逆反射亮度系数校准装置研制及测量误差影响因素分析

李 奕,周秉直,赵飞虎,秦 宇,李 荣,张晓颖,贾 煜

(1.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710065;2.西安天睿软件有限公司，陕西 西安 710065)

逆反射亮度系数校准装置研制及测量误差影响因素分析

李 奕1,周秉直1,赵飞虎2,秦 宇1,李 荣1,张晓颖1,贾 煜1

(1.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710065;2.西安天睿软件有限公司，陕西 西安 710065)

校准装置采用DSP为主控芯片，结合高精密传动机械结构的角度控制系统，选用分光辐射亮度计实现逆反射亮度系数的测量.相比于传统使用弱光照度计的发光强度法，其具有测量精度高、对实验暗室杂散光环境要求低、测量距离要求短，高准确度分光测色能力等优点，且自动化水平高，操作简单、测量误差影响因素少、易处理等特点.

逆反射亮度系数；分光辐射亮度计；影响因素；校准装置

逆反射是指反射光线沿靠近入射光的反方向返回，而且当入射光的方向在较大范围内变化时，仍能保持这种性质的反射[1].逆反射也被称为反光、回射、回归反射、回复反射、定向反射或反向反射[2]，原文是Retro-reflection，也可以写成Retroreflection.Retro-reflection特指光线照射到一表面后反射回到光源方向的现象.具有逆反射性能的材料统称为逆反射材料，其原理是在相应的材料表面上植入一种高折射率的玻璃微珠或微棱镜结构，使光线按原路反射回光源处，从而形成逆反射现象[3].逆反射材料有反光膜、反射器、反光标线、反光衣物等，广泛应用在道路交通标志、标线、交通工具反光标识、特殊作业服装、消防标志、铁路标志、矿区标志等领域[4]，在保证交通安全等领域起到了重大作用.

在民用市场，即轻工、矿井、铁路、学生服装、各类服饰、衣帽、箱包等领域，除工装性质的反光服装外，逆反射材料在箱包、鞋帽、商标中已经有所应用[5].强制性国家标准GB 24407—2012《专用校车安全技术条件》、GB/T 28468—2012《中小学生交通安全反光校服》已经于2012年12月1日正式实施.显然，这一系列出行安全防护标准的出台，为逆反射材料的民用化打下了扎实的基础.

1 研究现状和测量原理

2011年中国计量科学研究院(NIM)光学与激光科学研究所研制成功我国首台逆反射系数测试装置，实现了我国反光材料逆反射系数高准确度的检测和校准，其检测结果的不确定度为Urel=3.6%(k=2).装置使用光强标准灯对测试系统进行量值溯源，测量原理为发光强度法(图1).该装置的建立为我国逆反射产品的质量控制和合格评定提供了准确可靠的量值溯源保证，解决了长期以来我国对逆反射材料测量和性能评价不统一的问题[6].

图1 逆反射系数测量原理图

国内外也有不少公司推出商用逆反射系数测量仪器(图2)，采用的均是发光强度法.即逆反射在观测方向的发光强度I(I=E×d2，E为弱光照度、d为弱光照度探头到样品表面的距离)除以投向逆反射体且落在垂直于入射光方向的平面内的光照度E⊥之商，再除以逆反射面的被照面积A之商.公式为

(1)

图2 发光强度法测量装置实物图

本研究中设计的逆反射亮度系数校准装置(图3)采用直接亮度法，即逆反射面在观测方向的光亮度L，除以投向逆反射体在垂直于入射光方向的平面内的光照度E⊥之商.公式为

(2)

图3 逆反射亮度系数校准装置实物图

对比以上两种方法的计算公式(1)和(2)可见，发光强度法需测量弱光照度、弱光照度头到被测样品表面几何中心距离、样品表面垂直照度和有效反光面积等4个变量；亮度法仅需测量样品表面亮度和垂直照度2个变量.少了探测器到样品表面距离和有效反光面积两个参数，就意味着减少了误差来源.因此，理论上亮度法的测量结果准确度，比发光强度法要高.

2 校准装置研制方案

2.1 光源和光度探测器

本校准装置使用OPT-2004型远距投射式A光源，使用一级颜色温度标准装置将此光源色温标定为2856 K，在距离16 m处形成直径约30 cm的光斑，所用标准级照度计测量光斑的照度均匀度为95%，30 min稳定性为1%，图4为所用的标准A光源，主要由光源室和光准直系统构成，光从光源室通过光纤导入准直系统入射端.

图4 OPT-2004型远距投射式A光源

图4中，准直系统通过前后两个高度可独立调节、带磁性的支架吸附在光学平台上，准直系统后端设有调焦和光度微调机构，光源室上的旋钮可对光源色温进行调整.

照度计采用德国Optronik公司的Digilux 9500型照度计(图5)，准确度等级为标准级，分辨率为0.01 mlx，测量上限为2000 klx.

图5 Digilux 9500型照度计

分光辐射亮度计采用日本柯尼卡美能达公司的CS2000A型分光辐射亮度计(如图3所示)，使用反射型衍射光栅，偏振误差小，半波宽为5 nm.亮度测量范围为(0.01～50 000)cd/m2，准确度等级为一级.

2.2 角度控制方案

根据CIE逆反射定义与测量标准规定，逆反射体光度性能的测试，对测试入射角和观测角都有明确的要求.因为测试角度的变化直接影响测试结果，逆反射材料的特殊性使得逆反射体在不同的角度具有变化的反射率[7]，因此对角度的准确度要求很高[8].本套装置选用以DSP为主控芯片、结合高精密传动机械结构的角度控制系统来实现测试角度的调节与控制.系统框图如图6所示.

图6 角度控制系统框图

DSP选用TI公司C2000系列DSP TMS320F2812PGFA作为微处理器，包括中断、事件管理器模块、SCI串行通信接口和GPIO口.DSP主要完成以下功能：控制3个电机驱动器；转换上位机控制指令；与计算机信息交互而实现人机交互.

2.3 传动系统和旋转机构设计

入射角的调节由步进电机通过联轴器带动水平旋转台完成操作.旋转机构需要将电机的旋转运动，转化为旋转台的台面做旋转运动.旋转台的传动机构和导向机构分别选用蜗轮蜗杆和交叉滚柱轴环，如图7所示.蜗轮与蜗杆的啮合是渐入与渐出，故冲击载荷小，转动平顺，负载能力较大、精度较高.交叉滚柱轴环中的滚柱与V型导轨面是线接触，通常可以承受较大的轴向和径向的负载，保证各个滚柱受力均匀，抗磨损.

图7 旋转台的传动机构和导向机构

旋转台的转动蜗杆每转一周，旋转台面旋转2°，步进电机的步距角为1.8°/步，电机驱动器的细分数设置为8，所以步进电机每走一步，转台的转角是0.001 25°.测试标准中规定，入射角的精度控制在其余角的0.5%内，入射角最小为4°，其精度应为0.43°.故本设计中的旋转机构满足系统要求.

3 测量误差来源分析

3.1 光源的光谱成分的影响

CIE标准照明体A是由色温为2856 K的标准光源来实现的，两者的相对光谱功率分布应接近一致.模拟某一种标准照明体的人工光源，最根本的问题就是复制出这种照明体的相对光谱功率分布，要把这一效果做到完全相同是非常困难的[9].

图8所示为本校准装置远投均匀A光源与标准照明体A的相对光谱功率分布曲线.

图8 标准照明体A与远投均匀A光源相对光谱功率分布曲线

逆反射体的亮度，由光源的光谱功率分布、逆反射体的光谱反射比和光谱光视效率函数三者的乘积决定[10].不同颜色逆反射体的光谱反射率曲线差异很大.当测量某一确定的逆反射体时，在确定的测量条件下其光谱反射率是确定的，光源光谱功率分布的变化，将影响逆反射体的亮度，亮度的变化将直接影响逆反射亮度系数的改变.如果已知某一逆反射体反射光的光谱功率分布为S(λ)，则人眼感觉它的亮度可用式(3)来计算：

(3)

式中，K=683 lm/W为调整系数.逆反射体的反射光光谱可通过光谱拟合的方式得到，逆反射体的亮度可通过式(3)计算得到.将标准照明体A光谱下的计算值作为标准值与本系统均匀A光源下的值比较，得到逆反射亮度系数的修正因子.

3.2 对不同材料照明观测角度的影响

逆反射材料主要有两种结构玻璃微珠型和微棱镜型.逆反射材料的光谱反射率随光线入射角的不同也不相同，一般随入射角的增大，光谱反射率逐渐减小[11].图9所示为高强级(玻璃微珠型)和钻石级(微棱镜型)白色逆反射材料的亮度和入射角的关系图.

图9 不同材料的亮度与观测角度关系曲线

测试时照度值不变，亮度值与光谱反射率成正比.高强级为玻璃微珠的密封胶囊型逆反射材料，其光谱反射率随入射角的增大先增大后减小.图10所示为白色密封胶囊型逆反射材料示意图.当入射角很小时，一部分入射光线照射在玻璃珠之间的间隙内不能形成逆反射，随着入射角的增大，照在间隙内的光线逐渐减少，逆反射光线增多.当入射角增大到一定值，虽然光线照射在玻璃珠内，但不能形成有效逆反射的入射光线增多，所以光谱反射率反而减小.

图11为钻石级微棱镜型结构，其光谱反射率随入射角的增大不断减小.微棱镜型逆反射材料产生逆反射光线的条件是，任意方向的入射光线必须经过微棱镜的3个面依次反射一次，所以要得到逆反射光线，入射光线必须照射在微棱镜的有效反射区域内.当入射光线垂直入射时，其有效反射面积最大；随入射角的增大，有效反射面积逐渐减小[12].所以微棱镜型逆反射材料的光谱反射率，随入射角的增大不断减小.因此，必须精确的控制光源的入射角度和观测器的观测角度，来降低其对逆反射亮度系数测量的影响.

图10 密封胶囊型材料示意图

图11 微棱镜型材料示意图

3.3 光度测量仪器匹配误差的影响

光度、色度测量的主要问题是如何再现人眼对光谱的响应.光度测量系统的光谱响应度应符合视见函数，而光电二极管、光电倍增管等光辐射探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行匹配[13].

匹配误差是针对明视函数的光谱配置误差.CIE逆反射测试标准要求光度测量仪器的应小于3%.本系统使用照度计Digilux9500光视效率函数的匹配误差f1<2.5%，分光辐射亮度计CS2000A的光视效率函数采用分光测量形式，不存在与光视效率匹配的问题.

3.4 实验室杂散光和长度的影响

杂散光是指掺杂到被测主光束中的其他光束和掺杂到测量谱带内的其他波长的辐射.杂散光主要是由于光路中的光学元件以及光路侧旁物体的反射、折射造成的.逆反射材料是在暗环境下使用的，杂散光会给测量结果带来较大误差，因此校准装置对所在的实验室的暗环境有较高要求，必须对杂散光进行限制处理.在光度测量中减少杂散光通常采用设置光阑、涂黑并加大光路周围空间和设置强杂散光束陷阱等方法.

鉴于分光辐射亮度计在测量视场外具有极高的抗杂散光抗干扰能力，所以重点屏蔽测量视场内杂散光的影响即可.传统发光强度法测量装置使用的弱光探测器对其前半球面的杂散光均有响应，因此对实验室整体屏蔽杂散光的要求更高.根据相关标准规定，杂散光应小于直射光的5%.在实际测量中，本装置的实测杂散光的亮度一般在0.005 cd/m2以下，而反射光亮度最低在3 cd/m2以上；照度通常在0.015 mlx以下，而垂直照度在10 lx左右.因此，在本测试系统中杂散光对测量结果的影响可以忽略不计.

发光强度法测量发光强度量值时使用点光源近似，则必须满足被测样品有效反光面最大直径远小于弱光照度探头到样品表面距离的要求，此时应用发光强度和弱光照度满足距离平方反比定律.因此实验暗室的长度不能太短，至少15 m以上.而分光辐射亮度计测距无需对距离额外要求，故其对实验暗室的长度要求较短.

4 比对结果验证

校准装置搭建在全遮光暗室中，测试距离16 m，照明观测条件入射角为-4°、观测角为0.2°.使用一套中国计量科学研究院研制的5种颜色的逆反射标志标准板，对装置校准结果的可靠性进行检验.如图12所示.测试结果与中国计量院的校准结果的比较如表1所示.

图12 逆反射标志标准板

标准板颜色标称值/(cd/lx/m2)测量值/(cd/lx/m2)相对误差/%白299.2302.11.0黄200.5204.31.9红52.454.13.2绿63.365.12.8蓝25.724.8-3.5

此套逆反射标准板中国计量科学研究院校准证书中测量结果的不确定度评定为Urel=5.0%(k=2)，通过以上实验数据的对比，校准结果与中国计量院校准结果的相对示值误差均在4%以内，本校准装置相对误差小于标准板的测量不确定度，结果可信.

5 结语

本逆反射亮度系数校准装置的研制成功在逆反射测量方面是一项有益的探索，其测量误差小于采中国计量科学研究院所给的不确定度，证明了采用亮度法设计逆反射亮度系数校准装置是科学的、可行的.通过对各项影响因素的研究，确定光源的光谱成分、不同逆反射材料照明观测角度对本套装置测量结果有一定影响.本研究对前者进行了修正，对后者给出了解决办法，达到设计要求.本装置自动化水平高，操作简单、测量误差影响因素少且易处理，具有高准确度分光测色能力，对实验暗室杂散光屏蔽要求较低，特别适合暗室长度较短的实验室使用，可以有效降低暗室的固定资产投入，在计量检测机构中有推广使用的价值.

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(编辑 崔思荣)

Development of Calibration Equipment for Retroreflective Luminance Coefficient and Analysis of Influencing Factors of Measurement Error

LI Yi1,ZHOU Bingzhi1,ZHAO Feihu2,QIN Yu1,LI Rong1,ZHANG Xiaoying1,JIA Yi1

(1.Shaanxi Institute of Metrology Science, Xi'an 710065,China;2.Xi'an Tian-rui information limited company,Xi'an 710065，China)

The retroreflection coefficient brightness calibration device adopts DSP as the main control chip, combining the perspective of high precision mechanical transmission structure control system and spectral radiation luminance meter to measure retroreflection coefficient.Compared to traditional weak light of the luminous intensity method,it has such advantages as high measurement precision, low demands to the stray light environment of laboratory darkroom,short measuring distance and high accuracy of spectral color measurement capability.In addition, it also characterized by high automation level,simple operation,less measurement error factors and easy processing.

retroreflection coefficient; spectral radiation luminance meter; influence factors; calibration device

2016-10-03

国家质检总局科技计划资助项目(2013zjjz238)

李 奕(1979-)，男，硕士，主要从事光学计量及检测研究.

周秉直(1965-)，男，高级工程师，主要从事计量检测研究.

TN247

A

1674-358X(2016)04-0076-07