CCD成像型亮度计测量方法研究

　　0　引言

　　亮度是对发光面上单位面积在一个方向上的发光能力的定量表征,是光度学和光学显示系统中经常需要准确测量的重要参量之一。传统的亮度测量方法是点对点的测量方式[1],若要测量整个表面的亮度分布,则必须采用逐点扫描法进行测量,仪器结构复杂而且测量效率低。近年来随着CCD技术的发展,器件性能包括分辨率、灵敏度、动态范围都有了很大的提高,而且价格也越来越低,基于CCD的测量技术成为光学检测的一个主要手段[2-3]。CCD成像型亮度计成为亮度测量方法的一个研究热点[4]。利用光谱相应特性与观察者光视效率函数一致的CCD光电耦合器件[5],通过光学系统同时获取发光体的光辐射强度和图像,再经线性信号处理系统,可得到测量视场中被检测目标的亮度结果。

　　1　成像亮度计的测量原理

　　根据光度学和几何光学可以得到[6]:

　　其中:E为成像面上的照度;L为发光面上的照度;τ为发光系统的投射比(透过率);f为透镜焦距; l为透镜与发光面的距离;fm=f/D为系统的F数,D为孔径的直径。

　　一般f/l小到可以忽略不计,在一定的误差范围内(1-f/l)²可以近似等于1,式(1)可以简化为

　　式中该式即为成像型亮度计的基本公式。

　　2　亮度测量装置

　　CCD成像型亮度测试系统[7-8]是基于计算机技术和数字图像处理技术的光机电一体测试设备,其由成像光学系统、取景光学系统、探测器和显示处理系统组成。被测物发出的光经过成像光学系统,照射在CCD光敏元件面上,经过光电转换系统,利用图像采集卡通过模数转换,得到视频信号输入到计算机中。利用数字图像处理技术对图像进行灰度提取,然后利用已经标定得到的参数,根据图像中对应每个像素的灰度值和曝光时间得到被测物体表面对应的亮度值,最终描绘出被测物体表面的亮度分布。CCD成像型亮度计的组成见图1。

　　利用CCD相机制成的成像型亮度计与传统的点式亮度计相比,CCD成像型亮度计采用累积曝光的方法获取像元中的亮度信号,信号大小与曝光时间密切相关。通过改变成像曝光时间,可以显著增加CCD成像型亮度计的测量范围。同时通过对CCD相机增加制冷散热装置[9],可以有效降低长时间曝光导致CCD本身发热产生的热噪声影响,提高亮度测量精度,尤其是对低亮度被测物体的测量精度。传统的点式亮度计一般采用大面积光电二极管或光电倍增管作为光电探测器,光电流信号直接连续输出至后续的放大电路。而CCD成像型亮度计的每个像元的光电信号首先是在曝光周期内在电容器中存储累积,然后通过电荷耦合移位逐个像元以视频信号的形式输出。由于在CCD