基于CA2000的近场光度测试系统

杨 继 乾，　张 竞 辉，　刘 　 倩，　曹 　 帆，　邹 念 育

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连　116034 )



基于CA2000的近场光度测试系统

杨 继 乾，张 竞 辉，刘 倩，曹 帆，邹 念 育

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连116034 )

摘要:为了更好地描述光源的光度学特性，基于二维成像亮度计CA2000搭建了近场测试系统，以虚拟仪器的方式实现设备控制和数据采集。对一款灯具进行了近场测量实验，验证了近场测试系统符合设计目标。对近场数据处理使用虚拟平面光源模型，获得光源的亮度空间分布信息。由亮度分布获得了灯具的远场光强分布，并将其与远场条件下测量得到的光强分布进行比较，光强分布的匹配指数达到97.85%。

关键词:近场光度学；光强分布；分布光度计；亮度

0引言

随着人们对照明质量的要求逐渐提高，光源光度学特性的描述需要越来越精确详细。光度分布测量是用于描述光源光度学特性的主要方式。光度分布的测量方法有远场测量和近场测量两种。远场测量使用单一的光度探头作为测光仪器，光强的获得基于距离平方反比定律[1-5]，使用距离平方反比定律要求光源与探测器之间的距离必须足够远，一般为光源最大尺寸的5倍，即远场条件[6-8]。但当待测灯具为大型的管灯时，远场条件不易满足。另一方面，LED灯具的应用越来越广泛，但由于LED芯片的结构、封装形式和一次光学器件的影响，其出光特性会大大偏离理想的点光源或均匀的面光源[9-11]，实际应用场合也往往不满足远场条件。这时远场测量获得的数据在实际应用中就存在着较多的局限性[12-13]。

20世纪90年代，近场光度学开始被用于光强分布的测量[14-15]，不同于远场测量，近场测量采用的是成像亮度计测量光源所有方向上的亮度数据，通过数据处理得到光源上所有点全空间方向的亮度分布[16-17]，也可以由亮度分布计算得到光强分布[16]。与远场测量相比，近场测量具有以下优势：首先，近场测量能得到光源辐射的光线的起点和方向，这些信息可用于生成光线集文件，进而用于现代灯具设计[18]；其次，光源与成像亮度计之间的距离不再受限制，可以减少实验所需的空间[18-19]；此外，近场测量不仅能得到远场测量获得的光度学量如光强分布和总光通量，还能得到近场相关的光度学量如亮度分布和近场照度等信息。

常见的近场测量设备中成像亮度计和转台一般有相对固定的距离，在测量对象的尺寸和测量精度上，使近场测量存在一定的局限性。本文中搭建的近场测量系统，成像亮度计的位置可以灵活调节，采用的虚拟平面光源模型适用于近场数据的处理。

1近场测量分析

近场测量采用近场分布光度计，主要由旋转轴相互垂直的转台和成像亮度计组成。测量时，成像亮度计固定不动，且对准灯具发光中心，灯具安装在转台上分别绕两转动轴转动，使成像亮度计测量到灯具所有方向上的亮度数据。

为记录每个亮度数据对应光线的起点和方向，建立实验室坐标系XYZ和灯具坐标系X′Y′Z′，两坐标系均为右手笛卡尔坐标系，如图1所示。初始时两坐标系重合，以两转轴交点为原点，X和X′轴正方向竖直向上，Z和Z′轴正方向指向成像亮度计。

(1)

(2)

(3)

转台转动时，转台的竖直轴沿实验室坐标系的X轴正方向转动，转动角度记为α，转台的水平轴沿灯具坐标系的Z′轴正方向转动，转动角度记为β。转轴转动过程中，实验室坐标系始终不动，灯具坐标系随两转轴的转动而转动。由坐标系变换关系式(1)(2)(3)可计算出实验室坐标系下的光线方向向量(x,y,z)在转动后的灯具坐标系下的光线方向向量为(x′,y′,z′)。在灯具坐标系下，将其转化为极坐标表示形式为(θ,φ)，θ为光线与灯具坐标系中Z′轴正方向的夹角，φ为光线在灯具坐标系中X′Y′平面上的投影沿顺时针方向到X′轴正方向的角度。

实际灯具的实体发光面千差万别，但可以将待测灯具简化为实验室坐标系中XY平面上的一个由点光源阵列组成的虚拟平面光源模型，如图2所示。虚拟平面光源位于焦平面处，实际上，分布在平面光源前面或后面的实体发光点发出的光线也会被记录。但这些位置处的记录会有或多或少的虚化。虚化的影响是同一个实体发光点可能投射在不同的像素上，同一个像素也可能接受不同实体发光点发射的光线。这些影响可以视为“平均化”，所以虚化的影响可以忽略，因此将光源简化为虚拟平面光源是合理的。转台转动时，虚拟平面光源整体不动，点光源随转台转动。CCD阵面中每个像素点得到一个亮度值，根据物像共轭关系可求出像素(i,j)对应的点光源在实验室坐标系中的位置(x,y)以及对应光线方向矢量(-x,-y,z)。由坐标系变换关系式(1)(2)(3)得到其在转动后的灯具坐标系下的方向(x′,y′,z′)，并转化为极坐标形式(θ,φ)，从而得到了虚拟平面光源上所有点光源的亮度分布L(x,y,θ,φ)。并可以由此获得远场光强分布。

图1　实验室坐标系和灯具坐标系

图2　平面光源模型

(4)

如式(4)所示，I为灯具任意方向的光强，S为虚拟平面光源的面积。

(5)

为比较近场测量和远场测量得到的光强分布的匹配程度，采用文献[20]中Bergen提出的匹配指数(公式(5))可以计算出匹配指数fluminaire,fit。式(5)中，I1(θ,φ)为远场测量结果，I2(θ,φ)为近场数据推导结果。

(6)

当φ取某一固定值，得到式(6)，用于比较某一φ角度下，远场测量和近场测量得到的光强值随θ变化曲线的匹配指数。

2实验

2.1实验设备搭建

搭建的近场测量平台示意图如图3所示，主要由转台、成像亮度计和计算机组成。为保证转动过程中成像亮度计始终对准光源发光中心，成像亮度计的高度和镜头指向均经过激光束校正。图3中的近场测试平台设备组成灵活，成像亮度计和光源之间的距离可根据灯具大小调节，使得测量设备既可以测量小型LED灯具，也适用于大型灯具的近场测量。

图3　搭建的近场测量平台示意图

为实现实验平台中两部分仪器的协同工作，以LabVIEW编写了仪器控制软件，软件流程图如图4所示。实验时两台仪器连接到同一台电脑上，之后开始测量并保存数据，竖直轴每转动一个步长，水平轴转动一周。转轴转到一个角度，成像亮度计即完成一次测量并保存测量数据。当竖直轴完成180°转动时，系统就获得了灯具所有方向上的亮度数据。

图4　测试系统控制软件流程图

2.2近场和远场测量

为验证近场测量系统工作的有效性，待测灯具需要在所有方向上都有一定的光度辐射。实验中对三雄极光生产的电子节能灯开展测量。实验在暗室中进行，测量时，成像亮度计对准灯具发光中心，成像亮度计像素分辨率选用980×980。灯具绕竖直轴转动范围为0°～180°，绕水平轴转动范围为0°～360°，转动步长为2°。共测量灯具16 471 个不同方向上的亮度数据。

近场测量完成后，采用远场测量仪器分布式光度计GMS1800对该灯具进行远场测量，测量时光度计距灯具为8.9 m。竖直轴和水平轴的转动范围以及转动步长与近场测量时保持一致。

3实验结果与分析

采用搭建的近场测量设备完成测量后，得到灯具所有方向上的亮度图片。图5为竖直轴转动角度α为0°、60°、90°和174°，水平轴转动角β为0°时，测量得到的灯具的亮度图片。从图中可以看出随着竖直轴转动角度的增大，灯具发光面的面积先增大后减小。大于174°的数据由于转轴的遮挡无法测量(图5(d))。

(a) α=0°

图5灯具的亮度图片

Fig.5The luminance image

将灯具简化为由点光源阵列组成的虚拟平面光源模型，根据物象共轭关系以及坐标系变换关系式计算出虚拟平面光源模型中每个点光源亮度分布L(x,y,θ,φ)，由亮度分布可以导出灯具的光强分布，即配光分布。其中φ为0°和180°以及φ为90°和270°时灯具的配光曲线，如图6(a)(c)所示。与之对比，远场条件下测到的相应配光曲线，如图6(b)(d)。成像亮度计的测量结果由于CCD积分时间限制，噪声较大，但光强大小的特征与远场数据一致。

为比较两种测量方法得到的光强分布，图7中绘制了近场测量和远场测量得到的光强分布曲线，(a)(b)(c)(d)分别是φ为0°，90°，180°和270°时两种测量方式得到的光强值随角度θ变化的曲线图。从图中可以看出两曲线一致性较好。利用公式(6)计算出这四个角度下的近场测量和远场测量得到的光强分布曲线的匹配指数分别为98.02，97.95，97.72，98.40。事实上，所有角度的匹配指数中最小为96.91，最大为98.50。

(a) 近场φ=0°/180°

图6由近场数据推导得到的配光曲线(a)(c)和远场条件下测量得到的配光曲线(b)(d)

Fig.6Compareofthefluxdistributioncurveobtainedfromfar-fieldandnear-fieldmeasurements

(a) φ=0°

图7比较近场测量和远场测量得到的光强分布

Fig.7Compareoftheluminousintensitydistributionobtainedfromfar-fieldandnear-fieldmeasurements

采用公式(5)计算得到近场测量和远场测量的光强分布的匹配指数fluminaire,fit等于97.85。

4结论

本文基于二维成像亮度计CA2000搭建了近场测试系统，通过将灯具简化为虚拟平面光源模型，获得灯具的亮度分布L(x,y,θ,φ)，由亮度分布可以推导出光源的光强分布。与远场测得的光强分布比较，光强分布曲线一致，光强分布的匹配指数为97.85。说明搭建的近场测试系统和提出的虚拟平面光源模型适用于灯具的近场光度数据的获取和处理，获得了准确的结果。本文中的近场测量系统，其成像亮度计的位置可以灵活的调节，可灵活用于大型和小型灯具的近场光度测量，利用提出的平面光源模型进行数据处理不需对灯具的大小和形状建模，就可以得到灯具的亮度分布L(x,y,θ,φ)，进而获得光强分布和照度分布等全面的光度信息。

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Design of near-field goniophotometer based on CA2000

YANGJiqian,ZHANGJinghui,LIUQian,CAOFan,ZOUNianyu

( Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:A near-field goniophotometer was designed based on 2D luminance meter CA2000, and developed a control program to obtain 3D luminance distribution data to perform near-field goniophotometric measurement. A lamp was used to test the near-field measurement system and the result meet the design objectives. The spatial distribution of the light source luminance information of the lamp was obtained using a virtual model of the planar light source. Light intensity distribution was obtained by the luminance distribution of the far field. Compared with far-field measurements, matching index of near-field data could reach to 97.85%.

Key words:near-field photometry; luminous intensity distribution; goniophotometer; luminance

中图分类号:O432.2

文献标志码:A

作者简介:杨继乾(1989-)，男，硕士研究生；通信作者：张竞辉(1971-)，男，副教授.

基金项目:辽宁省普通高等教育本科重点支持专业建设项目(辽教发[2012]108号)；辽宁省教育厅科学技术研究项目(L2013213)；辽宁省普通高等教育本科教学改革立项项目(UPRP20140139)；大连市科技计划项目(2014A11GX050)；大连市科技计划(2014A11GX052).

收稿日期:2015-12-15.

文章编号:1674-1404(2016)02-0144-05