LED成像分布光度計的研究

姚 其 趙海天

(深圳大學建筑與城市規劃學院，廣東深圳 518060)

1 引言

燈具分布光度計是一種大型的精密光學測試設備，是燈具分布光度測量中必備的重要設備。傳統的分布光度計主要為機械式結構，通過機械控制探頭旋轉測量整個三維空間的燈具光強分布。目前在發展中的這類傳統分布光度計主要有旋轉反光鏡式分布光度計、運動反光鏡式分布光度計和旋轉燈具式分布光度計等幾種結構形式。CIE127—1997對LED的光學和電學測試進行了要求，也是采用傳統光度測量方法進行LED測試的依據［1］。近年來，隨著CCD成像技術的發展與成熟，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來進行光度測量，目前已有可用于基于成像技術的亮度計，輔助傳統類型的亮度計。而基于成像光度測量燈具光強分布的研究由于更加復雜，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計和照明設計中質量控制的重要環節，尤其是隨著LED等新光源和新興照明技術的發展，對燈具分布光度測量提出了新的挑戰。因此我們根據目前發展狀況及需求，進行基于成像光度法的LED光強分布測試的分布光度計研制。

目前國內燈具市場產品質量良莠不齊，每年有大量新款燈具涌入市場。其實際照明效果的評估往往得不到有效評估。而目前國內測量燈具光強分布采用機械式分布光度計，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。而國內一些生產光度測量儀器廠家，其產品性能較好，有些方面能達到國際水平，也為國內各廠家所采用。國際上光度測量儀器廠家也非常多，而產品也很成熟，如德國、美國等一些國家的公司。

2005年，成像量度測量設備 ILMD(Imaging Luminance Measurement Device)就已經引入 CIE，并且成立了一個新的TC2-59，研究ILMD的特性［2］。采用成像技術測量光環境的儀器，已經用于一些科研實驗以及實用中，基于成像光度原理的測量儀器，具有很大的發展空間［3］。本文研究的LED成像光度計系統，是一種新型的光度測量系統，可以簡單快速地采集燈具光強分布數據，得出配光曲線。

2 測試原理

本文中使用成像光度學方法，解決非成像光度學問題，通過圖像處理技術，結合光度學和視覺科學，采集、計算并快速獲得燈具配光曲線。圖1為成像光度計結構示意圖。其結構主要包括拋物面反光鏡、步進馬達，偏振片或柔光鏡，光學鏡頭組，CCD、CMOS或數碼相機等。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處。LED光源是180℃范圍發光，放置時，發光面的方向是朝向曲面反光碗的。LED發出的光經曲面反光碗反射形成光柱，直接照射至CCD、CMOS或數碼相機的光學鏡頭里，經CCD、CMOS或數碼相機成像設備內置程序自動測試判定，判定如果入射光光強過大 (設定閾值判定)，則啟動馬達將偏振片或柔光片加在光路上，并用馬達對偏振片角度進行調節，如果光強值在允許范圍內，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V(λ)濾光鏡校正，采用數碼相機，則主要是對數碼相機相應的像素進行校正［4］。入射至CCD、CMOS或數碼相機的光柱在感光器件上形成光斑，CCD、CMOS或數碼相機內部的設定程序會用事先標定好的公式對多幅光斑圖像進行測算，推算出LED發出的光在空間分布的色度、亮度數據，LED也通過步進馬達控制，可以完成±5℃和±10℃偏轉，從而得到不同偏轉角度的光斑，從而可以對LED中心光強的分布進行修正。這些數據經視覺參量修正后將被送往設備內固有的軟件進行格式轉換，最后以IES格式輸出LED的配光曲線。圖2為成像采集系統工作原理流程圖。首先，對成像采集系統進行定標，然后采集LED發射光斑圖像，通過判斷是否超曝光范圍，從而系統判定是否增加偏振片或柔光鏡，等比例減弱光斑強度。成像采集系統采集到LED發射光斑后，通過軟件計算修正，得到LED配光曲線。

圖1 結構示意圖Fig.1 Sketch map of structure

3 LED成像光度計結構

LED成像光度計結構如圖1所示，主要部分如圖3所示。光度計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成像設備。拋物面反射器開口和焦點位于同一平面，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測量LED燈具改變而定，要保證被測光源相對于測試設備，體積很小，可視為點光源。半透明光斑接收屏的位置距離也根據測試光強大小進行調整。通過這樣測量，光強將會有兩次衰減，一次為拋物面反射，一次為接收屏透射。

4 LED成像測試計算原理

4.1 計算原理

圖2 系統工作原理流程圖Fig.2 System work flowchart

圖3 LED成像光度計平面結構Fig.3 Planar structure of LED photometric meter

假設一拋物型反射器方程為y2=2px，如圖4所示，LED任意發射的一條光線經過l1，通過拋物反射器反射后，以l3路徑達到半透明接收屏。根據拋物線性質，l1+l3=l2+l3=C，C是常數;則根據公式 (1)，可計算得到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光強時，滿足平方反比定律［5］，E=I/d2，采用拋物型反射器的特性，LED各處發射光線到接收屏，經過的光程為常數，因此接收屏相應位置接收到的光度量值與LED光強成線性關系。

圖4 光路計算示例Fig.4 Optical path calculation example

如果使LED在垂直方向有一個5℃的變化，計算方法相同，最終計算出的角度偏離5℃，而相應的光強值位置也會相應變化，原來0℃方向的光強值，將會出現在5℃位置。如此處理，可以解決兩個問題，一是LED本身遮擋住0℃方向的光強，通過偏轉角度，可以得到使光強值在新的角度出現，修正這一角度光強;二是通過偏轉角度，可以得到多幅光強分布圖像，從而可以對整體光強分布進行修正。

對于光強，要計算進拋物面反射率和接收屏透射率。如果光源光強值超過CCD測試范圍，則接收屏前加逐級加多片柔光鏡，透射率為 (ρo，ρ1…)，得到多級測試光斑，從而可比較精確地得到整體光強分布值。

4.2 軟件模擬示例

采用照度模擬軟件，可獲得模擬光斑圖像，如圖5所示。設定p取值為10cm，接收屏距拋物面反射器距離80cm，計算可得配光曲線如圖6所示。

4.3 實拍光斑測試示例

圖5 模擬光斑圖像Fig.5 Simulated spot images

圖6 模擬配光曲線 (極坐標)Fig.6 Simulated photometric curve(polar coordinate)

通過在實驗室里搭建測試平臺，采用朗伯型LED光源進行測試，實際拍攝LED光斑圖像如圖7所示。其參數設置p取值為10cm，接收屏距拋物面反射器距離80cm。經過計算可得到LED配光曲線，如圖8所示。

圖7 實際拍攝光斑圖像Fig.7 Actual photographed spot image

5 小結

圖8 模擬配光曲線 (極坐標)Fig.8 Simulated photometric curve(polar coordinate)

本文介紹并探討了一種新型的基于成像方法的測試光度計，并且對其進行了研究，對于具有半面發光特點的LED光度測試，給出了一種解決方案。目前測試的結果，比較吻合實際LED的配光曲線，具有可行性，但是精確度不夠，仍然需要通過進一步控制儀器精度，以及通過包括光斑圖像校正，多級光斑圖像處理等手段，來改善其精確度。文中主要探討并研究了這種測試光度計的原理及實現過程，沒有對其精度的控制進行討論。

［1］CIE127-1997:MEASUREMENT of LEDs．

［2］Rossi，M．，D．Gadia，D．Marini，and A．Rizzi．Towards Image-Based Measurement of Perceived Lightness applied to Paintings Lighting．The 6th International Symposium on Virtual Reality，Archaeology and Cultural Heritage VAST，2005．

［3］Marc Fontoynont，Dominique Dumortier，Bruno Coutelier．CORRELATION OF LIGHTING QUALITY DESCRIPTORS WITH SEMANTIC CHARACTERIZATION OF LUMINOUS SCENES．Pp．Pages in 26TH SESSION OF THE CIE．BEIJING，2007．

［4］樸大植，呂亮，姜曉梅，趙志丹．發光二極管_LED_國家光度標準的研究．現代計量測試，2002:18～21．

［5］鮑超．發光二極管測試技術和標準．物理學和高新技術，2003(32):319～324．

［6］魏建中．CCD成像型寬量程亮度計系統研究．光學技術，1999:88～91．

［7］梁鳳薇．LED光色度測試中存在的問題探討．光學儀器，2005(27):3～7．

［8］任豪，王巧彬，李康業．LED光源光強空間分布特性的快速測試．光學儀器，2008(30):6～9．

［9］袁景玉，沈天行．一種基于投光燈的配光特性圖象表示法．中國圖象圖形學報，2002:776～779．

［10］馬忠山．照明設計中燈具配光曲線的利用．中國科技信息，2007．