基于CA2000的近場光度測試系統(tǒng)

楊 繼 乾，　張 競 輝，　劉 　 倩，　曹 　 帆，　鄒 念 育

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連　116034 )

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基于CA2000的近場光度測試系統(tǒng)

楊 繼 乾，張 競 輝，劉 倩，曹 帆，鄒 念 育

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連116034 )

摘要:為了更好地描述光源的光度學(xué)特性，基于二維成像亮度計CA2000搭建了近場測試系統(tǒng)，以虛擬儀器的方式實現(xiàn)設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集。對一款燈具進行了近場測量實驗，驗證了近場測試系統(tǒng)符合設(shè)計目標(biāo)。對近場數(shù)據(jù)處理使用虛擬平面光源模型，獲得光源的亮度空間分布信息。由亮度分布獲得了燈具的遠(yuǎn)場光強分布，并將其與遠(yuǎn)場條件下測量得到的光強分布進行比較，光強分布的匹配指數(shù)達到97.85%。

關(guān)鍵詞:近場光度學(xué)；光強分布；分布光度計；亮度

0引言

隨著人們對照明質(zhì)量的要求逐漸提高，光源光度學(xué)特性的描述需要越來越精確詳細(xì)。光度分布測量是用于描述光源光度學(xué)特性的主要方式。光度分布的測量方法有遠(yuǎn)場測量和近場測量兩種。遠(yuǎn)場測量使用單一的光度探頭作為測光儀器，光強的獲得基于距離平方反比定律[1-5]，使用距離平方反比定律要求光源與探測器之間的距離必須足夠遠(yuǎn)，一般為光源最大尺寸的5倍，即遠(yuǎn)場條件[6-8]。但當(dāng)待測燈具為大型的管燈時，遠(yuǎn)場條件不易滿足。另一方面，LED燈具的應(yīng)用越來越廣泛，但由于LED芯片的結(jié)構(gòu)、封裝形式和一次光學(xué)器件的影響，其出光特性會大大偏離理想的點光源或均勻的面光源[9-11]，實際應(yīng)用場合也往往不滿足遠(yuǎn)場條件。這時遠(yuǎn)場測量獲得的數(shù)據(jù)在實際應(yīng)用中就存在著較多的局限性[12-13]。

20世紀(jì)90年代，近場光度學(xué)開始被用于光強分布的測量[14-15]，不同于遠(yuǎn)場測量，近場測量采用的是成像亮度計測量光源所有方向上的亮度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理得到光源上所有點全空間方向的亮度分布[16-17]，也可以由亮度分布計算得到光強分布[16]。與遠(yuǎn)場測量相比，近場測量具有以下優(yōu)勢：首先，近場測量能得到光源輻射的光線的起點和方向，這些信息可用于生成光線集文件，進而用于現(xiàn)代燈具設(shè)計[18]；其次，光源與成像亮度計之間的距離不再受限制，可以減少實驗所需的空間[18-19]；此外，近場測量不僅能得到遠(yuǎn)場測量獲得的光度學(xué)量如光強分布和總光通量，還能得到近場相關(guān)的光度學(xué)量如亮度分布和近場照度等信息。

常見的近場測量設(shè)備中成像亮度計和轉(zhuǎn)臺一般有相對固定的距離，在測量對象的尺寸和測量精度上，使近場測量存在一定的局限性。本文中搭建的近場測量系統(tǒng)，成像亮度計的位置可以靈活調(diào)節(jié)，采用的虛擬平面光源模型適用于近場數(shù)據(jù)的處理。

1近場測量分析

近場測量采用近場分布光度計，主要由旋轉(zhuǎn)軸相互垂直的轉(zhuǎn)臺和成像亮度計組成。測量時，成像亮度計固定不動，且對準(zhǔn)燈具發(fā)光中心，燈具安裝在轉(zhuǎn)臺上分別繞兩轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，使成像亮度計測量到燈具所有方向上的亮度數(shù)據(jù)。

為記錄每個亮度數(shù)據(jù)對應(yīng)光線的起點和方向，建立實驗室坐標(biāo)系XYZ和燈具坐標(biāo)系X′Y′Z′，兩坐標(biāo)系均為右手笛卡爾坐標(biāo)系，如圖1所示。初始時兩坐標(biāo)系重合，以兩轉(zhuǎn)軸交點為原點，X和X′軸正方向豎直向上，Z和Z′軸正方向指向成像亮度計。

(1)

(2)

(3)

轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)臺的豎直軸沿實驗室坐標(biāo)系的X軸正方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度記為α，轉(zhuǎn)臺的水平軸沿?zé)艟咦鴺?biāo)系的Z′軸正方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度記為β。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，實驗室坐標(biāo)系始終不動，燈具坐標(biāo)系隨兩轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。由坐標(biāo)系變換關(guān)系式(1)(2)(3)可計算出實驗室坐標(biāo)系下的光線方向向量(x,y,z)在轉(zhuǎn)動后的燈具坐標(biāo)系下的光線方向向量為(x′,y′,z′)。在燈具坐標(biāo)系下，將其轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)表示形式為(θ,φ)，θ為光線與燈具坐標(biāo)系中Z′軸正方向的夾角，φ為光線在燈具坐標(biāo)系中X′Y′平面上的投影沿順時針方向到X′軸正方向的角度。

實際燈具的實體發(fā)光面千差萬別，但可以將待測燈具簡化為實驗室坐標(biāo)系中XY平面上的一個由點光源陣列組成的虛擬平面光源模型，如圖2所示。虛擬平面光源位于焦平面處，實際上，分布在平面光源前面或后面的實體發(fā)光點發(fā)出的光線也會被記錄。但這些位置處的記錄會有或多或少的虛化。虛化的影響是同一個實體發(fā)光點可能投射在不同的像素上，同一個像素也可能接受不同實體發(fā)光點發(fā)射的光線。這些影響可以視為“平均化”，所以虛化的影響可以忽略，因此將光源簡化為虛擬平面光源是合理的。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，虛擬平面光源整體不動，點光源隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。CCD陣面中每個像素點得到一個亮度值，根據(jù)物像共軛關(guān)系可求出像素(i,j)對應(yīng)的點光源在實驗室坐標(biāo)系中的位置(x,y)以及對應(yīng)光線方向矢量(-x,-y,z)。由坐標(biāo)系變換關(guān)系式(1)(2)(3)得到其在轉(zhuǎn)動后的燈具坐標(biāo)系下的方向(x′,y′,z′)，并轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)形式(θ,φ)，從而得到了虛擬平面光源上所有點光源的亮度分布L(x,y,θ,φ)。并可以由此獲得遠(yuǎn)場光強分布。

圖1　實驗室坐標(biāo)系和燈具坐標(biāo)系

圖2　平面光源模型

(4)

如式(4)所示，I為燈具任意方向的光強，S為虛擬平面光源的面積。

(5)

為比較近場測量和遠(yuǎn)場測量得到的光強分布的匹配程度，采用文獻[20]中Bergen提出的匹配指數(shù)(公式(5))可以計算出匹配指數(shù)fluminaire,fit。式(5)中，I1(θ,φ)為遠(yuǎn)場測量結(jié)果，I2(θ,φ)為近場數(shù)據(jù)推導(dǎo)結(jié)果。

(6)

當(dāng)φ取某一固定值，得到式(6)，用于比較某一φ角度下，遠(yuǎn)場測量和近場測量得到的光強值隨θ變化曲線的匹配指數(shù)。

2實驗

2.1實驗設(shè)備搭建

搭建的近場測量平臺示意圖如圖3所示，主要由轉(zhuǎn)臺、成像亮度計和計算機組成。為保證轉(zhuǎn)動過程中成像亮度計始終對準(zhǔn)光源發(fā)光中心，成像亮度計的高度和鏡頭指向均經(jīng)過激光束校正。圖3中的近場測試平臺設(shè)備組成靈活，成像亮度計和光源之間的距離可根據(jù)燈具大小調(diào)節(jié)，使得測量設(shè)備既可以測量小型LED燈具，也適用于大型燈具的近場測量。

圖3　搭建的近場測量平臺示意圖

為實現(xiàn)實驗平臺中兩部分儀器的協(xié)同工作，以LabVIEW編寫了儀器控制軟件，軟件流程圖如圖4所示。實驗時兩臺儀器連接到同一臺電腦上，之后開始測量并保存數(shù)據(jù)，豎直軸每轉(zhuǎn)動一個步長，水平軸轉(zhuǎn)動一周。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到一個角度，成像亮度計即完成一次測量并保存測量數(shù)據(jù)。當(dāng)豎直軸完成180°轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)就獲得了燈具所有方向上的亮度數(shù)據(jù)。

圖4　測試系統(tǒng)控制軟件流程圖

2.2近場和遠(yuǎn)場測量

為驗證近場測量系統(tǒng)工作的有效性，待測燈具需要在所有方向上都有一定的光度輻射。實驗中對三雄極光生產(chǎn)的電子節(jié)能燈開展測量。實驗在暗室中進行，測量時，成像亮度計對準(zhǔn)燈具發(fā)光中心，成像亮度計像素分辨率選用980×980。燈具繞豎直軸轉(zhuǎn)動范圍為0°～180°，繞水平軸轉(zhuǎn)動范圍為0°～360°，轉(zhuǎn)動步長為2°。共測量燈具16 471 個不同方向上的亮度數(shù)據(jù)。

近場測量完成后，采用遠(yuǎn)場測量儀器分布式光度計GMS1800對該燈具進行遠(yuǎn)場測量，測量時光度計距燈具為8.9 m。豎直軸和水平軸的轉(zhuǎn)動范圍以及轉(zhuǎn)動步長與近場測量時保持一致。

3實驗結(jié)果與分析

采用搭建的近場測量設(shè)備完成測量后，得到燈具所有方向上的亮度圖片。圖5為豎直軸轉(zhuǎn)動角度α為0°、60°、90°和174°，水平軸轉(zhuǎn)動角β為0°時，測量得到的燈具的亮度圖片。從圖中可以看出隨著豎直軸轉(zhuǎn)動角度的增大，燈具發(fā)光面的面積先增大后減小。大于174°的數(shù)據(jù)由于轉(zhuǎn)軸的遮擋無法測量(圖5(d))。

(a) α=0°

圖5燈具的亮度圖片

Fig.5The luminance image

將燈具簡化為由點光源陣列組成的虛擬平面光源模型，根據(jù)物象共軛關(guān)系以及坐標(biāo)系變換關(guān)系式計算出虛擬平面光源模型中每個點光源亮度分布L(x,y,θ,φ)，由亮度分布可以導(dǎo)出燈具的光強分布，即配光分布。其中φ為0°和180°以及φ為90°和270°時燈具的配光曲線，如圖6(a)(c)所示。與之對比，遠(yuǎn)場條件下測到的相應(yīng)配光曲線，如圖6(b)(d)。成像亮度計的測量結(jié)果由于CCD積分時間限制，噪聲較大，但光強大小的特征與遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)一致。

為比較兩種測量方法得到的光強分布，圖7中繪制了近場測量和遠(yuǎn)場測量得到的光強分布曲線，(a)(b)(c)(d)分別是φ為0°，90°，180°和270°時兩種測量方式得到的光強值隨角度θ變化的曲線圖。從圖中可以看出兩曲線一致性較好。利用公式(6)計算出這四個角度下的近場測量和遠(yuǎn)場測量得到的光強分布曲線的匹配指數(shù)分別為98.02，97.95，97.72，98.40。事實上，所有角度的匹配指數(shù)中最小為96.91，最大為98.50。

(a) 近場φ=0°/180°

圖6由近場數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到的配光曲線(a)(c)和遠(yuǎn)場條件下測量得到的配光曲線(b)(d)

Fig.6Compareofthefluxdistributioncurveobtainedfromfar-fieldandnear-fieldmeasurements

(a) φ=0°

圖7比較近場測量和遠(yuǎn)場測量得到的光強分布

Fig.7Compareoftheluminousintensitydistributionobtainedfromfar-fieldandnear-fieldmeasurements

采用公式(5)計算得到近場測量和遠(yuǎn)場測量的光強分布的匹配指數(shù)fluminaire,fit等于97.85。

4結(jié)論

本文基于二維成像亮度計CA2000搭建了近場測試系統(tǒng)，通過將燈具簡化為虛擬平面光源模型，獲得燈具的亮度分布L(x,y,θ,φ)，由亮度分布可以推導(dǎo)出光源的光強分布。與遠(yuǎn)場測得的光強分布比較，光強分布曲線一致，光強分布的匹配指數(shù)為97.85。說明搭建的近場測試系統(tǒng)和提出的虛擬平面光源模型適用于燈具的近場光度數(shù)據(jù)的獲取和處理，獲得了準(zhǔn)確的結(jié)果。本文中的近場測量系統(tǒng)，其成像亮度計的位置可以靈活的調(diào)節(jié)，可靈活用于大型和小型燈具的近場光度測量，利用提出的平面光源模型進行數(shù)據(jù)處理不需對燈具的大小和形狀建模，就可以得到燈具的亮度分布L(x,y,θ,φ)，進而獲得光強分布和照度分布等全面的光度信息。

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Design of near-field goniophotometer based on CA2000

YANGJiqian,ZHANGJinghui,LIUQian,CAOFan,ZOUNianyu

( Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:A near-field goniophotometer was designed based on 2D luminance meter CA2000, and developed a control program to obtain 3D luminance distribution data to perform near-field goniophotometric measurement. A lamp was used to test the near-field measurement system and the result meet the design objectives. The spatial distribution of the light source luminance information of the lamp was obtained using a virtual model of the planar light source. Light intensity distribution was obtained by the luminance distribution of the far field. Compared with far-field measurements, matching index of near-field data could reach to 97.85%.

Key words:near-field photometry; luminous intensity distribution; goniophotometer; luminance

中圖分類號:O432.2

文獻標(biāo)志碼:A

作者簡介:楊繼乾(1989-)，男，碩士研究生；通信作者：張競輝(1971-)，男，副教授.

基金項目:遼寧省普通高等教育本科重點支持專業(yè)建設(shè)項目(遼教發(fā)[2012]108號)；遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(L2013213)；遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革立項項目(UPRP20140139)；大連市科技計劃項目(2014A11GX050)；大連市科技計劃(2014A11GX052).

收稿日期:2015-12-15.

文章編號:1674-1404(2016)02-0144-05