LED成像分布光度計(jì)的研究

姚 其 趙海天

(深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東深圳 518060)

1 引言

燈具分布光度計(jì)是一種大型的精密光學(xué)測試設(shè)備，是燈具分布光度測量中必備的重要設(shè)備。傳統(tǒng)的分布光度計(jì)主要為機(jī)械式結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械控制探頭旋轉(zhuǎn)測量整個(gè)三維空間的燈具光強(qiáng)分布。目前在發(fā)展中的這類傳統(tǒng)分布光度計(jì)主要有旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)、運(yùn)動反光鏡式分布光度計(jì)和旋轉(zhuǎn)燈具式分布光度計(jì)等幾種結(jié)構(gòu)形式。CIE127—1997對LED的光學(xué)和電學(xué)測試進(jìn)行了要求，也是采用傳統(tǒng)光度測量方法進(jìn)行LED測試的依據(jù)［1］。近年來，隨著CCD成像技術(shù)的發(fā)展與成熟，同時(shí)由于其可視化效果好，簡易方便，人們開始逐漸尋求采用成像技術(shù)來進(jìn)行光度測量，目前已有可用于基于成像技術(shù)的亮度計(jì)，輔助傳統(tǒng)類型的亮度計(jì)。而基于成像光度測量燈具光強(qiáng)分布的研究由于更加復(fù)雜，精度難以提高，目前仍處于研究階段。燈具的分布光度測量是燈具設(shè)計(jì)和照明設(shè)計(jì)中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，尤其是隨著LED等新光源和新興照明技術(shù)的發(fā)展，對燈具分布光度測量提出了新的挑戰(zhàn)。因此我們根據(jù)目前發(fā)展?fàn)顩r及需求，進(jìn)行基于成像光度法的LED光強(qiáng)分布測試的分布光度計(jì)研制。

目前國內(nèi)燈具市場產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，每年有大量新款燈具涌入市場。其實(shí)際照明效果的評估往往得不到有效評估。而目前國內(nèi)測量燈具光強(qiáng)分布采用機(jī)械式分布光度計(jì)，體積大，價(jià)格比較昂貴，只有較大照明公司或是研究所才會購置。而國內(nèi)一些生產(chǎn)光度測量儀器廠家，其產(chǎn)品性能較好，有些方面能達(dá)到國際水平，也為國內(nèi)各廠家所采用。國際上光度測量儀器廠家也非常多，而產(chǎn)品也很成熟，如德國、美國等一些國家的公司。

2005年，成像量度測量設(shè)備 ILMD(Imaging Luminance Measurement Device)就已經(jīng)引入 CIE，并且成立了一個(gè)新的TC2-59，研究ILMD的特性［2］。采用成像技術(shù)測量光環(huán)境的儀器，已經(jīng)用于一些科研實(shí)驗(yàn)以及實(shí)用中，基于成像光度原理的測量儀器，具有很大的發(fā)展空間［3］。本文研究的LED成像光度計(jì)系統(tǒng)，是一種新型的光度測量系統(tǒng)，可以簡單快速地采集燈具光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)，得出配光曲線。

2 測試原理

本文中使用成像光度學(xué)方法，解決非成像光度學(xué)問題，通過圖像處理技術(shù)，結(jié)合光度學(xué)和視覺科學(xué)，采集、計(jì)算并快速獲得燈具配光曲線。圖1為成像光度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要包括拋物面反光鏡、步進(jìn)馬達(dá)，偏振片或柔光鏡，光學(xué)鏡頭組，CCD、CMOS或數(shù)碼相機(jī)等。測量時(shí)，將待測的LED光源通過支架放置在曲面反光碗的焦點(diǎn)處。LED光源是180℃范圍發(fā)光，放置時(shí)，發(fā)光面的方向是朝向曲面反光碗的。LED發(fā)出的光經(jīng)曲面反光碗反射形成光柱，直接照射至CCD、CMOS或數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)鏡頭里，經(jīng)CCD、CMOS或數(shù)碼相機(jī)成像設(shè)備內(nèi)置程序自動測試判定，判定如果入射光光強(qiáng)過大 (設(shè)定閾值判定)，則啟動馬達(dá)將偏振片或柔光片加在光路上，并用馬達(dá)對偏振片角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果光強(qiáng)值在允許范圍內(nèi)，則在測量光路中，不需要加上偏振片或柔光片。如果采用CCD或是CMOS，需要加上V(λ)濾光鏡校正，采用數(shù)碼相機(jī)，則主要是對數(shù)碼相機(jī)相應(yīng)的像素進(jìn)行校正［4］。入射至CCD、CMOS或數(shù)碼相機(jī)的光柱在感光器件上形成光斑，CCD、CMOS或數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部的設(shè)定程序會用事先標(biāo)定好的公式對多幅光斑圖像進(jìn)行測算，推算出LED發(fā)出的光在空間分布的色度、亮度數(shù)據(jù)，LED也通過步進(jìn)馬達(dá)控制，可以完成±5℃和±10℃偏轉(zhuǎn)，從而得到不同偏轉(zhuǎn)角度的光斑，從而可以對LED中心光強(qiáng)的分布進(jìn)行修正。這些數(shù)據(jù)經(jīng)視覺參量修正后將被送往設(shè)備內(nèi)固有的軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，最后以IES格式輸出LED的配光曲線。圖2為成像采集系統(tǒng)工作原理流程圖。首先，對成像采集系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，然后采集LED發(fā)射光斑圖像，通過判斷是否超曝光范圍，從而系統(tǒng)判定是否增加偏振片或柔光鏡，等比例減弱光斑強(qiáng)度。成像采集系統(tǒng)采集到LED發(fā)射光斑后，通過軟件計(jì)算修正，得到LED配光曲線。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of structure

3 LED成像光度計(jì)結(jié)構(gòu)

LED成像光度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部分如圖3所示。光度計(jì)主要包括拋物型反射器、LED光源放置支架、半透明光斑接收屏和CCD成像設(shè)備。拋物面反射器開口和焦點(diǎn)位于同一平面，接收屏的外徑和拋物面反射器的開口外徑相同。拋物線的開口大小根據(jù)測量LED燈具改變而定，要保證被測光源相對于測試設(shè)備，體積很小，可視為點(diǎn)光源。半透明光斑接收屏的位置距離也根據(jù)測試光強(qiáng)大小進(jìn)行調(diào)整。通過這樣測量，光強(qiáng)將會有兩次衰減，一次為拋物面反射，一次為接收屏透射。

4 LED成像測試計(jì)算原理

4.1 計(jì)算原理

圖2 系統(tǒng)工作原理流程圖Fig.2 System work flowchart

圖3 LED成像光度計(jì)平面結(jié)構(gòu)Fig.3 Planar structure of LED photometric meter

假設(shè)一拋物型反射器方程為y2=2px，如圖4所示，LED任意發(fā)射的一條光線經(jīng)過l1，通過拋物反射器反射后，以l3路徑達(dá)到半透明接收屏。根據(jù)拋物線性質(zhì)，l1+l3=l2+l3=C，C是常數(shù);則根據(jù)公式 (1)，可計(jì)算得到LED出射角度，其中對于一特定拋物線，可求得角度值，如公式 (2)所示。一般測量 LED光強(qiáng)時(shí)，滿足平方反比定律［5］，E=I/d2，采用拋物型反射器的特性，LED各處發(fā)射光線到接收屏，經(jīng)過的光程為常數(shù)，因此接收屏相應(yīng)位置接收到的光度量值與LED光強(qiáng)成線性關(guān)系。

圖4 光路計(jì)算示例Fig.4 Optical path calculation example

如果使LED在垂直方向有一個(gè)5℃的變化，計(jì)算方法相同，最終計(jì)算出的角度偏離5℃，而相應(yīng)的光強(qiáng)值位置也會相應(yīng)變化，原來0℃方向的光強(qiáng)值，將會出現(xiàn)在5℃位置。如此處理，可以解決兩個(gè)問題，一是LED本身遮擋住0℃方向的光強(qiáng)，通過偏轉(zhuǎn)角度，可以得到使光強(qiáng)值在新的角度出現(xiàn)，修正這一角度光強(qiáng);二是通過偏轉(zhuǎn)角度，可以得到多幅光強(qiáng)分布圖像，從而可以對整體光強(qiáng)分布進(jìn)行修正。

對于光強(qiáng)，要計(jì)算進(jìn)拋物面反射率和接收屏透射率。如果光源光強(qiáng)值超過CCD測試范圍，則接收屏前加逐級加多片柔光鏡，透射率為 (ρo，ρ1…)，得到多級測試光斑，從而可比較精確地得到整體光強(qiáng)分布值。

4.2 軟件模擬示例

采用照度模擬軟件，可獲得模擬光斑圖像，如圖5所示。設(shè)定p取值為10cm，接收屏距拋物面反射器距離80cm，計(jì)算可得配光曲線如圖6所示。

4.3 實(shí)拍光斑測試示例

圖5 模擬光斑圖像Fig.5 Simulated spot images

圖6 模擬配光曲線 (極坐標(biāo))Fig.6 Simulated photometric curve(polar coordinate)

通過在實(shí)驗(yàn)室里搭建測試平臺，采用朗伯型LED光源進(jìn)行測試，實(shí)際拍攝LED光斑圖像如圖7所示。其參數(shù)設(shè)置p取值為10cm，接收屏距拋物面反射器距離80cm。經(jīng)過計(jì)算可得到LED配光曲線，如圖8所示。

圖7 實(shí)際拍攝光斑圖像Fig.7 Actual photographed spot image

5 小結(jié)

圖8 模擬配光曲線 (極坐標(biāo))Fig.8 Simulated photometric curve(polar coordinate)

本文介紹并探討了一種新型的基于成像方法的測試光度計(jì)，并且對其進(jìn)行了研究，對于具有半面發(fā)光特點(diǎn)的LED光度測試，給出了一種解決方案。目前測試的結(jié)果，比較吻合實(shí)際LED的配光曲線，具有可行性，但是精確度不夠，仍然需要通過進(jìn)一步控制儀器精度，以及通過包括光斑圖像校正，多級光斑圖像處理等手段，來改善其精確度。文中主要探討并研究了這種測試光度計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)過程，沒有對其精度的控制進(jìn)行討論。

［1］CIE127-1997:MEASUREMENT of LEDs．

［2］Rossi，M．，D．Gadia，D．Marini，and A．Rizzi．Towards Image-Based Measurement of Perceived Lightness applied to Paintings Lighting．The 6th International Symposium on Virtual Reality，Archaeology and Cultural Heritage VAST，2005．

［3］Marc Fontoynont，Dominique Dumortier，Bruno Coutelier．CORRELATION OF LIGHTING QUALITY DESCRIPTORS WITH SEMANTIC CHARACTERIZATION OF LUMINOUS SCENES．Pp．Pages in 26TH SESSION OF THE CIE．BEIJING，2007．

［4］樸大植，呂亮，姜曉梅，趙志丹．發(fā)光二極管_LED_國家光度標(biāo)準(zhǔn)的研究．現(xiàn)代計(jì)量測試，2002:18～21．

［5］鮑超．發(fā)光二極管測試技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)．物理學(xué)和高新技術(shù)，2003(32):319～324．

［6］魏建中．CCD成像型寬量程亮度計(jì)系統(tǒng)研究．光學(xué)技術(shù)，1999:88～91．

［7］梁鳳薇．LED光色度測試中存在的問題探討．光學(xué)儀器，2005(27):3～7．

［8］任豪，王巧彬，李康業(yè)．LED光源光強(qiáng)空間分布特性的快速測試．光學(xué)儀器，2008(30):6～9．

［9］袁景玉，沈天行．一種基于投光燈的配光特性圖象表示法．中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2002:776～779．

［10］馬忠山．照明設(shè)計(jì)中燈具配光曲線的利用．中國科技信息，2007．