基于成像式照度探測(cè)的光源光強(qiáng)分布測(cè)量

唐翠榮，劉軍，王珊珊，左勇，武文彬

（1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所長(zhǎng)度研究室，北京100095；2.北京理工大學(xué)，北京100081）

基于成像式照度探測(cè)的光源光強(qiáng)分布測(cè)量

唐翠榮1，劉軍1，王珊珊2，左勇1，武文彬1

（1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所長(zhǎng)度研究室，北京100095；2.北京理工大學(xué)，北京100081）

基于成像式照度探測(cè)的光源光強(qiáng)空間分布特性測(cè)量方法以其量值準(zhǔn)確、大幅消除背景光干擾等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。本文根據(jù)成像式照度探測(cè)原理設(shè)計(jì)了一套光源光強(qiáng)空間分布特性檢測(cè)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該檢測(cè)系統(tǒng)，并總結(jié)了測(cè)量位置與光強(qiáng)空間分布測(cè)量誤差之間的關(guān)系。該系統(tǒng)具有很好的實(shí)用價(jià)值。

光強(qiáng)測(cè)量；成像式照度探測(cè)；影響因素分析

0 引言

目前光源光強(qiáng)測(cè)量多為測(cè)量與光源相距一定距離處的光照度，根據(jù)I＝EL2平方反比定律計(jì)算出光源光強(qiáng)。照度的測(cè)量方法為：將標(biāo)定過(guò)的光電探測(cè)器放置在待測(cè)的空間位置，根據(jù)需要的探測(cè)方式對(duì)準(zhǔn)光源進(jìn)行測(cè)量。該方法的測(cè)量精度普遍較低，主要原因?yàn)闆](méi)有排除空間內(nèi)雜散光的影響、光源對(duì)準(zhǔn)精度較低等。如果在暗室實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)量，又不能滿足諸如鐵路信號(hào)燈、機(jī)場(chǎng)助航燈、艦載機(jī)光學(xué)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)等大口徑、遠(yuǎn)作用距離光源的測(cè)量需求。為了解決這一問(wèn)題，本文基于成像式照度探測(cè)的光源光強(qiáng)測(cè)量理論，設(shè)計(jì)了一套光源光強(qiáng)空間分布的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了其測(cè)量精度和對(duì)空間內(nèi)雜散光的消除能力，并得出了測(cè)量位置與測(cè)量精度之間的關(guān)系。

1 檢測(cè)原理與系統(tǒng)

1.1 成像式照度探測(cè)原理

國(guó)內(nèi)外測(cè)試空間光強(qiáng)分布較常用的方法是：在空間布置多個(gè)光探測(cè)器，根據(jù)被測(cè)燈具的形狀將探測(cè)器擺放成球面或柱面的形狀，利用多路采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［1］。其光度探測(cè)單元根據(jù)所需的探測(cè)方式對(duì)準(zhǔn)光源進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)被測(cè)光源為大口徑、大發(fā)光角度并且需要遠(yuǎn)距離應(yīng)用的光源類型時(shí)，該方法存在的主要問(wèn)題為測(cè)試空間內(nèi)雜光的抑制率較低和探測(cè)器無(wú)法精確按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)準(zhǔn)被測(cè)光源，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果精度降級(jí)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)一步提高光強(qiáng)測(cè)量精度，可采用成像式照度探測(cè)光強(qiáng)測(cè)量方法。

成像式照度測(cè)量原理圖如圖1所示。其與普通測(cè)量的主要區(qū)別是在照度探頭前加裝了成像透鏡，從而使以規(guī)定方式進(jìn)入成像透鏡的光通量能夠聚焦到照度探頭。

成像式照度探測(cè)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)［2］：

1）提高到達(dá)照度探頭的光通量 （達(dá)到SA／SB倍，SA為成像透鏡的通光面積，SB為照度探頭的光敏面面積）。當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)、照度較小時(shí)，在照度探頭靈敏度一定的情況下，提高探頭捕獲的光通量，對(duì)保障測(cè)量精度有很重要的意義。

2）提高檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)雜散光的抗干擾能力。在環(huán)境較差，特別是在室外工作時(shí)，環(huán)境光的干擾是難以避免的。采用成像式照度探測(cè)結(jié)構(gòu)，只有視場(chǎng)中以特定方向傳播的光才能到達(dá)照度探頭。對(duì)于雜散光，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)表面做發(fā)黑處理和添加消雜光螺紋，其就會(huì)被吸收，可以有效地消除雜散光的干擾。

3）系統(tǒng)簡(jiǎn)化，便于使用。進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)時(shí)，需要按要求瞄準(zhǔn)待測(cè)光源。通過(guò)設(shè)計(jì)可以使測(cè)量和瞄準(zhǔn)共用一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，這樣可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)提高瞄準(zhǔn)精度，并且不用隨測(cè)量距離變化修改瞄準(zhǔn)軸，使用方便。參考光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 成像式照度探測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)探測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象選擇菲涅爾光源。菲涅爾光源以發(fā)光強(qiáng)度大、均勻性高、方向性好、作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。菲涅爾光源具有很明顯的光強(qiáng)邊界，在邊緣位置光強(qiáng)下降的很快，通過(guò)探測(cè)系統(tǒng)獲得光源中心和邊緣的光強(qiáng)測(cè)量結(jié)果與其理論值之間的對(duì)比能直觀地檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的性能。因此無(wú)論從實(shí)際應(yīng)用方面還是性能分析方面，菲涅爾光源都是較為理想的測(cè)試對(duì)象。

分布光度計(jì)一般分為5種，傳感器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)、燈具旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)、雙鏡式分布光度計(jì)、圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)和中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)等［3］。根據(jù)瞄準(zhǔn)精度和與菲涅爾光源配合使用兩方面考慮，選擇燈具旋轉(zhuǎn)式光強(qiáng)分布測(cè)量方法。

綜上設(shè)計(jì)成像式照度探測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示，主要包括分光成像模塊、圖像采集模塊、照度探測(cè)模塊。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)量菲涅爾光源光強(qiáng)空間分布、雜光衰減率，分析影響測(cè)量精度因素。實(shí)驗(yàn)方式為燈具旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)光強(qiáng)測(cè)量方式，測(cè)量步長(zhǎng)選擇為0.1°。菲涅爾燈固定放置在角度標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)平臺(tái)上，其主要參數(shù)為：承載能力：50 kg（含安裝卡具）；轉(zhuǎn)角范圍：－360°～＋360°連續(xù)；定位誤差：±2″。光源選擇口徑為20 cm的圓形發(fā)光面菲涅爾光源，采用穩(wěn)壓穩(wěn)流電源為其供電，保證發(fā)光的均勻一致性。測(cè)量距離為5 m。

2.2 光源光強(qiáng)空間分布分析

測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4中，直線為菲涅爾光源理想發(fā)光曲線，由于測(cè)量距離不是無(wú)限遠(yuǎn)，因此理想發(fā)光曲線下降邊緣斜率不為無(wú)限大。光源測(cè)量角度為光源對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器的角度。測(cè)量值為本測(cè)量系統(tǒng)輸出的數(shù)字值，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定之后轉(zhuǎn)化為照度值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)位置關(guān)系可以推算得到光源光強(qiáng)值，該系統(tǒng)輸出數(shù)字值與光源光強(qiáng)為線性關(guān)系。高次曲線為實(shí)際測(cè)量值。

由圖可知，實(shí)際測(cè)量光強(qiáng)最大值與理想值基本重合，但由于測(cè)量距離較遠(yuǎn)，在傳輸過(guò)程中，存在光能損失，所以不完全重合。在發(fā)光角度15°以上時(shí)，理想光強(qiáng)為0，由于實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，存在光的室內(nèi)不規(guī)則散射問(wèn)題，因此該范圍內(nèi)的實(shí)際測(cè)量值為室內(nèi)散射光。在下降邊緣處，實(shí)際測(cè)量曲線與理想曲線很接近，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)光源光強(qiáng)空間分布測(cè)量準(zhǔn)確。在下降邊緣測(cè)試曲線與理想曲線的相關(guān)系數(shù)為0.9626，符合國(guó)家對(duì)電光源發(fā)光強(qiáng)度所規(guī)定的檢測(cè)要求。

2.3 雜光衰減率分析

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)對(duì)比光源未照射時(shí)成像式照度探測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的照度值與該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)去掉成像系統(tǒng)之后測(cè)得的照度值，分析該系統(tǒng)對(duì)空間雜散光衰減率。

成像式照度探測(cè)系統(tǒng)讀數(shù)E1＝16 lx，直接測(cè)量讀數(shù)E2＝2205 lx。雜散光衰減率為

3 影響測(cè)量精度因素分析

3.1 光強(qiáng)測(cè)量精度與測(cè)量位置關(guān)系分析

當(dāng)前很多光源的口徑較大，在測(cè)量時(shí)不能近似為點(diǎn)光源，而作為面光源參與分析。對(duì)于發(fā)光面為圓形的菲涅爾光源，當(dāng)其發(fā)光面為朗伯體時(shí)，在距光源一定距離處測(cè)得的發(fā)光強(qiáng)度可以表示為

式中：E為照度值；l為測(cè)量距離；r為光源半徑；L0為光源距測(cè)量點(diǎn)的距離；θ為測(cè)量角度；ρ，φ為測(cè)量點(diǎn)所在位置的極坐標(biāo)。相對(duì)測(cè)量誤差ε為發(fā)光強(qiáng)度的真值減去測(cè)量值所得的差值與真值之比。當(dāng)照度計(jì)位于光源發(fā)光面中心法線上時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量相對(duì)誤差ε與相對(duì)測(cè)量距離l／r關(guān)系如圖5所示。

從圖5中可以得出，照度探頭位于光源發(fā)光面法線上時(shí)，隨著相對(duì)測(cè)量距離的增大，相對(duì)測(cè)量誤差急劇減小。在光強(qiáng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)對(duì)測(cè)量精度的要求，選擇相應(yīng)的相對(duì)測(cè)量距離。

當(dāng)照度探頭位于發(fā)光面中心法線以外時(shí)，不同相對(duì)測(cè)量距離時(shí)發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量誤差ε如表1所示。

從表1可以得出：①同一個(gè)測(cè)量方向的測(cè)量誤差ε隨相對(duì)測(cè)量距離l／r的增大迅速減??；②相對(duì)測(cè)量距離l／r相等時(shí)，測(cè)量誤差隨測(cè)量角度θ的增大而逐漸減小，即當(dāng)θ在－20°～＋20°變化時(shí)，在邊緣測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度的精度比在中心測(cè)量時(shí)高。

3.2 光強(qiáng)角度分布精度與測(cè)量位置關(guān)系分析

菲涅爾光源結(jié)構(gòu)如圖6所示，發(fā)光面位于菲涅爾透鏡焦平面，燈絲發(fā)出的光通過(guò)菲涅爾透鏡形成一束平行光，用于遠(yuǎn)距離的指示作用。由于燈絲具有一定的尺寸，燈絲邊緣發(fā)出的光通過(guò)菲涅爾透鏡后形成的光柱不與光軸平行，因此菲涅爾燈的出射光線具有一定的發(fā)散角度。

理想菲涅爾光源光強(qiáng)空間分布，當(dāng)角度大于γ／2時(shí)光強(qiáng)為0，小于γ／2時(shí)光強(qiáng)為平均分布，γ為光源發(fā)光的發(fā)散角。當(dāng)發(fā)散角γ為1°時(shí)，在不同相對(duì)距離下對(duì)菲涅爾光源進(jìn)行測(cè)量，以相對(duì)光強(qiáng)隨角度分布關(guān)系作圖，如圖7所示。圖7中，l／b為相對(duì)測(cè)量距離，b為菲涅爾透鏡的邊長(zhǎng)；Iθ／I0為相對(duì)光強(qiáng)值，Iθ表示測(cè)量角度為θ時(shí)的光強(qiáng)；I0為θ＝0時(shí)的光強(qiáng)。

從圖7中可以得出：①相對(duì)測(cè)量距離越小，中心相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量誤差越大，隨相對(duì)測(cè)量距離的增大，逐漸趨于真值；②隨著相對(duì)測(cè)量距離的增大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)度邊界越來(lái)越陡峭，也越接近真實(shí)值；③相對(duì)測(cè)量距離越大，發(fā)光面相對(duì)光強(qiáng)分布曲線越接近其上各點(diǎn)的相對(duì)光強(qiáng)分布。

圖8為光束發(fā)散角γ為10°時(shí)不同相對(duì)距離下測(cè)量得到的相對(duì)光強(qiáng)分布。比較圖7與圖8，通過(guò)分析得出：①在相對(duì)測(cè)量距離l／b一定的情況下，對(duì)于不同光束發(fā)散角的菲涅爾信號(hào)燈，其邊界相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度隨測(cè)量角度θ的變化率是相等的。也就是說(shuō)，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度分布測(cè)量誤差只與相對(duì)測(cè)量距離l／b有關(guān)，而與信號(hào)燈本身的光束發(fā)散角γ無(wú)關(guān)；②信號(hào)燈邊界發(fā)光強(qiáng)度變化曲線斜率正比于相對(duì)測(cè)量距離。如表2為不同相對(duì)測(cè)量距離下信號(hào)燈光束邊界的相對(duì)光強(qiáng)變化斜率。

其中斜率k的計(jì)算公式為

因此，要保證光源光強(qiáng)空間分布測(cè)量的準(zhǔn)確性，就需要在較大的相對(duì)距離下測(cè)量。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析成像式照度探測(cè)光強(qiáng)原理，設(shè)計(jì)了光源光強(qiáng)空間分布測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、對(duì)空間雜散光抑制率高等突出優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步分析影響光源光強(qiáng)測(cè)量精度和光源光強(qiáng)空間角度分布精度的主要因素，得出了相對(duì)測(cè)量位置與測(cè)量精度之間的關(guān)系，本文研究結(jié)果對(duì)光源光強(qiáng)空間分布的測(cè)量具有很好的實(shí)用價(jià)值。

［1］王修巖，李宗帥，喬輝.基于三自由度攜載機(jī)構(gòu)的助航燈具光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（12）：2385－2387.

［2］左勇，武文彬，徐曉波.基于成像式照度探測(cè)的菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)檢測(cè)方法研究［J］.機(jī)械工程師，2012（7）：92－94.

［3］陸小建，徐明泉，張建明，等.LED光源的光譜功率分布［J］.光學(xué)技術(shù)，2011，37（S0）：56－59.

［4］任豪，王巧彬，李康業(yè)，等.LED光源光強(qiáng)空間分布特性的快速測(cè)試［J］.光學(xué)儀器，2008，30（6）：6－9.

［5］謝菡.光源檢測(cè)相關(guān)專利簡(jiǎn)介［J］.中國(guó)照明電器，2011（3）：29－30.

［6］Ohno Y.NIST Measurement services：Photometric Calibrations［R／OL］.NIST Special Publication 250－37，1997.［2013－09－12］.http：／／www.nist.gov／calibrations／upload／sp250－37.pdf.

［7］CIE.CIE 191：2010 Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance［R／OL］.［2013－09－20］. http：／／onlinelibrary.wiley.com／doi／10.1002／col.20669／full？globalMessage＝0.

［8］鄭世鵬，郭曉亮，張磊.測(cè)試距離對(duì)LED燈具光強(qiáng)檢測(cè)精度的影響［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，24（2）：95－98.

［9］王云嶺，高建樹(shù)，王立文.助航燈光光強(qiáng)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究［J］.中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，26（4）：22－24.

M easurem ent of Lum inous Intensity Based on Im aging Illum ination Detect

TANG Cuirong1，LIU Jun1，WANG Shanshan2，ZUO Yong1，WU Wenbin1
（1.Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China；2.Beijing University of Technology，Beijing 100081，China）

In the field of space light intensitymeasurement，themethod based on imaging illumination detect hasmany outstandingmerits，such as accuratemeasurement and anti-back light interference，and it has attracted broad attention.Based on this theory，a new system for the measurement is developed.The system was tested by experiments，and conclusion wasmade on the relationship between themeasurement positions and themeasurement errors of luminous intensity.The system is of high practical values.

luminous intensitymeasurement；imaging illumination detection；influence analysis

TB92；O432.2

B

1674－5795（2014）01－0035－04

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.01.10

2013－11－14；收修改稿日期：2013－12－19

國(guó)家“十一五”技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（J052009B002）

唐翠榮 （1961－），女，工程師，從事幾何量計(jì)量與測(cè)試技術(shù)研究工作。