LED光度測試的研究解決方案

　　本文探討了目前LED分布光度計的發(fā)展狀況，主要是對基于成像光度學(xué)，采用CCD或是數碼相機作為分布光度測量手段的儀器進(jìn)行了分析和研究。此研究根據LED為半面發(fā)光的特點(diǎn)，采用拋物面反射器的設置，對LED的發(fā)光進(jìn)行聚光反射，LED方向可通過(guò)步進(jìn)馬達進(jìn)行一定角度的轉換，從而得到不同角度位置的光斑，使用CCD或是數碼相機進(jìn)行測試。得到LED反射的發(fā)光光斑后，通過(guò)合適的圖像處理，可根據光斑得到LED的配光曲線(xiàn)。

　　1 引言

　　燈具分布光度計是一種大型的精密光學(xué)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(guò)機械控制探頭旋轉測量整個(gè)三維空問(wèn)的燈具光強分布。目前在發(fā)展中的這類(lèi)傳統分布光度計主要有旋轉反光鏡式分布光度計。運動(dòng)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℃IEl27一1997對LED的光學(xué)和電學(xué)測試進(jìn)行了要求，也是采用傳統光度測量方法進(jìn)行LED測試的依據。近年來(lái)，隨著(zhù)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(kāi)始逐漸尋求采用成像技術(shù)來(lái)進(jìn)行光度測量，目前已有可用于基于成像技術(shù)的亮度計，輔助傳統類(lèi)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(zhì)量控制的重要環(huán)節，尤其是隨著(zhù)LED等新光源和新興照明技術(shù)的發(fā)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(fā)展狀況及需求，進(jìn)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(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(jià)格比較昂貴，只有較大照明公司或是研究所才會(huì )購置。而國內一些生產(chǎn)光度測量?jì)x器廠(chǎng)家，其產(chǎn)品性能較好，有些方面能達到國際水平，也為國內各廠(chǎng)家所采用。國際上光度測量?jì)x器廠(chǎng)家也非常多，而產(chǎn)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（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)測量光環(huán)境的儀器，已經(jīng)用于一些科研實(shí)驗以及實(shí)用中，基于成像光度原理的測量?jì)x器，具有很大的發(fā)展空間。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(jiǎn)單快速地采集燈具光強分布數據，得出配光曲線(xiàn)。

　　2 測試原理

　　本文中使用成像光度學(xué)方法，解決非成像光度學(xué)問(wèn)題，通過(guò)圖像處理技術(shù)，結合光度學(xué)和視覺(jué)科學(xué)，采集。計算并快速獲得燈具配光曲線(xiàn)。圖l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(jìn)馬達，偏振片或柔光鏡，光學(xué)鏡頭組，CCD.CMOS或數碼相機等。測量時(shí)，將待測的LED光源通過(guò)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或數碼相機的光學(xué)鏡頭里，經(jīng)CCD.CMOS或數碼相機成像設備內置程序自動(dòng)測試判定，判定如果入射光光強過(guò)大（沒(méi)定閾值判定），則啟動(dòng)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(jìn)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y（A）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(jìn)行校正。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(huì )用事先標定好的公式對多幅光斑圖像進(jìn)行測算，推算出LED發(fā)出的光在空間分布的色度。亮度數據，LED也通過(guò)步進(jìn)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(jìn)行修正。

　　這些數據經(jīng)視覺(jué)參量修正后將被送往設備內固有的軟件進(jìn)行格式轉換，最后以IES格式輸出LED的配光曲線(xiàn)。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(jìn)行定標，然后采集LED發(fā)射光斑圖像，通過(guò)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(fā)射光斑后，通過(guò)軟件計算修正，得到LED配光曲線(xiàn)。

　　3 LED成像光度計結構

　　LED成像光度計結構如圖l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(kāi)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(kāi)口外徑相同。拋物線(xiàn)的開(kāi)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(diǎn)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(jìn)行調整。通過(guò)這樣測量，光強將會(huì )有兩次衰減，一次為拋物面反射，一次為接收屏透射。

　　4 LED成像測試計算原理

　　4.1計算原理

　　假設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(xiàn)經(jīng)過(guò)l1，通過(guò)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(xiàn)性質(zhì)，l1+l2=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(xiàn)，可求得角度值，如公式（2）所示。一般測量LED光強時(shí)，滿(mǎn)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(xiàn)到接收屏，經(jīng)過(guò)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(xiàn)性關(guān)系。

　　如果使LED在垂直方向有一個(gè)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(huì )相應變化，原來(lái)0℃方向的光強值，將會(huì )出現在5℃位置。如此處理，可以解決兩個(gè)問(wèn)題，一是LED本身遮擋住O℃方向的光強，通過(guò)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(guò)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(jìn)行修正。

　　對于光強，要計算進(jìn)拋物面反射率和接收屏透射率。如果光源光強值超過(guò)CCD測試范圍，則接收屏前加逐級加多片柔光鏡，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(xiàn)如圖6所示。

　　4.3實(shí)拍光斑測試示例

　　通過(guò)在實(shí)驗室里搭建測試平臺，采用朗伯型LED光源進(jìn)行測試，實(shí)際拍攝LED光斑圖像如圖7所示。其參數設置P取值為lOcm，接收屏距拋物面反射器距離80cm.經(jīng)過(guò)計算可得到LED配光曲線(xiàn)，如圖8.

　　5 小結

　　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(jìn)行了研究，對于具有半面發(fā)光特點(diǎn)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(shí)際LED的配光曲線(xiàn)，具有可行性，但是精確度不夠，仍然需要通過(guò)進(jìn)一步控制儀器精度，以及通過(guò)包括光斑圖像校正，多級光斑圖像處理等手段，來(lái)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(shí)現過(guò)程，沒(méi)有對其精度的控制進(jìn)行討論.