基于成像式照度探测的光源光强分布测量

唐翠荣，刘军，王珊珊，左勇，武文彬

（1.中航工业北京长城计量测试技术研究所长度研究室，北京100095；2.北京理工大学，北京100081）

基于成像式照度探测的光源光强分布测量

唐翠荣1，刘军1，王珊珊2，左勇1，武文彬1

（1.中航工业北京长城计量测试技术研究所长度研究室，北京100095；2.北京理工大学，北京100081）

基于成像式照度探测的光源光强空间分布特性测量方法以其量值准确、大幅消除背景光干扰等优点，受到人们的广泛关注。本文根据成像式照度探测原理设计了一套光源光强空间分布特性检测装置，通过实验测试了该检测系统，并总结了测量位置与光强空间分布测量误差之间的关系。该系统具有很好的实用价值。

光强测量；成像式照度探测；影响因素分析

0 引言

目前光源光强测量多为测量与光源相距一定距离处的光照度，根据I＝EL2平方反比定律计算出光源光强。照度的测量方法为：将标定过的光电探测器放置在待测的空间位置，根据需要的探测方式对准光源进行测量。该方法的测量精度普遍较低，主要原因为没有排除空间内杂散光的影响、光源对准精度较低等。如果在暗室实验室中进行测量，又不能满足诸如铁路信号灯、机场助航灯、舰载机光学着舰引导系统等大口径、远作用距离光源的测量需求。为了解决这一问题，本文基于成像式照度探测的光源光强测量理论，设计了一套光源光强空间分布的测量系统，通过实验分析了其测量精度和对空间内杂散光的消除能力，并得出了测量位置与测量精度之间的关系。

1 检测原理与系统

1.1 成像式照度探测原理

国内外测试空间光强分布较常用的方法是：在空间布置多个光探测器，根据被测灯具的形状将探测器摆放成球面或柱面的形状，利用多路采集卡进行数据采集［1］。其光度探测单元根据所需的探测方式对准光源进行测量。当被测光源为大口径、大发光角度并且需要远距离应用的光源类型时，该方法存在的主要问题为测试空间内杂光的抑制率较低和探测器无法精确按照实验要求对准被测光源，从而导致测量结果精度降级。为了解决这个问题，进一步提高光强测量精度，可采用成像式照度探测光强测量方法。

成像式照度测量原理图如图1所示。其与普通测量的主要区别是在照度探头前加装了成像透镜，从而使以规定方式进入成像透镜的光通量能够聚焦到照度探头。

成像式照度探测具有以下几个优点［2］：

1）提高到达照度探头的光通量 （达到SA／SB倍，SA为成像透镜的通光面积，SB为照度探头的光敏面面积）。当测量距离较远、照度较小时，在照度探头灵敏度一定的情况下，提高探头捕获的光通量，对保障测量精度有很重要的意义。

2）提高检测系统对杂散光的抗干扰能力。在环境较差，特别是在室外工作时，环境光的干扰是难以避免的。采用成像式照度探测结构，只有视场中以特定方向传播的光才能到达照度探头。对于杂散光，对光学系统内表面做发黑处理和添加消杂光螺纹，其就会被吸收，可以有效地消除杂散光的干扰。

3）系统简化，便于使用。进行光强检测时，需要按要求瞄准待测光源。通过设计可以使测量和瞄准共用一个光学系统，这样可以简化系统提高瞄准精度，并且不用随测量距离变化修改瞄准轴，使用方便。参考光学结构如图2所示。

1.2 成像式照度探测系统

根据以上原理设计探测系统。系统测试对象选择菲涅尔光源。菲涅尔光源以发光强度大、均匀性高、方向性好、作用距离远等优点获得越来越广泛的应用。菲涅尔光源具有很明显的光强边界，在边缘位置光强下降的很快，通过探测系统获得光源中心和边缘的光强测量结果与其理论值之间的对比能直观地检测测量系统的性能。因此无论从实际应用方面还是性能分析方面，菲涅尔光源都是较为理想的测试对象。

分布光度计一般分为5种，传感器旋转式分布光度计、灯具旋转式分布光度计、双镜式分布光度计、圆周运动反光镜式分布光度计和中心旋转反光镜式分布光度计等［3］。根据瞄准精度和与菲涅尔光源配合使用两方面考虑，选择灯具旋转式光强分布测量方法。

综上设计成像式照度探测系统，如图3所示，主要包括分光成像模块、图像采集模块、照度探测模块。

2 实验过程及结果分析

2.1 实验过程

实验目的：测量菲涅尔光源光强空间分布、杂光衰减率，分析影响测量精度因素。实验方式为灯具旋转式分布光度计光强测量方式，测量步长选择为0.1°。菲涅尔灯固定放置在角度标准系统平台上，其主要参数为：承载能力：50 kg（含安装卡具）；转角范围：－360°～＋360°连续；定位误差：±2″。光源选择口径为20 cm的圆形发光面菲涅尔光源，采用稳压稳流电源为其供电，保证发光的均匀一致性。测量距离为5 m。

2.2 光源光强空间分布分析

测量结果如图4所示。

图4中，直线为菲涅尔光源理想发光曲线，由于测量距离不是无限远，因此理想发光曲线下降边缘斜率不为无限大。光源测量角度为光源对准探测器的角度。测量值为本测量系统输出的数字值，经过系统标定之后转化为照度值，根据实验位置关系可以推算得到光源光强值，该系统输出数字值与光源光强为线性关系。高次曲线为实际测量值。

由图可知，实际测量光强最大值与理想值基本重合，但由于测量距离较远，在传输过程中，存在光能损失，所以不完全重合。在发光角度15°以上时，理想光强为0，由于实验是在实验室内进行，存在光的室内不规则散射问题，因此该范围内的实际测量值为室内散射光。在下降边缘处，实际测量曲线与理想曲线很接近，说明该系统对光源光强空间分布测量准确。在下降边缘测试曲线与理想曲线的相关系数为0.9626，符合国家对电光源发光强度所规定的检测要求。

2.3 杂光衰减率分析

在相同实验条件下，通过对比光源未照射时成像式照度探测系统所测得的照度值与该实验系统去掉成像系统之后测得的照度值，分析该系统对空间杂散光衰减率。

成像式照度探测系统读数E1＝16 lx，直接测量读数E2＝2205 lx。杂散光衰减率为

3 影响测量精度因素分析

3.1 光强测量精度与测量位置关系分析

当前很多光源的口径较大，在测量时不能近似为点光源，而作为面光源参与分析。对于发光面为圆形的菲涅尔光源，当其发光面为朗伯体时，在距光源一定距离处测得的发光强度可以表示为

式中：E为照度值；l为测量距离；r为光源半径；L0为光源距测量点的距离；θ为测量角度；ρ，φ为测量点所在位置的极坐标。相对测量误差ε为发光强度的真值减去测量值所得的差值与真值之比。当照度计位于光源发光面中心法线上时，发光强度测量相对误差ε与相对测量距离l／r关系如图5所示。

从图5中可以得出，照度探头位于光源发光面法线上时，随着相对测量距离的增大，相对测量误差急剧减小。在光强检测时，应当根据对测量精度的要求，选择相应的相对测量距离。

当照度探头位于发光面中心法线以外时，不同相对测量距离时发光强度测量误差ε如表1所示。

从表1可以得出：①同一个测量方向的测量误差ε随相对测量距离l／r的增大迅速减小；②相对测量距离l／r相等时，测量误差随测量角度θ的增大而逐渐减小，即当θ在－20°～＋20°变化时，在边缘测量发光强度的精度比在中心测量时高。

3.2 光强角度分布精度与测量位置关系分析

菲涅尔光源结构如图6所示，发光面位于菲涅尔透镜焦平面，灯丝发出的光通过菲涅尔透镜形成一束平行光，用于远距离的指示作用。由于灯丝具有一定的尺寸，灯丝边缘发出的光通过菲涅尔透镜后形成的光柱不与光轴平行，因此菲涅尔灯的出射光线具有一定的发散角度。

理想菲涅尔光源光强空间分布，当角度大于γ／2时光强为0，小于γ／2时光强为平均分布，γ为光源发光的发散角。当发散角γ为1°时，在不同相对距离下对菲涅尔光源进行测量，以相对光强随角度分布关系作图，如图7所示。图7中，l／b为相对测量距离，b为菲涅尔透镜的边长；Iθ／I0为相对光强值，Iθ表示测量角度为θ时的光强；I0为θ＝0时的光强。

从图7中可以得出：①相对测量距离越小，中心相对发光强度测量误差越大，随相对测量距离的增大，逐渐趋于真值；②随着相对测量距离的增大，相对发光强度强度边界越来越陡峭，也越接近真实值；③相对测量距离越大，发光面相对光强分布曲线越接近其上各点的相对光强分布。

图8为光束发散角γ为10°时不同相对距离下测量得到的相对光强分布。比较图7与图8，通过分析得出：①在相对测量距离l／b一定的情况下，对于不同光束发散角的菲涅尔信号灯，其边界相对发光强度随测量角度θ的变化率是相等的。也就是说，相对发光强度分布测量误差只与相对测量距离l／b有关，而与信号灯本身的光束发散角γ无关；②信号灯边界发光强度变化曲线斜率正比于相对测量距离。如表2为不同相对测量距离下信号灯光束边界的相对光强变化斜率。

其中斜率k的计算公式为

因此，要保证光源光强空间分布测量的准确性，就需要在较大的相对距离下测量。

4 结论

本文通过分析成像式照度探测光强原理，设计了光源光强空间分布测量系统。通过实验证明该系统具有测量精度高、对空间杂散光抑制率高等突出优点。进一步分析影响光源光强测量精度和光源光强空间角度分布精度的主要因素，得出了相对测量位置与测量精度之间的关系，本文研究结果对光源光强空间分布的测量具有很好的实用价值。

［1］王修岩，李宗帅，乔辉.基于三自由度携载机构的助航灯具光强检测系统设计［J］.计算机测量与控制，2009，17（12）：2385－2387.

［2］左勇，武文彬，徐晓波.基于成像式照度探测的菲涅尔光学助降系统检测方法研究［J］.机械工程师，2012（7）：92－94.

［3］陆小建，徐明泉，张建明，等.LED光源的光谱功率分布［J］.光学技术，2011，37（S0）：56－59.

［4］任豪，王巧彬，李康业，等.LED光源光强空间分布特性的快速测试［J］.光学仪器，2008，30（6）：6－9.

［5］谢菡.光源检测相关专利简介［J］.中国照明电器，2011（3）：29－30.

［6］Ohno Y.NIST Measurement services：Photometric Calibrations［R／OL］.NIST Special Publication 250－37，1997.［2013－09－12］.http：／／www.nist.gov／calibrations／upload／sp250－37.pdf.

［7］CIE.CIE 191：2010 Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance［R／OL］.［2013－09－20］. http：／／onlinelibrary.wiley.com／doi／10.1002／col.20669／full？globalMessage＝0.

［8］郑世鹏，郭晓亮，张磊.测试距离对LED灯具光强检测精度的影响［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2010，24（2）：95－98.

［9］王云岭，高建树，王立文.助航灯光光强检测数据处理方法研究［J］.中国民航大学学报，2008，26（4）：22－24.

M easurem ent of Lum inous Intensity Based on Im aging Illum ination Detect

TANG Cuirong1，LIU Jun1，WANG Shanshan2，ZUO Yong1，WU Wenbin1
（1.Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China；2.Beijing University of Technology，Beijing 100081，China）

In the field of space light intensitymeasurement，themethod based on imaging illumination detect hasmany outstandingmerits，such as accuratemeasurement and anti-back light interference，and it has attracted broad attention.Based on this theory，a new system for the measurement is developed.The system was tested by experiments，and conclusion wasmade on the relationship between themeasurement positions and themeasurement errors of luminous intensity.The system is of high practical values.

luminous intensitymeasurement；imaging illumination detection；influence analysis

TB92；O432.2

B

1674－5795（2014）01－0035－04

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.01.10

2013－11－14；收修改稿日期：2013－12－19

国家“十一五”技术基础科研项目（J052009B002）

唐翠荣 （1961－），女，工程师，从事几何量计量与测试技术研究工作。