用于测量物体光强度的便携式设备,以及该设备的用途的制作方法

专利名称：用于测量物体光强度的便携式设备,以及该设备的用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量物体光强度的设备，以及该设备的用途。
本发明尤其但以非限制方式用于测量物体或部分物体的双向反射分布函数(BRDF)。
BRDF是用于定义表面被照射时扩散光强度的特征的数学函数。BRDF给出了扩散光量，其作为观察方向，照明入射角，波长和偏振化的函数。
本发明还用于测量双向透射分布函数(BTDF)，以及更常用于测量双向散射分布函数(BSDF)，并且用于测量光源的强度图案以及材料的体扩散(bulk diffusion)强度图案。
在第一种已知应用中，BRDF测量可以用于表现航空器的目标显示特征。
多年来，BRDF测量已经被用于合成图像，计算机辅助设计(CAD)和响应于光而模拟光以模拟表面特性的软件中。
为了这个目的，这种软件，例如以程序库的形式，利用了在实验室中，对表现出想要模拟的光学行为的各种物体或表面所执行的实际测得的BRDF。
为了进行这种BRDF测量，已知的最好的装置使用待表示其特征的物体样本。该样本必须是小尺寸，典型的是10厘米(cm)数量级。
这种测量装置通常包括其端部具有探测器的大尺寸的铰接臂。因此体积大，重量大，并且实际上难以运输。
而且，特别是因为传感器的移动，用这种装置进行测量需要非常长的时间。
因此，它们只能用于实验室测量，不适于用于现场测量。
本发明的一个目的是获得一种用于测量BRDF的设备，其具有合理的尺寸，易于运输，并且因此适于现场使用，并且其使得可以在非常短的获取时间内几乎是即时地进行测量。
美国专利No.5637873(Davis)中描述了一种适于现场使用的BRDF测量设备，例如测量车辆表面的某种光学特性。
参照它的图5，Davis专利中描述了该设备的一个实施例，其中该设备包括用于采集将表现其特征的物体所反射的光的系统，该系统由两个透镜和一个椭圆反射镜构成。
更确切的，在那个实施例中，将表现其特征的物体的样本被置于椭圆反射镜的第一焦点，并且被样本反射的光被聚焦在椭圆反射镜的第二焦点。
被置于所述第二焦点的第一透镜以这样的方式配置●将被样本反射的光线和未被椭圆反射镜反射的光线聚焦；并且●防止被椭圆反射镜反射的光线发生偏转。
Davis系统在第一透镜后顺次使用第二透镜，所述第二透镜的特征在于其具有用于准直第一透镜采集的光线的第一光学部分，以及用于准直椭圆反射镜采集的光线的第二光学部分。从而，该特定的第二透镜在上述两个光学部分之间的节点处表现出不连续(discontinuity)。
该不连续需要将椭圆反射镜和上述两个透镜进行精确对准，否则被椭圆反射镜反射的光线会混入第一透镜聚焦的光线，反之亦然。此问题就是本领域技术人员公知的术语“串音”。
日本专利文献JP 63-140904A(Toshiba)描述了一种用于测量物体光强度的紧凑的设备，该设备具有聚光透镜和在出口处设置表面阵列传感器的反射性管状体。
虽然没有明确说明，但是本领域技术人员可以了解该设备的实际实施例需要一个较大尺寸(典型的是对角线超过50毫米(mm))的传感器阵列，以采集所有被物体扩散的光。
因此，Toshiba测量设备不能使用目前已知的标准传感器(对角线大约12.7mm)，所以其制造成本很高。
解决该问题的一种方法是在反射性管状体和传感器阵列之间，加入一无焦(afocal)系统。其使得在保持光准直的同时，减小出口光束截面。这种类型的配置确实被用于可以使用小尺寸视频传感器观察大直径光束的Davis系统。
然而，这种解决方法的主要缺陷在于观察平面远离反射性管状体。因为光束发散不是为零，这使得在观察平面中分辨率对应的降低，特别是当测量的样本被大面积照明的时候。结果，Toshiba设备不能对扩散光的强度图案进行精确的角度测量。
本发明可以解决上述缺陷。
为了这个目的，本发明提供一种用于测量物体或部分物体的光强度的设备，该设备包括●折射中心部分，当所述物体被设置在所述折射中心部分的物方焦点时，该折射中心部分适于从被所述物体或部分物体以相对于所述折射中心部分的光轴小倾斜角扩散的光，产生第一准直或会聚光束；●反射折射边缘部分，光轴和物方焦点分别与所述折射中心部分的光轴和物方焦点一致，所述反射折射边缘部分独立于所述折射中心部分，并且适于从被所述物体或部分物体以相对于所述光轴大倾斜角扩散的光产生与第一光束同类型的第二光束，所述第二光束的光线不与所述第一光束的光线交叉；●与成像器件相关联的二维视频传感器，用于在物平面获得所述第一和第二光束的图像，在所述物平面，各所述光束的光线与所述光轴间有一距离，该距离是关于所述倾斜角的函数；以及●用于从所述图像测量所述第一和第二光束的作为所述倾斜角的函数的光线强度的测量装置。
本发明的测量设备中的二维视频传感器尤其可以由CCD、三CCD、CMOS或阴极射线管类型的二维视频传感器构成。
首先应该注意的是在保证高角度分辨率的同时，用于本发明的成像器件可以与任何形式的视频传感器联合使用，以采集信号，这在前述的Toshiba系统中是不行的。
而且，本发明设备的由折射中心部分和反射折射边缘部分构成的采集器系统，仅包括两个光学元件，因此在成本和易于组装方面，与具有三个光学元件(椭圆反射镜，第一透镜和专用的第二透镜)的Davis设备相比就具有独特优势。
首先并且在大多数有益方式中，本发明设备的折射中心部分和反射折射边缘部分用于将物体扩散的光线分割成两个作为倾斜角的函数的光束，其中该折射中心部分和反射折射边缘部分是各自独立的并且彼此不相关的。
该设备这种以中心部分和边缘部分两个不同部分配置的特别有益的配置方式，使得可以获得两束不交叉的光线，并且在设备调准上提供较大的组装容许误差，极大地减小了上述串音问题。
还要注意的是本发明的测量设备使用标准组件(与成像器件相关联的二维视频传感器)，因此可以使制造成本比前述Toshiba设备小得多。
特别的，与二维视频传感器相关联的成像器件由聚焦透镜构成，其对视频传感器上上述限定的采集器发送的光进行成像这个公知的功能。
该优选配置使得可以方便地偏移(offset)视频传感器，并因此提高本发明的测量设备的分辨率，特别是当用于测量的样本被大面积照明时。
这里提供了一种比Davis文献中描述的设备的分辨率高得多的测量设备，在Davis文献中描述的设备中，观察装置由设置为产生无焦系统以将光束直接投射到视频传感器上的第三和第四透镜构成。
因此，本发明的该优选实施例特别适于表现呈粒状或有纹理的表面的特征，这种测量需要对要表现其特征的物体进行大面积照明。
在一种变形例中，成像器件可以由针孔构成，尤其是当光源对用于测量的样本小面积照明时。这使得可以降低本发明的测量设备的成本，但是损失测量的相对精度。
以下对用于使第一和第二光束的光线会聚在成像器件上的两个优选的变形实施例进行描述。
可以设想本发明的测量设备的两种主要变形。
在第一种变形中，分别来自折射中心部分和反射折射边缘部分的第一和第二光束会聚在设置了成像器件的公共聚焦点上。
该第一种变形实施例使得可以省略场镜(field lens)，因此得到紧凑的设备。
在第二种变形中，上述两光束被准直。
在该第二种变形的第二实施例中，本发明的测量设备具有场镜，用于使准直光束会聚在设置了成像器件的焦点上。
该第二实施例设计非常简单，并且在对各个光学组件定位上表现出灵活度。
在第三种变形中，可以使用远心透镜。这种透镜接收入射准直光束，这意味着不需要使得光线会聚。
在本发明中，可以使用各种折射中心部分，特别是可以有优势的使用非球面会聚透镜以获得紧凑结构。
在另一个实施例中，折射中心部分是由一组球面透镜构成的透镜，因此可以校正色差。由此所获得的测量精确度大大提高，因为照明可以使用宽谱光源。而且，球面透镜制造和对其进行质量控制都非常容易。
在另一个实施例中，折射中心部分是一个菲涅尔透镜。这种组件厚度非常小(典型的是毫米级)，可以降低尺寸、重量、材料数量和本发明测量设备的价格。
在两个第一种变形实施例中，反射折射边缘部分可以由使用镜面反射器以及可能需要反射器材料进行过反射处理的抛物面反射镜或椭圆反射镜构成。这些变形需要少量的材料并且组成成本较低的实施例。
在第三种变形实施例中，反射折射边缘部分包括●被物体或部分物体以大倾斜角扩散的光的入射界面；●进行全部内部反射的反射面；以及●第二光束的出射界面。
该第三种变形的实施例，其不需要反射处理，有利于避免光损失。从而中心和边缘部分也可以制成一个整块。
在一个优选实施例中，本发明的测量设备进一步包括●至少一个适于产生准直光束的光源，准直光束相对于所述光轴被物体或部分物体以预定入射角接收；●测量装置适于测量被物体反射的第一和第二光束的光线强度，该光线强度是所述预定入射角的函数。
有利地，该实施例可以测量物体的BRDF，其是所述物体的照明角度的函数。
特别的，光源可以由激光器或激光二极管构成。
不过，并且有利地，光源可以通过将发光二极管(LED)和用于控制来自LED的光束发散的视场光阑、用于控制其截面的孔径光阑以及准直透镜相关联而构成。
这样的光源使得可以获得预期的光束截面和发散都很小的照明光束。
为了减少成本，也可以考虑简化的光源，将孔径光阑或准直透镜省略。
光源优选为白光，测量装置适于测量第一和第二光束的光线强度，该光线强度是关于所述光线波长的函数。
这个实施例考虑到光谱影响，使得可以描述出彩色表面(iridescentsurface)的BRDF的特征。
在一种变形中，用于所谓“可视”应用，测量装置例如彩色视频传感器适于测量第一和第二光束中作为对人眼敏感的原色(红，绿和蓝)的光线强度。
特别的，这样的传感器使得可以再现皮肤，化妆品，或例如用于某些车体的彩色涂料的可视外观。
对于其他应用，可以使用一组彩色滤光片(例如二向色滤光片或干涉滤光片)，其被连续设置在单色视频摄影机前。这使得可以通过波长测量BRDF波长，从而随后(posteriori)重建完整的BRDF，其是关于光谱的函数。
自然地，也可以利用单色传感器获得简化的BRDF，其与光谱无关。特别的，传感器可以是对近红外或远红外的波长感光的，从而测得红外BRDF，用于光电子技术、军事和/或空间应用。
在第一实施例中，本发明的测量设备具有多个出射准直光束的固定光源，各光源间彼此独立，并且适于产生由要表示其特征的物体以对于光源特定的入射角接收的光束。
当测量设备用于测量物体的BRDF时，只要物体具有高扩散表面，而电磁理论和实际经验显示所有的BRDF函数依赖于入射角，这个实施例就特别有利。
在这个实施例中，本发明的BRDF测量设备没有移动光源，那是用于进行现场测量的便携式设备的重要特性。
在这个实施例中，各个固定光源被轮流激活，并且对物体的BRDF进行测量，该BRDF是对物体照明的准直光束的入射角的函数。
优选的，本发明的测量设备具有控制装置，尤其是软件形式的控制装置，其适于顺序地切换各个光源。
应该注意的是在这一点上，现有技术的Toshiba设备仅具有一个固定光源，该固定光源适于出射准直光束，准直光束通过中心会聚透镜以不变的法向入射角聚焦在样本上。
因此，不能用Toshiba设备测量作为照明入射角的函数的BRDF函数，而这是彩色涂料所需要的。由此通过本发明去除这个重大的局限性。
在另一个实施例中，使用单个可移动光源，其适于以不同的预定入射角照射将表现其特征的物体或部分物体。
作为示例，光源可以在轨道上平移。
在上述第二种变形的第二实施例中，有利的是使用单个光源，其可在场镜的像方焦点周围，相对于设置在所述场镜和成像器件之间的半反射板旋转移动，该半反射板适于●反射该单个光源向将表示其特征的物体发射的准直光束；以及●在由场镜传递第一和第二会聚光束时，使该两光束通过。
这个实施例可以用于测量表面各向异性的物体或部分物体的BRDF。自然地，也可以利用上述变形，通过将设备相对于被测物体旋转90°，来测量表面各向异性的物体的BRDF。
这个实施例也可以防止在光束中形成阴影区，其中阴影区是由于在光束中存在光源而产生的。
本发明的设备优选包括用于重建对这样表现特征的物体或部分物体测量得到的BRDF，并且将他们记录在媒质上的装置。
这些重建和在媒质上记录测量结果的装置使得可以基于来自视频传感器的记录，对BRDF函数进行计算。
以上简述的本发明的测量设备的各种变形可以被用于测量难以接近的物体或部分物体的BRDF，特别是在现场中应用。
特别的，其可以被用于测量车辆操纵板的表面的BRDF，而不需要切下一块操纵板的样本用来分析。
无论如何，本发明的测量设备使得可以进行利用现有已知测量设备不可能或难以进行的测量。
该测量设备可以以低成本制造，并且可以非常快地进行强度测量。
以完全相同的方式，本发明可以对物体或部分物体进行BTDF(双向透射分布函数)，BSDF(双向散射分布函数)或三维扩散的测量。以对本领域技术人员显而易见的方式，光源被配置为从后面对物体照明，从而使得物体扩散光，其强度用本发明的设备测量。
本发明还使得可以获得例如LED，发光显示器，显示器屏幕等发光设备的强度图案。在这种环境下，确切地说，测量设备不具有光源，因为所述光源由物体或部分物体构成。
在第二方面，本发明提供一种计算机程序，其执行模拟物体或部分物体的光学特性的功能，所述程序利用通过以上简述的测量设备对同类的真实物体所测得的光强度。
特别的，计算机程序可以是用于计算机辅助设计(CAD)的软件或用于模拟光的软件。
因此，本发明使得可以在制造物体之前，获得可以模拟物体的光学特性的程序。因此，可以模拟那些难以接近或运输入实验室的物体(路，隧道等)或结构(皮肤等)。
通过阅读以下对特定实施例的说明，本发明的其他方面和优势将变得更加显而易见，通过非限制性的示例并参照附图进行完全的说明，其中

图1至5示出了根据本发明的四个优选实施例中的测量设备；图6至8示出了可以用于根据本发明的测量设备的光源；图9示出了本发明所提到的远心透镜的操作；图10是利用根据本发明的测量设备获得的光通量强度的图表示例。
图1示出了根据本发明的优选实施例中的用于测量物体或部分物体的光强度的设备。
在此处描述的实施例中，设备包括折射中心部分3，由具有无穷远的共轭焦点的会聚非球面透镜形成，以及反射折射边缘部分2，由顶点被穿透的抛物面反射镜形成。
以本领域技术人员可知的方式，会聚非球面透镜3可以用菲涅尔透镜或由一组球面透镜组成的透镜替换。
抛物面反射镜2利用镜面反射。例如，其可以由不锈钢制成，并且/或者根据材料，有选择性地需要反射处理。
非球面透镜3和抛物面反射镜2配置为使得它们的光轴H和它们的焦点F1重合。
将测量其光强度或BRDF的物体或部分物体4被设置在焦点F1。
特别的，该物体4可以由想要对其进行强度图案测量的光源构成。
在此处描述的优选实施例中，本发明的测量设备具有多个准直光束光源1，例如5个光源。
各个光源1彼此独立，这意味着可以通过例如软件装置(此处未示出)进行控制，从而独立于其他光源而发射或停止发射光束。
在此处描述的实施例中，可以假设各个光源1轮流发射光束。
为了简化的缘故，图1中示出了两个光源1，这些光源适于各自产生准直光束，该准直光束由i1和i2表示。
在这个图中，准直光束不通过非球面透镜3。在一个有利的实施例中，一些光束i1、i2通过非球面透镜3，从而可以以相对于光轴H较小的入射角α对物体4照明。
当这些准直光束i1、i2射到抛物面反射镜2的内表面时，它们被朝向抛物平面的焦点F1反射，从而被设置在该处的物体4接收。
各光束i1、i2被物体4以相对于光轴H的预先设定的入射角α1、α2接收。
当物体4被来自光源1的光束照明，物体4以相对于光轴H为θ的各个方向扩散光。
根据本发明，被物体4扩散，并且相对于光轴H具有小倾斜角θc的光，被会聚非球面透镜3截取(intercept)。
相反，被物体4扩散，并且相对于光轴H具有大倾斜角θp的光被抛物面反射镜2的反射内壁截取。
优选的，光的倾斜角在30°至45°范围内，超过该范围则扩散光线会被抛物面反射镜2截取。
超过45°，会聚非球面透镜3会出现已知的成像和光透射的已知问题；低于30°，抛物面反射镜就会变得太大。
在图1所示的实施例中，具有远心共轭焦点的会聚非球面透镜3，以及抛物面反射镜2，分别从被物体或部分物体4扩散的光产生第一和第二准直光束，这些光束与光轴H平行。
配置会聚非球面透镜3和抛物面反射镜2，使光线rp和rc彼此不相交。
第一和第二光束的光线rp和rc如图1所示。
图1所示的测量设备进一步包括用于观察在物平面P的上述第一和第二光束的装置。
对于第一和第二光束的特定光线rp和rc，用符号hc，hp分别表示点A1，A2之间的距离●在点A2处，所述光线(rp，rc)与物平面P相交；●在点A1处，光轴H与物平面P相交。
对本领域技术人员显而易见的，该距离hc，hp是关于扩散角θc，θp的函数。
更确切的，各距离h与扩散角θ对应，反之亦然。
在图1中的实施例中，测量设备具有场镜5，以使得第一和第二准直光束会聚在焦点F2。
在该焦点，有与视频传感器7相关联的成像器件6，以获得在场镜5处的第一和第二准直光束在物平面P中的图像。
成像器件6典型的是传统的聚焦透镜。自然地，可以省略聚焦透镜(利用众所周知的“针孔”原理)，但是图像在焦点以外获得，BRDF分辨率降低。
也可以使用图9所示的远心聚焦透镜6’，其中透镜6’的直径大于被测物体的尺寸。对准直光使用这种透镜，则不需要使第一和第二准直光束会聚在焦点F2。其优势是不需要使用场镜。
由于这种透镜对本领域技术人员是公知的，所以此处不做说明。
这样获得的图像用计算机8进行数字处理，例如为了从第一和第二光束产生光通量表示的图，该图与这些光束的光线rp和rc与光轴间距离的h成函数关系。
因此，该数字处理使得可以数字地重建BRDF，用于以后的其他应用，例如用在光模拟软件中。
以下对这样的图进行描述，图10为给出的一个示例。该图包括三个部分A，B和C。
部分A对应来自折射中心部分的光通量，而部分B和C(它们是对称的)对应来自反射折射边缘部分的光通量。
在该图中可以看到，这三个部分是分离的。因此，该图示出了对应于折射部分和反射折射部分间物理分离的两个非连续区域。这两个区域表示光束没有重叠的情况。因此可以以有利的方式充分利用两个光束。
作为示例，视频传感器7是CCD、三CCD、CMOS或阴极射线管等二维传感器。
无论如何，该视频传感器由此根据光线与光轴H的距离hp，hc，提供了第一和第二光束的光线rc和rp的分布状态。
如上所述，该距离分布用于获得这些光线扩散的角度分布θ，因为距离h和扩散角θ是一一对应的关系。
因此，该设备可以测量第一和第二光束的光线rp，rc的强度，其是被物体4扩散的光的倾斜角θp，θc的函数，并且是来自光源1并被物体4接收的光束的入射角α的函数。
在一个优选实施例中，光源1出射白光，并且视频传感器是本领域技术人员公知的RGB传感器。
因此，本发明的设备可以测量第一和第二光束的光线rp，rc的强度，作为对人眼敏感的三原色(红，绿和蓝)的函数。
这使得可以获得彩色BRDF，因此使得可以再现具有彩色表面的物体4的颜色。
上述参照图1描述的测量设备可以以第一种结构制造，其中将顶点穿透的抛物面反射镜2和会聚非球面透镜3相关联，并使两者间彼此分离。
图2示出了图1中设备的一个实施例，其中抛物面反射镜2和会聚非球面透镜3由相同透明介电材料制成一整块，例如通过车床加工或模塑制成。
在这个实施例中，抛物面反射镜通过内部全反射工作。更确切的●会聚透镜3具有与光轴H垂直的前端面3a，以及中心在焦点F1上的对称球面后端面3b；以及●抛物面反射镜2具有中心也在焦点F1的球面前端面2a，以及与光轴H垂直的后端面2b。
如图2所示，抛物面反射镜2的前端面2a延伸到会聚非球面透镜3的前端面3a。
同样，后端面2b通过表面2c连接到会聚非球面透镜3的球面后端面3b。
参照图3，这里对本发明测量设备的另一实施例随后进行说明。
在这个实施例中，折射中心部分3由实际物体和实际共轭图像的会聚非球面透镜构成。
在这个实施例中，反射折射边缘部分由内表面使用镜面反射的椭圆反射镜2构成。
在这个实施例中，会聚非球面透镜3和反射椭圆反射镜2被配置为使得第一和第二光束的光线rp，rc会聚在公共焦点F3。
在这个实施例中，测量设备不具有场镜5，视频传感器7的透镜被设置在焦点F3。
图4是本发明测量设备的第四实施例的图。
在这个实施例中，折射中心部分3由会聚非球面界面表面构成。
第四实施例的反射折射边缘部分2包括被物体或部分物体以大倾斜角扩散的光的入射界面表面，实现内部全反射的反射面，以及所述第二光束的出射界面表面。
更确切的，反射折射边缘部分2具有中心在焦点F1的球面前端面2a，以及后端面2b，其也是球面并且中心在焦点F3上。
折射中心部分3由厚的透镜构成，其前端面2a与光轴H垂直，后端面2b是非球面的。
图5是本发明测量装置的第五实施例的折射中心部分和反射折射中心部分的图。
在这个实施例中，反射折射边缘部分2由回转轴与光轴H一致的半球面(dome)构成。
该半球面的外面覆盖有微棱镜100，其用作进行内部全反射的反射镜并且局部地反射光束从而将光束直接反射到光轴H上。这些微棱镜100可以具有平面的或抛物面的反射面。无论如何，这些微棱镜100从被样本扩散的光产生准直光束。
反射折射中心部分是菲涅尔透镜，其光学作用与图1所示的会聚非球面透镜3的作用相同。
在上述五个实施例中，准直光束的光源1可以由本领域技术人员公知的激光器或激光二极管构成。
这个实施例特别适用于当需要高角度分辨率和/或当光谱信息不可用时，测量物体或部分物体的BRDF。
特别的，它应用于光谱依赖性已知并且与观察角无关的非彩色表面。
参照图6，在下面对适用于根据本发明的测量设备的光源1’进行说明。
光源1’包括设置在视场光阑14之前的LED13，视场光阑14本身设置在准直透镜16的焦点F4。
以已知的方式，视场光阑用于控制LED13输出的光束的扩散。
该光源1’还具有靠近准直透镜16的孔径光阑15，以控制LED13出射的光束的孔径。
配置构成光源1’的各元件用于获得具有较小扩散并且截面受限的准直光束。
根据本发明的测量装置，参照图1至4所述，包括多个固定光源1，1’，各个固定光源轮流出射准直光束。
可以知道，当测量位于折射中心部分3和反射折射边缘部分2的焦点F1的光源的强度图案时，这些光源不是必需的。
这里下面对两个变形的光源进行说明，所述两个光源是可移动的并且适用于本发明的测量设备。
图7示出了单个光源1”，其可沿轨道30平移。
特别的，光源1”可以用于图1所示的测量装置，将轨道30设置得与光轴H垂直，从而可移动光源1”出射的光线平行于所述光轴H。
在这种环境下，参照图1，光源1”可以占据上述多个光源1的位置。
在将轨道30设置为使光源1”出射的光束被导引向远离焦点F3的条件下，该可移动光源1”还可以用于图2的实施例。
无论如何，可移动光源1”可以通过此处未示出的方式沿轨道30移动。
这个实施例特别有利，因为通过沿轨道30移动光源1”，可以以多个入射角α对物体4照明。
图8示出了当折射和反射折射中心部分3和2产生第一和第二准直光束时，例如图1和图2的实施例所示，适用于根据本发明的设备的变形的单个可移动光源1。
如上所述，这样的实施例具有适于向焦点F3会聚第一和第二光束的光线rc和rp的场镜5。
在此处的变形中，本发明的测量设备具有位于场镜5和成像器件6之间的半反射板18。
该半反射板18使得第一和第二光束的光rc，rp通过并且会聚在成像器件6上。
在这个实施例中，光源1可以在场镜5的像方焦点F4周围相对于半反射板18转动。
在这种配置中，半反射板18朝物体4反射单个光源1产生的准直光束。
更确切的，被物体4接收的光束的入射角α直接取决于光源1”相对于半反射板18的取向。
这个实施例特别有利，因为其可以被用于测量表面各向异性的物体或部分物体4的BRDF。
在一个变形中，可以使得固定光源和可以绕两轴转动的反射镜相关联，反射镜的中心位于场镜5的像方焦点F4，光源出射的准直光束被反射镜的中心反射。
毫无疑义的，参照图8的前述单个可移动光源可以用于本发明图3和图4所示的测量装置的实施例中。在这样的条件下，本领域技术人员可以理解不使用场镜5的情形。
本发明的测量装置的上述各个实施例可以用于测量物体或部分物体的BRDF，其作为当白色光源与RGB彩色视频摄像机结合使用时物体的入射角α，物体的观察方向θ，以及光偏振的函数。
本发明的这些实施例都表现出特别紧凑的优点，这是因为将折射中心部分和反射折射边缘部分联合使用。
它们还使得可以测量所有半空间内的出射光。
参照图7所述的优选实施例还可以测量彩色表面的BRDF，而不需要相对于将要表现其特征的物体移动设备。
而且，以对于本领域技术人员显而易见的方式，本发明的测量设备可以用于测量半透明表面的BTDF。在这样的条件下，是测量透射过将要表现其特征的物体或部分物体的光强度，而不是被反射的光强度。
因此，各个实施例可以测量难以接近或最好不要从其上采样的物体或表面的BRDF。
本发明的测量设备使用简单，因为它足够扫描将要表现其特征的物体。然后，获得的强度测量数据可以随后进行数字处理，例如，通过计算机程序，以重建BRDF函数。然后，该BRDF函数可以用于以后的CAD，图像合成或光模拟软件。
因此，这些计算机程序可以对物体的光学特性或物体相对于光的行为提供非常逼真的模拟。
因此，本发明的用途优选在于计算机辅助设计和光模拟软件的领域，因为它可以使得在被测之前，非常逼真地预知物体的光学行为。
权利要求
1.一种用于测量物体或部分物体(4)的光强度的设备，该设备包括●折射中心部分(3)，当所述物体(4)被设置在所述折射中心部分(3)的物方焦点(F1)时，该折射中心部分(3)适于从被所述物体或部分物体(4)以相对于所述折射中心部分(3)的光轴(H)小倾斜角(θC)扩散的光，来产生第一准直或会聚光束；以及●反射折射边缘部分(2)，其光轴(H)和物方焦点(F1)分别与所述折射中心部分(3)的所述光轴(H)和所述物方焦点(F1)一致，所述反射折射边缘部分(2)独立于所述折射中心部分(3)，并且适于从被所述物体或部分物体(4)以相对于所述光轴(H)大倾斜角(θP)扩散的光产生与所述第一光束同类型的第二光束，所述第二光束的光线(rP)不与所述第一光束的光线(rC)交叉；所述测量设备的特征在于进一步包括●与成像器件(6)相关联的二维视频传感器(7)，用于在物平面(P)获得所述第一和第二光束的图像，在所述物平面(P)，各所述光束的光线(rP，rC)与所述光轴(H)间有距离(hP，hC)，该距离是关于所述倾斜角(θP，θC)的函数；以及●用于从所述图像测量所述第一和第二光束的作为所述倾斜角(θP，θC)的函数的光线(rP，rC)强度的测量装置。
2.根据权利要求1的测量设备，其特征在于所述第一和第二光束会聚在公共焦点(F3)上，所述视频传感器(7)的成像器件(6)被设置在所述焦点(F3)上。
3.根据权利要求1的测量设备，其特征在于所述第一和第二光束是准直光束，并且该设备进一步包括场镜(5)，用于使所述光束会聚在设置有该成像器件(6)的焦点(F2)上。
4.根据权利要求1的测量设备，其特征在于该第一和第二光束是准直光束，并且所述成像器件是远心聚焦透镜(6’)。
5.根据权利要求1-4中任一项的测量设备，其特征在于所述折射中心部分(3)是会聚非球面透镜(3)，由一组球面透镜组成的透镜，或是菲涅尔透镜。
6.根据权利要求1-5中任一项的测量设备，其特征在于所述反射折射边缘部分(2)是抛物平面或椭圆反射镜。
7.根据权利要求1-5中任一项的测量设备，其特征在于所述反射折射边缘部分(2)包括●被所述物体或部分物体(4)以所述大倾斜角扩散的光的入射界面；●进行内部全反射的反射面；以及●所述第二光束的出射界面。
8.根据权利要求1-7中任一项的测量设备，其特征在于进一步包括●至少一个适于产生准直光束的光源，该准直光束以相对于所述光轴(H)的预定入射角(α)被所述物体或部分物体(4)接收；并且其中●所述测量装置适于测量被所述物体或部分物体(4)反射的所述第一和第二光束的光线强度，该光线强度是所述预定入射角(α1，α2)的函数。
9.根据权利要求8的测量设备，其特征在于所述至少一个光源是激光器或激光二极管。
10.根据权利要求8或9的测量设备，其特征在于为了产生所述准直光束，所述至少一个光源包括LED(13)，可选择使用的位于准直透镜(16)的焦点上的视场光阑(14)，以及靠近所述准直透镜的孔径光阑(15)。
11.根据权利要求8-10中任一项的测量设备，其特征在于所述至少一个光源是白光光源，并且所述测量设备适于以所述光线的至少一种波长来测量第一和第二光束的光线(rP，rC)的强度。
12.根据权利要求11的测量设备，其特征在于所述测量装置适于测量该第一和第二光束的光线(rP，rC)的强度，作为人眼所敏感的原色(红，绿和蓝)的函数。
13.根据权利要求8-12中任一项的测量设备，其特征在于其包括多个出射准直光束的固定光源，各所述光源间彼此独立，并且适于产生由所述物体或部分物体(4)以对于该光源特定的入射角(α)接收的光束。
14.根据权利要求13的测量设备，其特征在于其进一步包括适于顺序导通所述光源的控制装置。
15.根据权利要求8-12中任一项的测量设备，其特征在于其包括单个可移动光源，该可移动光源适于产生被所述物体或部分物体(4)以预定的可变入射角(α)接收的光束。
16.根据权利要求15的测量设备，其特征在于所述单个光源(1”)可在轨道(30)上平移。
17.根据权利要求3和16的测量设备，其特征在于所述单个光源可以在所述场镜(5)的像方焦点(F4)的周围，相对于位于所述场镜(5)和所述观察装置之间的半反射板(18)旋转，所述半反射板(18)适于●向所述物体或部分物体(4)反射由所述单个光源(1)产生的所述准直光束；以及●使所述场镜(5)传递的所述第一和第二会聚光束通过。
18.根据权利要求1-17中任一项的测量设备，其特征在于其进一步包括用于重建对所述物体或部分物体(4)测量得到的BRDF，BTDF，或BSDF，并且将他们记录在媒质上的装置。
19.权利要求1-18中任一项的测量设备的用途，用于测量物体或部分物体(4)的BRDF，BTDF，或BSDF，特别是用于当所述物体或部分物体(4)难以接近时的现场测量。
20.根据权利要求19的测量设备的用途，用于测量表面各向异性的物体(4)或部分物体(4)的BRDF。
21.权利要求1-18中任一项的测量设备的用途，用于测量由所述物体(4)构成的光源的强度图案。
22.一种计算机程序，用于执行模拟物体或部分物体的光学特性的功能，该程序的特征在于其利用了根据权利要求1-18中任一项的测量设备从同类型真实物体(4)所测得的光强度。
23.根据权利要求22的计算机程序，其特征在于该程序是计算机辅助设计程序或光模拟程序。
全文摘要
本发明涉及一种测量物体或部分物体(4)的光强度的设备。该设备包括彼此独立的折射中心部分(3)和反射折射边缘部分(2)，其适于从被物体(4)扩散的光，发送两同类型、不交叉的光束，并且二维视频传感器(7)与成像器件(6)相关联，以获得光束的图像。
文档编号G01N21/55GK1867821SQ200480029644
公开日2006年11月22日 申请日期2004年10月8日 优先权日2003年10月10日
发明者雅克·德拉库尔 申请人:奥普特斯公司