LED成像分布光度計(jì)的研究

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)測量整個三維空問的燈具光強(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℃IEl27一1997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).近年來，隨著CCD成像技術(shù)的發(fā)展與成熟，同時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(ImagingLuminance Measurcment Device)就已經(jīng)引人CIE,并且成立了一個新的TC2-59,研究ILMD的特性.

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.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l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，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，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(沒定閾值判定)，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y(A)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.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.

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l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

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+l2=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，滿足平方反比定律，E=l/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.

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