单缝衍射与光强分布测量(预习报告)_百度文库
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单缝衍射与光强分布测量(预习报告)
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光衍射相对光强分布的测量
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你可能喜欢LED和LED灯具全空间分布光度测量技术_图文_百度文库
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LED和LED灯具全空间分布光度测量技术
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&&光​分​布​研​究
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&&用于光学设计和仿真的灯具近场亮度和色彩分布的测量Hubert Kostal*, Douglas Kreysar, Ronald Rykowski Radiant Zemax, Inc., 22908 NE Alder Crest Dr., Ste. 100, Redmond, WA USA98053 摘要&&&&&& 大型光源的亮度和色彩分布之所以难以测量，是因为它需要的测量空间大。本文中，我们将介绍一种优于传统远场测量的、在小空间内测量大型光源的方法：使用一台经过校准的高动态范围的成像亮度计，配合两轴角度计带动光源在亮度计的视场内自动按一定顺序转动。此测量在光源近场进行，因此不需要很大的空间；近场的详细色度和亮度测量结果不仅可以直接转换为光学设计所需的射线集，而且可以推算出光源的远场分布。这种方法比传统的只用成像亮度计和分布式光度计的方法都好，适用于紧凑的实验室空间，可以得到各种光源的全部近场数据并用于光学设计和仿真。Keywords: imaging colorimetry, optical design,illuminance distribution, near-field models, imaging goniometer 关键字：成像色度学，光学设计，照度仿真，近场模型，成像角度计简介&&&&&& 为进行光学设计和产品认证，建筑、汽车、道路、安防、娱乐等照明系统的色彩和亮度输出分布都需要限定和预测。然而，由于光源本身和需要的空间都很大，色彩和亮度的分布很难测量。一般来说，大型光源的远场测量通常都需要很长的距离——3米或以上——在小空间内建立这种测量既不容易又昂贵。&&&&&& 传统的照度分布测量方法基于分布式光度计或者成像亮度计。前者是把光源安装在两轴角度计上，光度探头被固定在足够远的地方以进行远场测量。光源在两个方向上转动，使得探头能采集到光强的整体空间分布。光强分布采用单点描述，且可以转换为照度分布。另一种分布式光度计则采用转动反射镜的方法。分布式光度计系统可以得到非常精确的色彩和亮度分布，但是对于大型光源测量，它有两个致命的缺陷：(1)只能提供测试距离下的强度分布；(2)需要很大的空间进行远场测量。& & 采用成像亮度计测量照度分布的方法是将光源直接照射到位于远场的屏幕上，用成像亮度计来一次捕捉光照的图像。该屏幕必须足够大才能捕捉到光源所有的输出(或者至少感兴趣的部分)，且需经过独立的校准，以消除屏幕本身的缺陷。这种方法测量速度非常快，而且与分布式光度计相比，花费非常低。对于发光角度大的光源，需要非常大的屏幕来进行远场测量，甚至有时候是无法实现的。同样的，它也只能提供测试距离下的光强分布。&&&&&& 测量大光源所需的空间问题可以通过另外的角度来解决：不同于远场测量，结合两轴角度计和固定在光源近场的成像亮度计的测量方法，可以在节约空间的同时测量近场亮度和色彩输出分布。它能产生光源的近场模型，并推测出任何距离下的照度分布。这是比分布式光度计和单独成像亮度计都复杂的测量，适用于大型光源如筒灯、灯管和汽车头灯。近场分布测量方法&&&&&&&& 这种方法的理论是：将光源的近场角度与亮度和色彩近场分布模型结合在一起，可以推测出——投影——任何距离的光输出。系统包含用于捕捉亮度和色彩数据的高动态范围成像亮度计，和用于倾斜、转动光源的两轴角度计以及控制测量自动进行的软件。典型的系统如下。图 1 采用成像色度计直接测量大型光源的两轴角度计2.1 两轴角度计& & 该两轴角度计支持垂直方向角度+/-90°倾斜(从向上到向下)，水平方向从左到右+/-90°旋转。两个转动轴的角度精度都是0.25°。机械设计上的独特之处在于使用了矩形框，不仅大致定义了测量的平面，而且提供了更稳定的光源固定点。可以支持最大25kg的均衡待测光源。有些光源可能会超出框架的边界，如图2所示，灯管长1.2m，也能测量。如果需要的话，框架上可以连接待测光源的电源。同时，它的电路非常简单，这样就不会在测量过程中影响角度计的转动。这就是Radiant Zemax的NFMS-800。2.2 成像色度计& & &系统使用的成像色度计必须具有足够的空间分辨率和动态范围，以便测量光源的细节部分。这里使用的是Radiant Zemax 公司的PM-1423F-1成像色度计，它的分辨率是1536×1024，动态范围为14-bit(&16K灰度等级)。因为光源是直接照射的，可能会用到ND滤光片。选择镜头焦距的原则是，在离角度计适当远的工作距离下，使得成像色度计能完全捕捉光源的全部细节。成像色度计可测量色度参数，光度参数或者辐射度参数。图2 两轴角度计允许光源超出框架的边界，因此也能测量灯管和平板2.3 测量控制和分析软件& & 控制软件控制角度计——也就是光源——相对于成像色度计的位置，也就是控制测量的顺序。它的另一个使命是使成像色度计与角度计同步。此外，软件还可以在整合所有测量结果为光源近场模型的同时，调出单独的测量图像。图3是控制和分析软件的截图(Radiant Zemax PM-NFMS软件)。图3 软件有三个主要功能：(1)测量设置；(2)自动控制测量；(3)测量结果分析。图片显示了对捕捉到的样品光源的色度图像的几种分析方法。2.4 测量的设置和执行& & 在测量设置前，成像色度计需要准确放置在正对角度计的中心点处。这样，成像色度计的中心轴(注：成像色度计镜头的中心线)就能正对角度计两个转动轴的中心——因此成像色度计的正面刚好与角度计的框架平行。手动放置初始位置，然后采用激光准直并通过软件微调角度计进行精确对准。通常测量过程中，光源需要在垂直方向角度+/-90°倾斜(从向上到向下)，水平方向从左到右+/-90°转动(但是只在有效的点运动以提高测量速度)。& & 测量的角度步进最小可设置为0.1°，虽然对于实际应用来说，2.5°到5°已经足够精密了。它还可以在不同的测量区域设置不同的角度步进值——法线角附近步进值小，远离法线角的两端步进值大。测量时间通常为半小时到两小时，取决于光源和测量的角度步进值。完整描述一个光源通常需要收集超过1000张图片。& & 光源每个指定角度的测量结果都包含亮度和色彩信息。角度计带动光源倾斜和转动，以便成像亮度计能完全测量整个光源。多次采集的图像从各个视角获得了光源输出的角度分布(这比单点式测量模型数据量更丰富)。2.5 近场模型和射线集生成软件一旦获得测量结果，就会将其整合为描述光源亮度和色彩分布的近场模型，并以光强形式给出，光强I(x,y,z,?,?)是位置(x,y,z)和角度的函数(?,?)。如果进行了色彩测量，这个函数还会包含色坐标值。近场模型可生成射线集，用于光学设计和外推光源的远场分布。& & 对于光学模型，上面的光强函数用来生成可导入光学设计软件的射线集：随机选取射线传播方向(?’,?’)和光源上的初始像素(x’,y’,z’)生成射线集。随机选取可基于蒙特卡罗法，也可以基于加权了方向和位置的亮度分布。第二步是重要性抽样，决定了较少射线数量射线集的建模精度。为了生成射线，实测强度函数演变为基于起始点和方向外推强度值，起始点是射线与用户定义的光学平面交叉的点。通常建立射线集需要生成十万到千万条射线。2.6 外推远场的强度分布& & 生成远场分布的方法与上面相似，只是强度分布被简化为I(?,?) ，对所有数据来说，(x,y,z) = (0,0,0)。这是因为生成远场强度分布时，光源被当做点光源。3. 测量结果举例& & 近场分布测量方法适用于各种大型光源，如建筑照明，聚光灯和汽车头灯。由于这几种光源都是用于远距离照明，因此我们感兴趣的照明面也会离光源非常远，如果用远场测量方法测量的话，会需要非常大的空间。例如，传统的汽车头灯测量距离是100ft(约30m)，而且要有专业(昂贵)的设备。虽然这种设备确实被指定用于认证测试，但对于研发设计、光源来料评估、质量追踪等测试来说，它实在过于昂贵。采用近场测量方法，上述测试都可以在普通实验室完成。3.1 汽车头灯测试结果& & 我们采用近场成像角度计测量了一个封闭式头大灯(飞利浦H4701卤素远光灯)，并将其与成像色度计和分布式光度计两种传统方法进行比较。测量的结构图如图1 所示。近场成像角度计测量中成像色度计到光源表面的距离为680mm，另两种测量方法的测试距离为3.4m。图4 是头灯在不同倾斜角下的直接测量图像。图4 捕捉头灯在不同倾斜角下的直接测量图像。随着头灯的位置变化，观察面上的光分布也会发生变化。& & 近场测量图像可以直接用于评估光源的性能，或外推任何距离下光源的强度分布。图5是680mm和3.4m处，光源的强度分布比较。图5 汽车头灯光输出比较，680mm(近场)，3.4m(远场)。光源近场和远场光强分布的不同是显而易见的。3.2 与其他测量方法的比较& & 我们重复测量了该头灯，分别采用成像亮度计(测量光源在屏幕上的照明图案)和分布式光度计测量，测试距离为3.4m。将得到的结果与近场成像角度计外推的结果进行比较，结果都显示在图6。水平横截面的强度分布比较如图7。图6 采用单点式分布式光度计、成像色度计和近场成像角度计外推的3.4m处汽车头灯强度分布比较图7 采用三种不同方法测量的头灯3.4m处水平横截面强度分布比较，可以看出，结果非常一致。尤其是近场成像角度计外推的结果与另外两种直接测量的结果非常吻合。& & 经过以上测量方法比较，我们应该可以观察到：首先近场成像角度计外推的结果与直接测量的结果非常一致；其次，近场成像角度计建立的模型能够成功地外推光源在任何距离处的光强分布，因此它可以用在各种光学设计应用。4. 结论& & 近场成像角度可以提供光学设计和模拟所需要的全部近场数据，包括色彩的角度分布，而且可以从多角度捕捉光源的细节图像。这些数据对照明系统的研发非常有用，因此广泛用于测量包括建筑照明和其他大型灯具在内的各种照明系统。& & 测量方法的选择取决于多个因素，如测量数据的预期用途，测量花费的时间，测量设备需要的空间和费用。表1 概括了三种测量方法的优劣。需要注意的是，近场成像角度计可以建立光源的近场模型，它包含的信息量比另外两种方法多很多。细节数据可以用于各种照明设计，例如模拟光源在复杂环境下的效果。表1 大型光源强度分布测量的各种方法比较。测量方法的选择取决于待测物，空间和时间，还有费用。 &设备类型成像色度计成像角度计分布式光度计近场测量&●&远场测量●●●角度分辨率高高高亮度/色度准确度好好非常高需要空间大中大费用低中低/高速度快慢慢备注是测量速度和结果数据的折衷提供最丰富的数据量的同时，只需要很少的空间准确度非常高，但是需要很大的空间&参考文献[1] Rykowski, R; Kreysar, D., “Comparison of Various Methodsto Measure Luminous Intensity with an Imaging Colorimeter.” 2008 CommissionInternationale de l’Eclairage Expert Symposium on Advances in Photometry andColorimetry, Vienna, Austria. [2] Rykowski, R. and Kostal, H., “Imaging Colorimetry:Accuracy in Display and Light Source Metrology”, Photonics Handbook (2008). 注：版权所有。如需转载，请注明出处。&&
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