技术领域
[0001] 本
发明涉及一种柱面光度测量装置及方法。属于光学测量领域，用于测量
光源或折反射材料的出射光强与出射光
角度的之间的分布规律。
背景技术
[0002]
光度学是度量光线强弱及其传播方向性的计量学科，其中重要的课题是测量光强在空间各方向上的分布规律。当测量对象是发光光源，如
LED灯珠时，测量结果称之为——配光曲线(Luminous intensity distribution curve,LIDC)，是光强关于光线出射角度的函数。当测量对象是折/反射材料时，测量结果称之为——双向散射分布函数(Bidirectional scattering distribution function,BSDF)，包括其反射部分——双向反射分布函数(BRDF)，和折射部分——双向透射分布函数(BTDF)。这三个函数均是光强关于光线入射角度、出射角度的高维函数。
[0003] 测量配光曲线一般使用积分球，如
专利CN201210176379，使用球面漫反射光屏和转动机构实现360度空间范围上的光强测量。由于球面漫反射光屏体积大、制造成本高、转动机构安装复杂，不便于使用和推广。
[0004] 测量双向散射分布函数可以使用积分球测量，也可以使用专
门的测量装置，如Instrument Systems公司的GON360光强角度分布测试仪，使用两个转动的
机械臂分别承载光源与测光器，机械臂相互转动逐步测量出各方向的光强数值。由于单次测量只能提供单一角度的光强值，需要长时间多次测量才能得到完整的光强分区函数，效率较低。测量期间由于环境光干扰、光源
亮度波动等因素，会造成较大误差。
[0005] 专利US7130033 B2使用抛物面反射镜将出射光线聚焦后成像，可一次性测量多角度的出射光强，测量效率高。但由于光线在传播过程中经历了多个透镜和抛物面反射镜，透镜/反射镜本身的折反射特性
叠加到被测材料上，干扰测量结果。且抛物面反射镜制造成本较高，测量环境要求苛刻，不易于推广使用。
[0006] 针对现有光度测量装置存在的问题，本发明提出了一种柱面光度测量装置及方法，使用易于制造的柱面漫反射光屏，配合使用鱼眼相机，可以用于测量光源的配光曲线，或折反射材料的双向散射分布函数。该光度测量装置结构简单易于布置，测量效率高，同时能测量上半球面的光强分布，与现有测量设备相比具有明显的优势。
发明内容
[0007] 本发明提出的一种柱面光度测量装置及方法，可以低成本、高效率地测量光强在空间各方向上的分布规律，如光源的配光曲线、测量折\反射材料的双向散射分布函数等。
[0008] 本发明是一种柱面光度测量装置及方法，其特征在于：包含柱面光屏1、鱼眼相机3、载物台4以及相机
支架2、载物台支架5，所述的柱面光屏1为横截面为圆形或弧形的中空柱体，其长径比大于1，内壁材料采用质地均匀的白色漫反射材料；所述的载物台4置于柱面光屏1轴心线上，柱面光屏1轴线中心一侧；所述的鱼眼相机3的
光心位于柱面光屏1轴心线上，载物台4旁；鱼眼相机3、载物台4之间不互相遮挡，通过相机支架2、载物台底座于柱面光屏1共同固定在实验平台上。
[0009] 本发明的另一个技术方案是上述鱼眼相机3光轴与柱面光屏1轴心重合。
[0010] 本发明的又一个技术方案是上述鱼眼相机3光轴与柱面光屏1轴心垂直。
[0011] 本发明的另一个技术方案是上述柱面光屏1上有通光孔，用于摄入照射光。
[0012] 本发明的最后一个技术方案是上述固定鱼眼相机3和载物台4的支架可以沿柱面光屏1轴线平移或转动。
[0013] (注：光源的配光曲线定义为： 表示以空间方向 为自变量，光源在该方向上光强的函数，如图1所示。双向散射分布函数定义为： 表示以入
射光方向 时，折/反射材料在出射光方向 上的光强函数，如图2所示，当出射光为反射光时，该函数称为双向反射分布函数： 当出射光时折射光时，该函
数称为双向透射分布函数： 如图2所示。)
[0014] (1)构造特点：
[0015] 该装置主要部分为：柱面光屏1、鱼眼相机3、载物台4，相机和载物台分别通过相机支架2，载物台支架5与柱面光屏1共同固定在实验平台上。其中柱面光屏1为横截面为圆形或弧形的中空柱体，其长径比大于1，内壁材料采用质地均匀的白色漫反射材料。柱面光屏1上可以根据需要开设通光孔，用于入射光线射入；或绘制坐标网格辅助测量
定位。
[0016] 柱面光屏的优点是：相对于积分球使用的球形光屏或抛物面反射屏，柱面光屏很容易使用板材弯曲制造，或利用市场上现有的管材制作，成本低、尺寸和形状
精度高；相对于球面，柱面光屏很容易贴附纸基、布基等反光材料，易于光屏的维护、替换以及功能扩展。
[0017] 载物台4安装于柱面光屏1轴心线中心点上；鱼眼相机3光心位于柱面光屏1轴心线上，靠近载物台4一侧，鱼眼相机3、载物台4相邻但不互相遮挡。使用鱼眼相机的好处是：鱼眼相机具有
覆盖半个球面的
视野，配合柱面光屏1，可以一次性获得接近半个球面方向的光强分布，具有极高的
采样效率。
[0018] 当需要测量被测材料正半球面的光强分布时，鱼眼相机3轴线垂直于柱面光屏1轴线，平行于被测材料表面法向，此时鱼眼相机3能够覆盖正半球面大部分视野；光屏可以采用弧形截面的半圆柱面。
[0019] 当需要测量被测材料
正面及
反面全方向光强分布时，鱼眼相机3轴线平行于柱面光屏1轴线，此时鱼眼相机3能够覆盖被测材料正反各半个球面的视野；光屏采用圆形截面的中空圆柱。
[0020] 鱼眼相机3和载物台4通过支架与柱面光屏1共同固定在实验平台上。支架可以采用固定支架，也可以采用可调支架，使鱼眼相机3或载物台4能够沿着柱面光屏1轴线平移或转动，以方便实验微调。
[0021] (2)调试方法：
[0022] 测量前，对光学系统进行调试：
[0023] (a)调整样本基准点S
位置，使其位于柱面光屏1轴线中点上。以S点为基准，建立世界
坐标系Sxyz-(x,y,z)，同时建立样本球坐标系
[0024] (b)调整鱼眼相机3的光心C的位置，使其位于柱面光屏1轴线上，轴线中点O的一侧，在世界坐标系中的位置是Sxyz-(0,0,d)。以C点为基准，建立相机球坐标系Crαβ-(r,α,β)。(注：当测量发光体时，该基准点是发光中心点，当测量折\反射材料时，该基准点是入射光线在被测材料上投影点。)
[0025] 上述调整应使相机光心C、样本基准点S尽量靠近，但互不遮挡。
[0026] (c)给被测光源供电(或使用激光照射折/反射材料)，使用鱼眼相机3可以拍摄到柱面光屏1内壁上的光强明暗分布，以拍摄到的相片中心点P基准，建立图像坐标系Puv-(u,v)，以图像圆半径为单位1，u、v取值范围-1～1。
[0027] (d)使用标准亮度光源标定鱼眼相机3各处图像灰度的基准值。
[0028] (3)使用方法：
[0029] 由鱼眼相机3拍摄的柱面光屏1内表面图像，可以建立配光曲线LIDC函数，或双向散射分布函数BSDF，具体方法是：
[0030] (a)由图像坐标求出射光角度，即函数自变量：
[0031] 出射光角度，即柱面光屏1内壁上的投影点A与样本点S之间的连线，在样本球坐标系中的角度分量为 该角度分量即光源的配光曲线 的自变量、或双向散射分布函数 自变量中的 该坐标角度分量可以根据坐标变换由图像坐标
求出：
[0032] 首先已知投影点A的图像坐标(u,v)，可以根据图像投影关系求出投影点A在相机球坐标系中的角度分量(α,β)；
[0033] 同时已知柱面光屏1半径R，可以求出投影点A在相机球坐标系中的距离分量r；
[0034] 然后由相机球坐标(r,α,β)，可以转换为世界坐标(x,y,z)；
[0035] 最后将投影点A的世界坐标转换为以样本点S为中心的球坐标 其中 即为配光曲线LIDC或双向散射分布函数BSDF的自变量。
[0036] 整个坐标变换的过程为：图像坐标→相机球坐标→世界坐标→样本球坐标。
[0037] (b)由图像亮度求函数值：
[0038] 配光曲线LIDC，或双向散射分布函数BSDF的函数绝对值是来自样本点S的出射光强度。柱面光屏1内壁的投影点A被该出射光照亮，反映为鱼眼相机3的图像灰度值。这个灰度值是LIDC或BSDF的相对函数值。
[0039] 由于光路长短不一，需要根据上述坐标系求出光路长度，对相对函数值进行修正，得到单位距离上的LIDC或BSDF函数的绝对函数值。
[0040] 另一个方法是：使用标准亮度光源标定，即在样本点处用标准亮度点光源照明，通过鱼眼相机3拍摄柱面光屏1得到一副基准亮度图像。以此图像为基准，与测量图像进行对比得到LIDC或BSDF的绝对函数值。
[0041] 本发明的优点
[0042] (a)效率高：
[0043] 由上述方法可以一次性得到自变量 在360°×180°的空间半球范围内，多达相机
分辨率数目的光源的配光曲线LIDC函数值，达到一次性完成测量的目的。
[0044] 测量双向散射分布函数 时，自变量 由入射激光方向给出，可以一次性求出自变量 在360°×180°的空间半球范围内，BSDF的函数值。将实验控制变量由4个减少到了2个，大大减少了测量次数，提高了实验效率。
[0045] (b)干扰低精度高：
[0046] 本发明一次性覆盖测量半球范围内的出射光强度，避免了分时多次测量出射光强度的过程中，光源亮度波动、环境光带来的干扰，因此精度更高。
[0047] (c)设备简单成本低：
[0048] 本发明所需的必要设备只包含：鱼眼相机3、柱面光屏1，以及样本载物台4等其他固定夹具。与现有光度测量设备中所使用的球面光屏、抛物面反射屏、角度控制机械臂等设备相比，本发明具有设备简单、成本低的优点。
附图说明
[0049] 图1为光源的配光曲线示意图；
[0050] 图2为折/反射材料的双向散射分布函数示意图；
[0051] 图3为截面为弧形的柱面光度测量装置布局；
[0052] 图4为截面为弧形的柱面光度测量装置的坐标变换示意图；
[0053] 图5为截面为圆形的柱面光度测量装置布局；
[0054] 图6为截面为圆形的柱面光度测量装置的坐标变换示意图。
[0055] (以上图中：1.柱面光屏、2.相机支架、3.鱼眼相机、4.载物台、5.载物台支架。)具体实施方式
[0056] 本发明提出的一种柱面光度测量装置及方法。具体实施方式有如下两例：
[0058] 如图3所示，柱面光屏1为截面为弧形的柱面，柱面半径为R；载物台4位于柱面光屏1轴线中点处，记作样本点S；鱼眼相机3的光心C位于柱面光屏1轴线中点上与样本点S距离为d，相机光轴垂直于柱面轴线并正对光屏。以样本点S为坐标原点，建立如图4所示的世界坐标系Sxyz-(x,y,z)，同时建立样本球坐标系 鱼眼相机3的光心C在世界坐标系中的位置是Sxyz-(0,0,d)，以C点为原点，建立相机球坐标系Crαβ-(r,α,β)。以拍摄到的相片中心点P为基准，建立图像坐标系Puv-(u,v)，以图像圆半径为单位1，u、v取值范围-1～1。
[0059] 使用亮度均匀的标准点光源，放置于样本点S处照亮柱面光屏1内壁，使用鱼眼相机3获得一副灰度图像作为基准：Iref(u,v),(-1≤u,v≤1)，其中Iref(u,v)等于或接近0的点的点为无效点。在样本点S处放置需要测量的样本，来自样本的出射光照亮柱面光屏1内壁，使用鱼眼相机3获得柱面光屏1内壁的图像：Icam(u,v)。使用下式得到出射光的绝对亮度值：Ilight(u,v)。
[0060]
[0061] 整个坐标变换过程为：图像坐标→相机球坐标→世界坐标→样本球坐标，坐标之间存在如图4所示关系。各步变换的公式为：
[0062] 图像坐标Ilight(u,v)→相机球坐标Ilight(r,α,β)：
[0063]
[0064] 相机球坐标Ilight(r,α,β)→世界坐标Ilight(x,y,z)：
[0065]
[0066] 世界坐标Ilight(x,y,z)→样本球坐标系
[0067]
[0068] 当测量光源配光曲线时：
[0069] LIDC(φ,θ)＝Ilight(φ,θ)——(5)
[0070] 当测量双向散射分布函数时， 时，自变量 由入射激光方向给出，自变量 即坐标变换式(4)求得的
[0071] BSDF(φi,θi,φ,θ)＝Ilight(φ,θ)
[0072] while lazerdirection is(φi,θi)——(6)
[0073] 实施例二
[0074] 如图5所示，光屏1为截面为圆形的柱面，柱面半径为R；载物台4位于柱面光屏1轴线中点处，记作样本点S；鱼眼相机3的光心C位于柱面光屏1轴线中点上与样本点S距离为d，相机光轴与柱面光屏1轴线重合。以样本点S为坐标原点，建立如图4所示的世界坐标系Sxyz-(x,y,z)，同时建立样本球坐标系 鱼眼相机3光心C在世界坐标系中的位置是Sxyz-(0,0,d)，以C点为原点，建立相机球坐标系Crαβ-(r,α,β)。以拍摄到的相片中心点P为基准，建立图像坐标系Puv-(u,v)，以图像圆半径为单位1，u、v取值范围-1～1。
[0075] 通过基准光源图像Iref(u,v)得到出射
光亮度的绝对值Ilight(u,v)的方法与方案一相同。
[0076] 图像坐标、相机球坐标、世界坐标、样本球坐标之间存在如图6所示关系。
[0077] 图像坐标Ilight(u,v)到相机球坐标Ilight(r,α,β)的坐标变换为：
[0078]
[0079] 相机球坐标Ilight(r,α,β)→世界坐标Ilight(x,y,z)：
[0080]
[0081] 世界坐标Ilight(x,y,z)到样本球坐标系 与实施例一中的公式(4)相同。
[0082] 光源配光曲线的求解方式实施例一中的公式(5)相同。
[0083] 双向散射分布函数求解方式实施例一中的公式(6)相同。
