逆反射亮度系數(shù)校準(zhǔn)裝置研制及測(cè)量誤差影響因素分析

李 奕,周秉直,趙飛虎,秦 宇,李 榮,張曉穎,賈 煜

(1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西 西安 710065;2.西安天睿軟件有限公司，陜西 西安 710065)

逆反射亮度系數(shù)校準(zhǔn)裝置研制及測(cè)量誤差影響因素分析

李 奕1,周秉直1,趙飛虎2,秦 宇1,李 榮1,張曉穎1,賈 煜1

(1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西 西安 710065;2.西安天睿軟件有限公司，陜西 西安 710065)

校準(zhǔn)裝置采用DSP為主控芯片，結(jié)合高精密傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度控制系統(tǒng)，選用分光輻射亮度計(jì)實(shí)現(xiàn)逆反射亮度系數(shù)的測(cè)量.相比于傳統(tǒng)使用弱光照度計(jì)的發(fā)光強(qiáng)度法，其具有測(cè)量精度高、對(duì)實(shí)驗(yàn)暗室雜散光環(huán)境要求低、測(cè)量距離要求短，高準(zhǔn)確度分光測(cè)色能力等優(yōu)點(diǎn)，且自動(dòng)化水平高，操作簡(jiǎn)單、測(cè)量誤差影響因素少、易處理等特點(diǎn).

逆反射亮度系數(shù)；分光輻射亮度計(jì)；影響因素；校準(zhǔn)裝置

逆反射是指反射光線沿靠近入射光的反方向返回，而且當(dāng)入射光的方向在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，仍能保持這種性質(zhì)的反射[1].逆反射也被稱為反光、回射、回歸反射、回復(fù)反射、定向反射或反向反射[2]，原文是Retro-reflection，也可以寫(xiě)成Retroreflection.Retro-reflection特指光線照射到一表面后反射回到光源方向的現(xiàn)象.具有逆反射性能的材料統(tǒng)稱為逆反射材料，其原理是在相應(yīng)的材料表面上植入一種高折射率的玻璃微珠或微棱鏡結(jié)構(gòu)，使光線按原路反射回光源處，從而形成逆反射現(xiàn)象[3].逆反射材料有反光膜、反射器、反光標(biāo)線、反光衣物等，廣泛應(yīng)用在道路交通標(biāo)志、標(biāo)線、交通工具反光標(biāo)識(shí)、特殊作業(yè)服裝、消防標(biāo)志、鐵路標(biāo)志、礦區(qū)標(biāo)志等領(lǐng)域[4]，在保證交通安全等領(lǐng)域起到了重大作用.

在民用市場(chǎng)，即輕工、礦井、鐵路、學(xué)生服裝、各類服飾、衣帽、箱包等領(lǐng)域，除工裝性質(zhì)的反光服裝外，逆反射材料在箱包、鞋帽、商標(biāo)中已經(jīng)有所應(yīng)用[5].強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 24407—2012《專用校車(chē)安全技術(shù)條件》、GB/T 28468—2012《中小學(xué)生交通安全反光校服》已經(jīng)于2012年12月1日正式實(shí)施.顯然，這一系列出行安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，為逆反射材料的民用化打下了扎實(shí)的基礎(chǔ).

1 研究現(xiàn)狀和測(cè)量原理

2011年中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)光學(xué)與激光科學(xué)研究所研制成功我國(guó)首臺(tái)逆反射系數(shù)測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)反光材料逆反射系數(shù)高準(zhǔn)確度的檢測(cè)和校準(zhǔn)，其檢測(cè)結(jié)果的不確定度為Urel=3.6%(k=2).裝置使用光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行量值溯源，測(cè)量原理為發(fā)光強(qiáng)度法(圖1).該裝置的建立為我國(guó)逆反射產(chǎn)品的質(zhì)量控制和合格評(píng)定提供了準(zhǔn)確可靠的量值溯源保證，解決了長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)對(duì)逆反射材料測(cè)量和性能評(píng)價(jià)不統(tǒng)一的問(wèn)題[6].

圖1 逆反射系數(shù)測(cè)量原理圖

國(guó)內(nèi)外也有不少公司推出商用逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x器(圖2)，采用的均是發(fā)光強(qiáng)度法.即逆反射在觀測(cè)方向的發(fā)光強(qiáng)度I(I=E×d2，E為弱光照度、d為弱光照度探頭到樣品表面的距離)除以投向逆反射體且落在垂直于入射光方向的平面內(nèi)的光照度E⊥之商，再除以逆反射面的被照面積A之商.公式為

(1)

圖2 發(fā)光強(qiáng)度法測(cè)量裝置實(shí)物圖

本研究中設(shè)計(jì)的逆反射亮度系數(shù)校準(zhǔn)裝置(圖3)采用直接亮度法，即逆反射面在觀測(cè)方向的光亮度L，除以投向逆反射體在垂直于入射光方向的平面內(nèi)的光照度E⊥之商.公式為

(2)

圖3 逆反射亮度系數(shù)校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖

對(duì)比以上兩種方法的計(jì)算公式(1)和(2)可見(jiàn)，發(fā)光強(qiáng)度法需測(cè)量弱光照度、弱光照度頭到被測(cè)樣品表面幾何中心距離、樣品表面垂直照度和有效反光面積等4個(gè)變量；亮度法僅需測(cè)量樣品表面亮度和垂直照度2個(gè)變量.少了探測(cè)器到樣品表面距離和有效反光面積兩個(gè)參數(shù)，就意味著減少了誤差來(lái)源.因此，理論上亮度法的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度，比發(fā)光強(qiáng)度法要高.

2 校準(zhǔn)裝置研制方案

2.1 光源和光度探測(cè)器

本校準(zhǔn)裝置使用OPT-2004型遠(yuǎn)距投射式A光源，使用一級(jí)顏色溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置將此光源色溫標(biāo)定為2856 K，在距離16 m處形成直徑約30 cm的光斑，所用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)照度計(jì)測(cè)量光斑的照度均勻度為95%，30 min穩(wěn)定性為1%，圖4為所用的標(biāo)準(zhǔn)A光源，主要由光源室和光準(zhǔn)直系統(tǒng)構(gòu)成，光從光源室通過(guò)光纖導(dǎo)入準(zhǔn)直系統(tǒng)入射端.

圖4 OPT-2004型遠(yuǎn)距投射式A光源

圖4中，準(zhǔn)直系統(tǒng)通過(guò)前后兩個(gè)高度可獨(dú)立調(diào)節(jié)、帶磁性的支架吸附在光學(xué)平臺(tái)上，準(zhǔn)直系統(tǒng)后端設(shè)有調(diào)焦和光度微調(diào)機(jī)構(gòu)，光源室上的旋鈕可對(duì)光源色溫進(jìn)行調(diào)整.

照度計(jì)采用德國(guó)Optronik公司的Digilux 9500型照度計(jì)(圖5)，準(zhǔn)確度等級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，分辨率為0.01 mlx，測(cè)量上限為2000 klx.

圖5 Digilux 9500型照度計(jì)

分光輻射亮度計(jì)采用日本柯尼卡美能達(dá)公司的CS2000A型分光輻射亮度計(jì)(如圖3所示)，使用反射型衍射光柵，偏振誤差小，半波寬為5 nm.亮度測(cè)量范圍為(0.01～50 000)cd/m2，準(zhǔn)確度等級(jí)為一級(jí).

2.2 角度控制方案

根據(jù)CIE逆反射定義與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，逆反射體光度性能的測(cè)試，對(duì)測(cè)試入射角和觀測(cè)角都有明確的要求.因?yàn)闇y(cè)試角度的變化直接影響測(cè)試結(jié)果，逆反射材料的特殊性使得逆反射體在不同的角度具有變化的反射率[7]，因此對(duì)角度的準(zhǔn)確度要求很高[8].本套裝置選用以DSP為主控芯片、結(jié)合高精密傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試角度的調(diào)節(jié)與控制.系統(tǒng)框圖如圖6所示.

圖6 角度控制系統(tǒng)框圖

DSP選用TI公司C2000系列DSP TMS320F2812PGFA作為微處理器，包括中斷、事件管理器模塊、SCI串行通信接口和GPIO口.DSP主要完成以下功能：控制3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；轉(zhuǎn)換上位機(jī)控制指令；與計(jì)算機(jī)信息交互而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

入射角的調(diào)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)完成操作.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).旋轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分別選用蝸輪蝸桿和交叉滾柱軸環(huán)，如圖7所示.蝸輪與蝸桿的嚙合是漸入與漸出，故沖擊載荷小，轉(zhuǎn)動(dòng)平順，負(fù)載能力較大、精度較高.交叉滾柱軸環(huán)中的滾柱與V型導(dǎo)軌面是線接觸，通常可以承受較大的軸向和徑向的負(fù)載，保證各個(gè)滾柱受力均勻，抗磨損.

圖7 旋轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿每轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)臺(tái)面旋轉(zhuǎn)2°，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°/步，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為8，所以步進(jìn)電機(jī)每走一步，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角是0.001 25°.測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，入射角的精度控制在其余角的0.5%內(nèi)，入射角最小為4°，其精度應(yīng)為0.43°.故本設(shè)計(jì)中的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滿足系統(tǒng)要求.

3 測(cè)量誤差來(lái)源分析

3.1 光源的光譜成分的影響

CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體A是由色溫為2856 K的標(biāo)準(zhǔn)光源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩者的相對(duì)光譜功率分布應(yīng)接近一致.模擬某一種標(biāo)準(zhǔn)照明體的人工光源，最根本的問(wèn)題就是復(fù)制出這種照明體的相對(duì)光譜功率分布，要把這一效果做到完全相同是非常困難的[9].

圖8所示為本校準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)投均勻A光源與標(biāo)準(zhǔn)照明體A的相對(duì)光譜功率分布曲線.

圖8 標(biāo)準(zhǔn)照明體A與遠(yuǎn)投均勻A光源相對(duì)光譜功率分布曲線

逆反射體的亮度，由光源的光譜功率分布、逆反射體的光譜反射比和光譜光視效率函數(shù)三者的乘積決定[10].不同顏色逆反射體的光譜反射率曲線差異很大.當(dāng)測(cè)量某一確定的逆反射體時(shí)，在確定的測(cè)量條件下其光譜反射率是確定的，光源光譜功率分布的變化，將影響逆反射體的亮度，亮度的變化將直接影響逆反射亮度系數(shù)的改變.如果已知某一逆反射體反射光的光譜功率分布為S(λ)，則人眼感覺(jué)它的亮度可用式(3)來(lái)計(jì)算：

(3)

式中，K=683 lm/W為調(diào)整系數(shù).逆反射體的反射光光譜可通過(guò)光譜擬合的方式得到，逆反射體的亮度可通過(guò)式(3)計(jì)算得到.將標(biāo)準(zhǔn)照明體A光譜下的計(jì)算值作為標(biāo)準(zhǔn)值與本系統(tǒng)均勻A光源下的值比較，得到逆反射亮度系數(shù)的修正因子.

3.2 對(duì)不同材料照明觀測(cè)角度的影響

逆反射材料主要有兩種結(jié)構(gòu)玻璃微珠型和微棱鏡型.逆反射材料的光譜反射率隨光線入射角的不同也不相同，一般隨入射角的增大，光譜反射率逐漸減小[11].圖9所示為高強(qiáng)級(jí)(玻璃微珠型)和鉆石級(jí)(微棱鏡型)白色逆反射材料的亮度和入射角的關(guān)系圖.

圖9 不同材料的亮度與觀測(cè)角度關(guān)系曲線

測(cè)試時(shí)照度值不變，亮度值與光譜反射率成正比.高強(qiáng)級(jí)為玻璃微珠的密封膠囊型逆反射材料，其光譜反射率隨入射角的增大先增大后減小.圖10所示為白色密封膠囊型逆反射材料示意圖.當(dāng)入射角很小時(shí)，一部分入射光線照射在玻璃珠之間的間隙內(nèi)不能形成逆反射，隨著入射角的增大，照在間隙內(nèi)的光線逐漸減少，逆反射光線增多.當(dāng)入射角增大到一定值，雖然光線照射在玻璃珠內(nèi)，但不能形成有效逆反射的入射光線增多，所以光譜反射率反而減小.

圖11為鉆石級(jí)微棱鏡型結(jié)構(gòu)，其光譜反射率隨入射角的增大不斷減小.微棱鏡型逆反射材料產(chǎn)生逆反射光線的條件是，任意方向的入射光線必須經(jīng)過(guò)微棱鏡的3個(gè)面依次反射一次，所以要得到逆反射光線，入射光線必須照射在微棱鏡的有效反射區(qū)域內(nèi).當(dāng)入射光線垂直入射時(shí)，其有效反射面積最大；隨入射角的增大，有效反射面積逐漸減小[12].所以微棱鏡型逆反射材料的光譜反射率，隨入射角的增大不斷減小.因此，必須精確的控制光源的入射角度和觀測(cè)器的觀測(cè)角度，來(lái)降低其對(duì)逆反射亮度系數(shù)測(cè)量的影響.

圖10 密封膠囊型材料示意圖

圖11 微棱鏡型材料示意圖

3.3 光度測(cè)量?jī)x器匹配誤差的影響

光度、色度測(cè)量的主要問(wèn)題是如何再現(xiàn)人眼對(duì)光譜的響應(yīng).光度測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)度應(yīng)符合視見(jiàn)函數(shù)，而光電二極管、光電倍增管等光輻射探測(cè)器的光譜響應(yīng)度與之相差甚遠(yuǎn)，因此需要進(jìn)行匹配[13].

匹配誤差是針對(duì)明視函數(shù)的光譜配置誤差.CIE逆反射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求光度測(cè)量?jī)x器的應(yīng)小于3%.本系統(tǒng)使用照度計(jì)Digilux9500光視效率函數(shù)的匹配誤差f1<2.5%，分光輻射亮度計(jì)CS2000A的光視效率函數(shù)采用分光測(cè)量形式，不存在與光視效率匹配的問(wèn)題.

3.4 實(shí)驗(yàn)室雜散光和長(zhǎng)度的影響

雜散光是指摻雜到被測(cè)主光束中的其他光束和摻雜到測(cè)量譜帶內(nèi)的其他波長(zhǎng)的輻射.雜散光主要是由于光路中的光學(xué)元件以及光路側(cè)旁物體的反射、折射造成的.逆反射材料是在暗環(huán)境下使用的，雜散光會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大誤差，因此校準(zhǔn)裝置對(duì)所在的實(shí)驗(yàn)室的暗環(huán)境有較高要求，必須對(duì)雜散光進(jìn)行限制處理.在光度測(cè)量中減少雜散光通常采用設(shè)置光闌、涂黑并加大光路周?chē)臻g和設(shè)置強(qiáng)雜散光束陷阱等方法.

鑒于分光輻射亮度計(jì)在測(cè)量視場(chǎng)外具有極高的抗雜散光抗干擾能力，所以重點(diǎn)屏蔽測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)雜散光的影響即可.傳統(tǒng)發(fā)光強(qiáng)度法測(cè)量裝置使用的弱光探測(cè)器對(duì)其前半球面的雜散光均有響應(yīng)，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)室整體屏蔽雜散光的要求更高.根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，雜散光應(yīng)小于直射光的5%.在實(shí)際測(cè)量中，本裝置的實(shí)測(cè)雜散光的亮度一般在0.005 cd/m2以下，而反射光亮度最低在3 cd/m2以上；照度通常在0.015 mlx以下，而垂直照度在10 lx左右.因此，在本測(cè)試系統(tǒng)中雜散光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略不計(jì).

發(fā)光強(qiáng)度法測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度量值時(shí)使用點(diǎn)光源近似，則必須滿足被測(cè)樣品有效反光面最大直徑遠(yuǎn)小于弱光照度探頭到樣品表面距離的要求，此時(shí)應(yīng)用發(fā)光強(qiáng)度和弱光照度滿足距離平方反比定律.因此實(shí)驗(yàn)暗室的長(zhǎng)度不能太短，至少15 m以上.而分光輻射亮度計(jì)測(cè)距無(wú)需對(duì)距離額外要求，故其對(duì)實(shí)驗(yàn)暗室的長(zhǎng)度要求較短.

4 比對(duì)結(jié)果驗(yàn)證

校準(zhǔn)裝置搭建在全遮光暗室中，測(cè)試距離16 m，照明觀測(cè)條件入射角為-4°、觀測(cè)角為0.2°.使用一套中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的5種顏色的逆反射標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)板，對(duì)裝置校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn).如圖12所示.測(cè)試結(jié)果與中國(guó)計(jì)量院的校準(zhǔn)結(jié)果的比較如表1所示.

圖12 逆反射標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)板

標(biāo)準(zhǔn)板顏色標(biāo)稱值/(cd/lx/m2)測(cè)量值/(cd/lx/m2)相對(duì)誤差/%白299.2302.11.0黃200.5204.31.9紅52.454.13.2綠63.365.12.8藍(lán)25.724.8-3.5

此套逆反射標(biāo)準(zhǔn)板中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)證書(shū)中測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定為Urel=5.0%(k=2)，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，校準(zhǔn)結(jié)果與中國(guó)計(jì)量院校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)示值誤差均在4%以內(nèi)，本校準(zhǔn)裝置相對(duì)誤差小于標(biāo)準(zhǔn)板的測(cè)量不確定度，結(jié)果可信.

5 結(jié)語(yǔ)

本逆反射亮度系數(shù)校準(zhǔn)裝置的研制成功在逆反射測(cè)量方面是一項(xiàng)有益的探索，其測(cè)量誤差小于采中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院所給的不確定度，證明了采用亮度法設(shè)計(jì)逆反射亮度系數(shù)校準(zhǔn)裝置是科學(xué)的、可行的.通過(guò)對(duì)各項(xiàng)影響因素的研究，確定光源的光譜成分、不同逆反射材料照明觀測(cè)角度對(duì)本套裝置測(cè)量結(jié)果有一定影響.本研究對(duì)前者進(jìn)行了修正，對(duì)后者給出了解決辦法，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.本裝置自動(dòng)化水平高，操作簡(jiǎn)單、測(cè)量誤差影響因素少且易處理，具有高準(zhǔn)確度分光測(cè)色能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)暗室雜散光屏蔽要求較低，特別適合暗室長(zhǎng)度較短的實(shí)驗(yàn)室使用，可以有效降低暗室的固定資產(chǎn)投入，在計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)中有推廣使用的價(jià)值.

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(編輯 崔思榮)

Development of Calibration Equipment for Retroreflective Luminance Coefficient and Analysis of Influencing Factors of Measurement Error

LI Yi1,ZHOU Bingzhi1,ZHAO Feihu2,QIN Yu1,LI Rong1,ZHANG Xiaoying1,JIA Yi1

(1.Shaanxi Institute of Metrology Science, Xi'an 710065,China;2.Xi'an Tian-rui information limited company,Xi'an 710065，China)

The retroreflection coefficient brightness calibration device adopts DSP as the main control chip, combining the perspective of high precision mechanical transmission structure control system and spectral radiation luminance meter to measure retroreflection coefficient.Compared to traditional weak light of the luminous intensity method,it has such advantages as high measurement precision, low demands to the stray light environment of laboratory darkroom,short measuring distance and high accuracy of spectral color measurement capability.In addition, it also characterized by high automation level,simple operation,less measurement error factors and easy processing.

retroreflection coefficient; spectral radiation luminance meter; influence factors; calibration device

2016-10-03

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013zjjz238)

李 奕(1979-)，男，碩士，主要從事光學(xué)計(jì)量及檢測(cè)研究.

周秉直(1965-)，男，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)量檢測(cè)研究.

TN247

A

1674-358X(2016)04-0076-07