist. Der Reflektorstreifen 3a weist eine Längsachse A auf. Die Strahlungsquelle 1 wirft Licht auf den Reflektorstreifen 3a, angedeutet durch die Richtungspfeile, und das Licht wird vom Reflektorstreifen 3a reflektiert. Das reflektierte Licht wird von einer auf den Reflektorstreifen 3a gerichteten Zeilenkamera 4 erfasst, angedeutet durch die gestrichelten Pfeile. Die Zeilenkamera ist so ausgerichtet, dass der Reflektorstreifen 3a auf der Detektorzeile der Zeilenkamera abgebildet wird, d.h., dass sich das Abbild des Reflektorstreifens 3a in Längsrichtung A entlang der Detektorzeile erstreckt. Die Detektorzeile erfasst den Reflektorstreifen 3a möglichst vollständig, d.h. über dessen gesamte Längserstreckung. Schließlich ist auf der gegenüberliegenden Seite des Reflektorstreifens 3a ein Referenzsensor 6 angeordnet, der durch eine verschließbare Öffnung 5 im Reflektorstreifen 3a das ausgestrahlte Licht der optischen Strahlungsquelle 1 direkt misst. Die Zeilenkamera 4 verfügt zudem über eine Auswerteeinheit, die über eine geeignete Kommunikationsschnittstelle mit dem Goniometer 2a in Verbindung steht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vermessung der Strahlungsquelle 1 wird diese mithilfe des Goniometers 2a quer zur Längsachse A des Reflektorstreifens 3a bewegt, d.h. um eine parallel zur Längsachse A des Reflektorstreifens 3a verlaufende Drehachse. Die Bewegung sollte dabei so ausgelegt sein, dass über den Verlauf der Bewegung möglichst das gesamte abgestrahlte Licht der Strahlungsquelle 1 auf den Reflektorstreifen 3a trifft, so dass die gesamte Abstrahlcharakteristik zeitsequentiell abgetastet wird. Der Winkelverlauf der Strahlungsquelle 1 wird über die Kommunikationsschnittstelle vom Goniometer 2a an die Auswerteeinheit übermittelt. Die Zeilenkamera 4 erstellt fortlaufend eindimensionale Aufnahmen des Reflektorstreifens 3a. Die Aufnahmen der Zeilenkamera 4 werden mit dem Positionsverlauf der Strahlungsquelle 1 synchronisiert, so dass jeder Aufnahme eine Winkelposition der Strahlungsquelle 1 zugeordnet werden kann. Anhand dieser Daten kann die Auswerteeinheit dann aus den eindimensionalen Aufnahmen der Zeilenkamera 4 eine zweidimensionale Abbildung erstellen, in der die Lichtstärke- und oder Leuchtdichteverteilung als Funktion der Position dargestellt wird.
Über die verschließbare Öffnung 5 und den Referenzsensor 6 (z.B. ein Photometer) können zu geeigneten Zeitpunkten Referenzmessungen durchgeführt werden, indem die eigentlich verschlossene Öffnung 5 geöffnet wird. Die Referenzdaten werden ebenfalls an die Auswerteeinheit übermittelt, um auf diese Weise die Absolutwerte der über die Zeilenkamera 4 erfassten Daten zu kalibrieren.
2 zeigt schematisch die Bewegung eines Lichtkegels 1a der Strahlungsquelle 1 relativ zum Reflektorstreifen 3a. Zum Zeitpunkt t1 erfasst der Reflektorschirm 3a lediglich den äußeren rechten Rand des Lichtkegels 1a. Die Strahlungsquelle 1 wird nur mithilfe des Goniometers 2a quer zur Längsachse A des Reflektorschirms 3a nach rechts gedreht. Zum Zeitpunkt t2 erfasst der Reflektorschirm 3a die gesamte Mittelachse des Lichtkegels 1a, bis schließlich zum Zeitpunkt t3 nur noch der äußere rechte Rand des Lichtkegels erfasst wird. Insgesamt wird somit das gesamte abgestrahlte Licht der Strahlungsquelle 1 erfasst, indem der gesamte Lichtkegel 1a durch die Querbewegung einmal über den Reflektorstreifen 3a geführt wird.
3 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Anstelle der Zeilenkamera 4 aus dem ersten Ausführungsbeispiel wird nun eine Hyperspektralkamera 7 für die Aufnahmen des Reflektorstreifens 3a eingesetzt. Der Reflektorstreifen 3a ist in diesem Ausführungsbeispiel auch als schmaler Streifen ausgeführt, allerdings etwas breiter als in dem Ausführungsbeispiel aus 1. Die breitere Ausführung ist möglich, weil mittels der Aufnahmen der Hyperspektralkamera 7 verbleibende Einflüsse von Streulicht herausgerechnet werden können.
Die Hyperspektralkamera 7 erfasst für jeden Punkt des Reflektorstreifens entlang seiner Längserstreckung statt eines Strahldichtewerts mit fester spektraler Bewertung (z.B. Leuchtdichte) einen spektral aufgelösten Vektor. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird die Strahlungsquelle 1 quer zur Längsachse A des Reflektorstreifens 3a bewegt, während die Hyperspektralkamera 7 positionssynchron Aufnahmen erstellt, die anschließend zu einer zweidimensional räumlich und zusätzlich spektral aufgelösten Strahldichteverteilung zusammengesetzt werden. Durch Faltung der spektralen Strahldichteverteilung mit einer geeigneten, die spektralen Eigenschaften des Reflexionsstreifens 3a berücksichtigenden spektralen Bewertungsfunktion kann eine zweidimensional räumlich aufgelöste Leuchtdichteverteilung mit einem theoretisch beliebig genauen Spektralangleich ermittelt werden.
Es kann sowohl die nicht perfekte spektrale Aselektivität der Reflektorstreifens 3a kompensiert werden, als auch bei ausreichend hoher spektraler Auflösung der Hyperspektralkamera die V(λ,)-Bewertung (gemäß der spektral abhängigen Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges) der Leuchtdichte genauer eingehalten werden, als es mit einer Kamera-Vollfilterung bei herkömmlichen Screenphotometern möglich ist. Zum anderen können die gemessen Spektren direkt ausgewertet oder daraus beliebige andere Farbmaßzahlen berechnet werden. Somit weist der Einsatz einer Hyperspektralkamera 7 selbst bei Reflektorschirmen, wie sie in bekannten Screenphotometern eingesetzt werden, oder auch bei bekannten Goniophotometern erhebliche Vorteile auf.
Hyperspektralkameras auf Basis von bildgebenden Spektrometern werden im Allgemeinen mit einem abbildenden Transmissions- oder Reflexionsspektrometer aufgebaut, das jeweils für einen streifenförmigen Bereich des Bildes des Messobjekts die zugehörigen Spektren erzeugt.
Je nach Anwendungsfall kann anstelle der Hyperspektralkamera mit 20 oder mehr Spektralkanälen auch eine Multispektralkamera mit bis zu 19 Spektralkanälen eingesetzt werden. Die spektrale Auslösung ist bejm Einsatz der Multispektralkamera nicht so hoch wie bei einer Hyperspektralkamera, aber absolut ausreichend für den entsprechenden Anwendungsfall.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch eine sehr wirksame Reduktion des Streulichts aus. Wie oben beschrieben, benötigt die erfindungsgemäße Lösung einen Reflektorstreifen 3a mit nur einem Bruchteil der Größe von Reflektorschirmen, die bei herkömmlichen Screenphotometern verwendet werden. Versuche und Berechnungen haben gezeigt, dass das durch Mehrfachreflexion verursachte Streulicht durch den erfindungsgemäßen Ansatz überproportional stark abnimmt. Besonders für die Vermessung von Automobilscheinwerfen ist dies ein wichtiger Vorteil, denn Lichtverteilungen von Autoscheinwerfern weisen oft sehr große Kontraste auf. Bei der Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten Screenphotometern werden die dunklen Bereiche leicht vom Streulicht überstrahlt und können dann nicht mehr korrekt gemessen werden. Diese Nachteile werden durch die Erfindung überwunden.
Durch die erfindungsgemäß zusätzlich notwendige Bewegung der Strahlungsquelle 1 quer zur Längsachse A des Reflektorstreifens 3a, die parallelen Aufnahmen durch die Zeilenkamera 4 bzw. Hyperspektralkamera 7 und das anschließende Zusammenfügen der einzelnen Aufnahmen, wird zwar geringfügig mehr Zeit benötigt als bei herkömmlichen Screenphotometern, dies wird jedoch kompensiert durch die Vermeidung von Messungenauigkeiten aufgrund von Streulichtreflexionen.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungsquelle
2: Trageinrichtung
2a: Goniometer
3: Reflektor
3a: Reflektorstreifen
4: Zeilenkamera
5: Öffnung
6: Referenzsensor
7: Hyperspektralkamera

Claims

Messvorrichtung für die Vermessung einer optischen Strahlungsquelle (1), aufweisend eine die zu vermessende Strahlungsquelle (1) haltende Tragvorrichtung (2), mindestens einen Reflektor (3), mindestens eine Kamera und mindestens eine Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) als schmaler Reflektorstreifen (3a) ausgebildet ist, wobei der Reflektorstreifen (3a) und die Strahlungsquelle (1) beweglich zueinander angeordnet sind, derart, dass die Bewegungsrichtung quer zur Längsachse (A) des Reflektorstreifens (3a) verläuft, und dass die Kamera als Zeilenkamera (4), Multispektralkamera oder als Hyperspektralkamera (7) ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragvorrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Strahlungsquelle (1) quer zur Längsachse (A) des Reflektorstreifens (3a) zu bewegen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragvorrichtung (2) als Goniometer (2a) ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragvorrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Strahlungsquelle (1) um mindestens eine Drehachse zu rotieren.
Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragvorrichtung (2) und die Auswerteeinheit über eine Kommunikationsschnittstelle verbunden sind.
Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorstreifen (3a) eine Öffnung (5) aufweist und dass ein Referenzsensor (6) auf der der Strahlungsquelle (1) gegenüberliegenden Seite des Reflektorstreifens (3a) angeordnet ist.
Verfahren zur Vermessung einer optischen Strahlungsquelle (1) unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem, eine Strahlungsquelle (1) mittels der Tragvorrichtung (2) quer zum Reflektorstreifen (3a) bewegt wird, der Positionsverlauf der Strahlungsquelle (1) von der Tragvorrichtung (2) an die Auswerteeinheit übermittelt wird, die Zeilenkamera (4), die Multispektralkamera oder die Hyperspektralkamera (7) kontinuierlich oder zeitdiskret Aufnahmen des Reflektorstreifens (3a) erstellen und diese an die Auswerteeinheit übermitteln, die Aufnahmen und der Positionsverlauf der Strahlungsquelle synchronisiert werden, die Aufnahmen anschließend zu einer zweidimensionalen Abbildung zusammengefügt werden und anhand der zweidimensionalen Abbildung die Leuchtdichte- und/oder die Lichtstärkeverteilung der Strahlungsquelle (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spektralangleich durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Referenzsensors (6) Referenzmessungen durchführt werden und diese an die Auswerteeinheit übermittelt werden.