LED光度測(cè)試的研究解決方案

　　本文探討了目前LED分布光度計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，主要是對(duì)基于成像光度學(xué)，采用CCD或是數(shù)碼相機(jī)作為分布光度測(cè)量手段的儀器進(jìn)行了分析和研究。此研究根據(jù)LED為半面發(fā)光的特點(diǎn)，采用拋物面反射器的設(shè)置，對(duì)LED的發(fā)光進(jìn)行聚光反射，LED方向可通過步進(jìn)馬達(dá)進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)換，從而得到不同角度位置的光斑，使用CCD或是數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行測(cè)試。得到LED反射的發(fā)光光斑后，通過合適的圖像處理，可根據(jù)光斑得到LED的配光曲線。

　　1 引言

　　燈具分布光度計(jì)是一種大型的精密光學(xué)測(cè)試設(shè)備，是燈具分布光度測(cè)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(cè)量整個(gè)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(dòng)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(duì)LED的光學(xué)和電學(xué)測(cè)試進(jìn)行了要求，也是采用傳統(tǒng)光度測(cè)量方法進(jìn)行LED測(cè)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(shí)由于其可視化效果好，簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)燈具分布光度測(cè)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(cè)試的分布光度計(jì)研制。

　　目前國(guó)內(nèi)燈具市場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，每年有大量新款燈具涌入市場(chǎng)。其實(shí)際照明效果的評(píng)估往往得不到有效評(píng)估。而目前國(guó)內(nèi)測(cè)量燈具光強(qiáng)分布采用機(jī)械式分布光度計(jì)，體積大，價(jià)格比較昂貴，只有較大照明公司或是研究所才會(huì)購(gòu)置。而國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)光度測(cè)量?jī)x器廠家，其產(chǎn)品性能較好，有些方面能達(dá)到國(guó)際水平，也為國(guó)內(nèi)各廠家所采用。國(guó)際上光度測(cè)量?jī)x器廠家也非常多，而產(chǎn)品也很成熟，如德國(guó)。美國(guó)等一些國(guó)家的公司。

　　2005年，成像量度測(cè)量設(shè)備ILMD（ImagingLuminance Measurcment Device）就已經(jīng)引人CIE，并且成立了一個(gè)新的TC2-59，研究ILMD的特性。

　　采用成像技術(shù)測(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)量系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)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(cè)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(cè)量時(shí)，將待測(cè)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(shí)，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(dòng)測(cè)試判定，判定如果入射光光強(qiáng)過大（沒定閾值判定），則啟動(dòng)馬達(dá)將偏振片或柔光片加在光路上，并用馬達(dá)對(duì)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(cè)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(duì)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(huì)用事先標(biāo)定好的公式對(duì)多幅光斑圖像進(jìn)行測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)量 LED燈具改變而定，要保證被測(cè)光源相對(duì)于測(cè)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(cè)試光強(qiáng)大小進(jìn)行調(diào)整。通過這樣測(cè)量，光強(qiáng)將會(huì)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(cè)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(duì)于一特定拋物線，可求得角度值，如公式（2）所示。一般測(cè)量LED光強(qiáng)時(shí)，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。

　　如果使LED在垂直方向有一個(gè)5℃的變化，計(jì)算方法相同，最終計(jì)算出的角度偏離5℃，而相應(yīng)的光強(qiáng)值位置也會(huì)相應(yīng)變化，原來0℃方向的光強(qiáng)值，將會(huì)出現(xiàn)在5℃位置。如此處理，可以解決兩個(gè)問題，一是LED本身遮擋住O℃方向的光強(qiáng)，通過偏轉(zhuǎn)角度，可以得到使光強(qiáng)值在新的角度出現(xiàn)，修正這一角度光強(qiáng)；二是通過偏轉(zhuǎn)角度，可以得到多幅光強(qiáng)分布圖像，從而可以對(duì)整體光強(qiáng)分布進(jìn)行修正。

　　對(duì)于光強(qiáng)，要計(jì)算進(jìn)拋物面反射率和接收屏透射率。如果光源光強(qiáng)值超過CCD測(cè)試范圍，則接收屏前加逐級(jí)加多片柔光鏡，得到多級(jí)測(cè)試光斑，從而可比較精確地得到整體光強(qiáng)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(shè)定P取值為10cm，接收屏距拋物面反射器距離80cm，計(jì)算可得配光曲線如圖6所示。

　　4.3實(shí)拍光斑測(cè)試示例

　　通過在實(shí)驗(yàn)室里搭建測(cè)試平臺(tái)，采用朗伯型LED光源進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際拍攝LED光斑圖像如圖7所示。其參數(shù)設(shè)置P取值為lOcm，接收屏距拋物面反射器距離80cm.經(jīng)過計(jì)算可得到LED配光曲線，如圖8.

　　5 小結(jié)

　　本文介紹并探討了一種新型的基于成像方法的測(cè)試光度計(jì)，并且對(duì)其進(jìn)行了研究，對(duì)于具有半面發(fā)光特點(diǎn)的LED光度測(cè)試，給出了一種解決方案。目前測(cè)試的結(jié)果，比較吻合實(shí)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(jìn)一步控制儀器精度，以及通過包括光斑圖像校正，多級(jí)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(cè)試光度計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)過程，沒有對(duì)其精度的控制進(jìn)行討論.