成像法测量积分球的亮度均匀性

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光辐射计 、亮 度计及光 电池都能够直接或间接地获得物面的辐射亮度 ，只是在测量 过程 中需要逐点测量 ，不仅耗 时，过程复杂而且成本较 高，目前基于数码相机的成像式亮度测量技术发展迅速 ，2000年英国学者提 出数码相机获得 的照片可以用于亮度的近似测量口]，2004年伯克利国家实验室对高动态范围照片应用于亮度测量进行了评价 ]，2006年以后 Helke等人将图像式亮度测量应用到工程实践 中[3-7]，国内也有不少单位在进行这方面的研究 ，清华 大学利用 数码相机对体育馆的照明系统进行 了测量 ，由数 码照片提取 的亮度估计值与实际测量 的亮度值-致[8]，中国建筑科学研 究 院 对 成 像 式 亮 度 测 量 的误 差 进 行 了分析9]，西安 电子科技大学将成 像式亮度测量方法对 LED显示屏的亮度进行了评估l1 ，与传统的亮度测量方法相比，成像式亮度测量方法具有如下的优势 ：收稿 日期 ：2012-12-05； 修 回日期 ：2012-12-25作者简介 ：吕涛(1984-)，男 ，河南济源人 ，博 士研究生 ，主要从事 外空 间环境 目标模拟光学 设备 和空间光 学仪器 的研 究工作 。Email：lvtao1984###gmail.tom杰应用光学 2013，34(2) 吕 涛，等：成像法测量积分球的亮度均匀性 ·309 ·a)通过相机采集图像 可以获得整个空间的亮度信息，获得的数据全 面，避免了传 统方法采样点有 限导致分析结果的片面性 ；b)成像式亮度测量方法避免 了测量距离不 同和测量角度不 同带来的测量误差；c)成像式亮度测量方法可以便捷地获取物空间的相对亮度分布 。

某项 目中需要-种 能够照亮胶片 的光 源，要求光源在 600 nm800 nm有较强的辐射能量，并且要求通过投影镜头观察胶片时胶片位置处(也是积分球出光 口的位置)的亮度不均匀性要优于土5 ，设计采用了内部涂有 聚四氟 乙烯涂层 的积分球 ，由于设 计指标不关注积分 球 出光 口处 的绝对亮度 ，而是 对积分器 出光 口处的相对亮度 分布即亮度的均匀性 更关注 ，因此设 计采用成像 式亮度测量的方法对积分器 出光 口处 的亮度均匀性进行检测。

1 测量原 理1.1 成像式 亮度测量方法成像式亮度测量方法是基于像面上所获得的照度正比于物体的亮度，且不随距离或角度的变化而变化 ，相机像面上的照度公式如下[ ：E - L( 1- (1)式中：E为像面照度； 为光学系统透过率；L为物体的亮度；D为相机的入瞳直径；f为相机的焦距；d为物距 。

实际测量时 ，d》 f，则公式 (1)简化为E KL式中 K - (显然当 D/f不变时亦即相机的 F数保持不变时，K为定值，此时像面照度与物体亮度成正 比关系。

成像系统焦平面的曝光量与像面照度的关系如下 引：H Et式中：H为像平面的曝光量；E为像面照度； 为曝光时间。

像面的曝光量决定着像面的明亮程度，曝光时间越长，像面越亮，本设计着重关注的是像面的均匀性指标，因此使用时只要相机不出现饱和现象即可。

1.2 图像灰度值与亮度的关系文献[13]中的试验提供了图像灰度与亮度的关系图，如图 1所示。

图 I 图像灰度值与 亮度 的关 系图Fig.1 Relationship diagram of image gray value andbrightness从图中可见，图像的灰度值与亮度并不是线性关 系，但是他们仍 然是--对应 的关系 即有-个灰度值是唯-的亮度值 ，正 因为这种 唯-性 ，可以使用灰度图像来表示辐照面的亮度，若灰度图像 中各个像素点 的灰度值 变化很小 ，则辐照 面的亮度值也应变化 越小 ，即辐照面越 均匀。本 文采用 了太阳模拟器不均匀度Ⅲ 的指标来更好地描述辐照面的均匀性 ，应用 的辐 照面亮度不均 匀度计算公式如下 ：-HHm ax十- HHm：in×1。。%式中：H 为灰度图像中测量 区域内的最大灰度值；H为灰度图像中测量区域内的最幸度值。

2 被测积分球的结构设计完成的积分球出光 口直径为 036 mm，积分球内部直径为090 mm，此时积分球内部反射面的面积约为出光口面积的 25倍 ，积分球结构如图2所示 。

积分球内部涂层选择不易脱离的聚四氟乙烯涂层，避免涂层粉末掉落污染胶片，同时积分球的照亮采用在 600 nm800 nm有较强辐射能量的卤素灯。

为防止卤素灯直接照射积分球出光口，设计时将 2支卤素灯分别放置在积分球两侧的灯室内。

·312 · 应用光学 2013，34(2) 吕 涛，等：成像法测量积分球的亮度均匀性亮度分布。本文采用成像式亮度测量方法对积分球出光 口的均匀性进行 了测量 ，测量得到 的不 均匀度 为±4.24%，而采用 Photo Research公 司生产的 PR-735亮度计测量得到 的不均匀度结果为±3.92 ，相对误差仅为 8.16 ，引起该测量误差的因素有 jpeg图像的压缩(相机默认的格式)、杂散光的影响、虚光效应及灰度图像转换等。总之，成像式亮度测量方法应用在亮度测量尤其是在测量相对亮度方 面是可行的，该方法可 以推广用于太 阳模拟器均匀性的测量 (保证相机不饱和)与场馆照明均匀性的测量等。