数码成像法测量面发光体亮度

　　1　引　言

　　传统的亮度计,一般只对发光体的某一点的亮度进行测量。若要测量整个发光体表面的亮度分布,则必须采用逐点扫描法,这种方法结构复杂且测量费时。在实际的工程应用中,光源往往都是面发光体,如照明现场的测量,眩光的评价,高速公路照明工程的验收,汽车灯配光屏上的照度分布等等。所以迫切需要一种方便快速的面发光亮度测量仪器。随着近年来数码成像技术的发展,数码成像器件的性能,无论是分辨力、灵敏度还是动态范围都有了很大的提高,其价格也越来越低。另外由于数码成像器件更容易实现与计算机的数据通信,因此,用数码成像器件来进行非均匀面发光体亮度测量,是一种非常有意义的方法。

　　2　成像亮度测量原理

　　成像亮度测量原理如图1,ΔS为发光体表面的某一面元,ΔS′为该面元通过光学系统所成的像元。P1P2和P′1,P′2分别为光学镜头的入射光瞳和出射光瞳。若光学系统为简单的透镜且等晕成像,根据阿贝定律,像面的亮度与物面亮度的关系为:

　　(1)式中的τ为光学透镜的透射比,n′和n分别为像方和物方的折射率。一般n′=n=1,则L′=τ·L。因此可以通过测量像面上的亮度来测量面发光体的亮度。

　　图2为亮度仪光学系统示意图,在该系统中,低通滤波器滤除对成像无贡献的高频部分,300万像素的面阵CCD成像器件来实现面发光亮度的测量[1]。

　　3　成像亮度测量装置

　　数码成像亮度测试系统是基于计算机技术和数字图像处理技术的光机电一体,由成像光学系统、取景光学系统、探测器和显示处理电路组成以及后面的软件系统。被测物经过光学系统,在CCD光敏面上成像,接着经过光电转换、量化、转移、读出后,通过视频采集卡以模拟视频信号(图像的格式)在计算机上输出。最后经过软件系统的图像分析,计算获得亮度值,具体的说,就是先对这些图像进行灰度提取。然后,用已经定过标的自制程序,根据图片的灰度值和曝光时间,计算出该图像所对应的原物的每一个点的亮度值,再根据这些亮度值就可以描绘出原物的亮度分布,如图3所示:

　　CCD数码成像仪的亮度测量过程与传统的点式亮度计存在较大的差别。具体包括下列几方面:

　　3.1　光电转换

　　CCD数码成像仪是采用累积曝光的方法获取像元的亮度信号,信号大小与曝光时间密切相关。通过改变成像曝光时间,显著地改变CCD数码成像的光电测量范围。但是当曝光时间较长时,CCD本身的热噪声会明显增大,影响测量精度。通过加制冷器,可以有效地抑制CCD数码成像仪的热噪声,提高低亮度目标测量精度。