一种基于空间光场的亮度测试系统及方法与流程

本发明涉及一种基于空间光场的亮度测试系统及方法，属于显示器件测量领域。

背景技术：

随着显示、照明等技术的高速发展，光环境的组成也越来越多样化，而对光环境的准确测量与评价也显得尤为重要。光环境的评价涉及多种指标，比如亮度、照度、光谱、频闪等等，其中，亮度作为光环境评价的一项重要指标，长期以来一直广受关注，如何便捷、准确地测量亮度，是一个非常关键的问题。

对于亮度测量的研究由来已久，取得了一些成果，目前市面上已有多种亮度计可供选择。比较常见的亮度计有遮光筒亮度计、瞄点式亮度计以及ccd成像亮度计等，其中遮光筒亮度计的特点是制造简单，使用方便，不足之处是它的测量准确度不高，探测器接收面很小，只有当圆筒小孔半径小于筒长的十分之一时才能保证有一定的准确度；瞄点式亮度计带有目镜瞄准系统，视场立体角可变换，并且可以调焦，测量准确度较高，但它的测量范围很小，只能测量瞄准点处的亮度，并且操作比较繁琐；ccd成像亮度计允许同时对空间上相关联的多个点进行亮度测量，它采用与cie匹配的三色滤光片进行亮度和色度测量，可以显示图像中每个像素的cie色坐标和色温，数秒内摄取数百万亮度数据信息，它的原理是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，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，ccd成像亮度计的测量范围较大，精度也比较高，但它在测量时仍然需要事先进行对焦，无法直接得到空间的亮度分布信息。目前，针对全空间亮度分布数据的测量并没有相应的解决方案，所做的研究很少并且缺乏系统性。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种基于空间光场的亮度测试系统及方法，测量全空间亮度分布数据。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种基于空间光场的亮度测试系统，包括成像模块和主机，所述成像模块包括光轴平行的主透镜和微透镜阵列，微透镜阵列的另一侧设有光电耦合器，光电耦合器所得信号数据再由主机计算出空间光场的亮度。

所述微透镜阵列位于主透镜焦平面处，所述光电耦合器位于微透镜阵列焦平面处。

一种基于时域变换法空间光场亮度测试方法，包括光轴平行的主透镜和微透镜阵列，微透镜阵列的另一侧设有ccd，包括以下步骤：

1)利用点亮度计对ccd进行图像灰度值与亮度值的标定；

2)确定重对焦平面与微透镜阵列的距离关系，将光场坐标双平面参数化；

3)建立主透镜平面、ccd平面、重聚焦平面的二维几何关系；

4)将上述二维几何关系拓展到四维光场；

5)将四维光场对主透镜平面进行积分，得到重聚焦平面的图像；

6)根据事先标定好的图像灰度与亮度的对应关系对得到的重对焦图像进行再处理，将其转换为所需焦平面上的亮度分布图。

所述步骤2)中将主透镜平面视为u-v面，将ccd平面视为x-y面，两平面之间的距离f即是主透镜的焦长，l表示入射光线强度，入射光线记为l(u,v,x,y)。

所述步骤3)中光线通过主透镜平面位置(u,v)，之后到达ccd平面位置(x,y)，最后到达重聚焦平面，在二维情况下，其几何关系为：

上式中lf(x,u)表示全光函数，特指某一条光线。lαf表示同一条光线在重聚焦平面上的交点，f'为主透镜到重聚焦平面的距离。

所述步骤4)中将二维情况下的转换关系拓展到四维光场：

其中f'为主透镜平面到重聚焦平面的距离。

所述步骤5)中将四维光场对(u,v)进行积分，得到重聚焦平面的图像eαf(x,y)：

一种基于傅里叶切片算法空间光场亮度测试方法，包括光轴平行的主透镜和微透镜阵列，微透镜阵列的另一侧设有ccd，包括以下步骤：

1)利用点亮度计对ccd进行图像灰度值与亮度值的标定；

2)将光场坐标双平面参数化；

3)在频域中提取适当的二维切片；

4)再做二维傅里叶逆变换，得到重对焦平面上的图像；

5)最后获得重对焦图像后，根据事先标定好的图像灰度与亮度的对应关系对得到的重对焦图像进行再处理，将其转换为相应焦平面上的亮度分布图。

所述步骤2)中将主透镜平面视为u-v面，将重聚焦平面视为x-y面，主透镜平面和ccd平面之间的距离f即是主透镜的焦长，入射光线记为l(u,v,x,y)。

所述步骤3)及4)中令重聚焦平面距主透镜平面的距离为f′，即αf，光线与重聚焦平面的交点为(x,y)，记为lαf，则光线与ccd平面的交点坐标即为(u+(x-u)/α，v+(y-v)/α)；

定义pα为光场从ccd深度f转换到αf的转换因子，则pα[lf]表示pα作用于光场lf，由空间投影至二维平面：

根据傅里叶切片定理，上式可定义为：

其中，为积分因子，对四维函数的后两维进行积分，bα为四维基变换：

定义切片因子以及fⁿ为n维傅里叶变换，f^-n为n维傅里叶逆变换，将替换为可得：

令可得：

其中βα的计算方法为：

由ef＝pα[lf]得到重聚焦后的图像。

有益效果：本发明结合了光场测量原理与传统亮度计的测量原理，通过成像模块实时获取空间光场分布信息，采集的数据更完整。而利用传统亮度计的标定方法事先对ccd进行标定，以此计算关系为图像灰度与亮度的对应关系，进而通过光场重聚焦算法得到所需焦平面上的图像，再将其转换成相应平面上的亮度分布，通过调整重聚焦的相关参数可以得到不同焦平面的图像及其亮度分布，在测量亮度时不需要进行对焦，操作十分简便，并且可以快速、实时捕捉空间亮度信息，匹配不同的测量需求。

附图说明

图1为本发明测试系统的结构示意图；

图2为成像模块的结构示意图；

图3为光场坐标双平面参数化示意图；

图4为重聚焦平面与微透镜阵列的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

光场是用来描述光在三维空间中的辐射传输特性的概念，一般来说用光线与两个平面的交点坐标以及光线强度表示光场的一个采样点，也就是一条光线。

如图1所示，本实施例基于空间光场的亮度测试系统包括主机2和成像模块1。所述成像模块1又包括光轴重合的主透镜3和微透镜阵列4，在微透镜阵列4另一侧还设有垂直于光轴的光电耦合器5，也就是ccd，如图2所示。所述微透镜阵列4的分辨率为434*625，相邻微透镜的间距为14um，所述光电耦合器5的分辨率在7000*5000以上。微透镜阵列4位于主透镜3焦平面上，光电耦合器5位于微透镜阵列4的焦平面上。

所述光电耦合器5在使用前事先利用点亮度计对其进行图像灰度值与亮度值的标定，灰度值范围为0～255，亮度值范围为0～1000cd/m²。

成像模块1对待测场景进行拍摄，不同方向的光线经过主透镜3进入相机内部，汇聚到微透镜阵列4的不同微透镜上，经过微透镜后又发散成若干条光线分别到达光电耦合器5，由光电耦合器5接收后转换成电信号，该电信号发送至主机2进行处理。

主机2按照光场重对焦原理对接收到的信号进行处理，若对精度要求较高，对运行时间要求相对较低，主机2采用时域变换法对原始光场进行重对焦，利用光线追迹的原理进行坐标变换，在新的像面上进行积分即得到对应焦平面上的图像。首先确定重对焦平面与微透镜阵列4的距离关系。

如图3所示，接着将光场坐标双平面参数化，将主透镜平面视为u-v面，将ccd平面视为x-y面，两平面之间的距离f即是主透镜的焦长，入射光线通过双平面，交于点(u,v,x,y)，l表示光线强度，则此光线记为l(u,v,x,y)，其中(x,y)代表光线与ccd平面交点的坐标，也是每个微透镜的位置(因为微透镜焦距很小，微透镜阵列4与光电耦合器6接近至距离可忽略)；(u,v)为光线与主透镜平面交点的坐标。

进一步，根据主透镜平面、ccd平面、重聚焦平面的几何关系，光线通过主透镜平面位置(u,v)，之后到达ccd平面位置(x,y)，最后到达重聚焦平面，在二维情况下，其几何关系为：

上式中lf(x,u)表示全光函数，特指某一条光线。lαf表示同一条光线在重聚焦平面上的交点。

进一步地，将二维情况下的转换关系拓展到四维光场：

其中f'为主透镜平面到重聚焦平面的距离。

最后将四维光场对(u,v)进行积分，得到重聚焦平面的图像eαf(x,y)：

获得重对焦图像eαf(x,y)后，主机2根据事先标定好的图像灰度与亮度的对应关系对得到的重对焦图像进行再处理，将其转换为所需焦平面上的亮度分布图，并记录相关的亮度数据，根据用户的需求进行数据导出。

实施例2

若要求运行速度快，而对精度要求相对不高，则主机2采用频域傅里叶切片算法对原始光场进行重对焦，其原理为首先对原始空间光场做四维傅里叶变换，之后在频域中提取适当的二维切片，之后再做二维傅里叶逆变换，得到对应焦平面上的图像。

如图4所示，本实施例将主透镜平面视为u-v面，将重聚焦平面视为x-y面，主透镜平面和ccd平面之间的距离f即是主透镜的焦长，光线通过主透镜平面和重聚焦平面，与四维空间交于点(u,v,x,y)，则此光线记为l(u,v,x,y)。

接着令重聚焦平面距主透镜平面的距离为f′，即αf，光线与重聚焦平面的交点为(x,y)，记为lαf。根据三角形相似定理，光线与ccd平面的交点坐标即为(u+(x-u)/α，v+(y-v)/α)。

进一步，定义pα为光场从ccd深度f转换到αf的转换因子，则pα[lf]表示pα作用于光场lf，目的是计算光场相机聚焦在对应深度的照片，即由空间投影至二维平面：

根据傅里叶切片定理，上式可定义为：

其中，为积分因子，对四维函数的后两维进行积分，bα为四维基变换：

进一步定义切片因子以及fⁿ为n维傅里叶变换，f^-n为n维傅里叶逆变换，将替换为可得：

令可得：

其中βα的计算方法为：

由ef＝pα[lf]得到重聚焦后的图像。

最后获得重对焦图像后，主机2根据事先标定好的图像灰度与亮度的对应关系对得到的重对焦图像进行再处理，将其转换为相应焦平面上的亮度分布图，并记录相关的亮度数据，根据用户的需求进行数据导出。