一种发光分布测量方法与流程

本发明涉及光电测试领域，具体涉及一种发光分布测量方法。

背景技术：

1、对于显示或者指示类发光体，例如led、oled、mini-led、micro-led，视角特性，也即发光体发出的不同空间角度下的亮度及色度是其重要的光学性能。对于照明类发光体，则主要考察发光体在不同空间下的光强分布。这些光分布信息在研发和生产过程中精确检测以保证产品的质量。传统的空间发光分布测试采用的是光度计在整个空间内扫描测量，虽然测试精度相对较高，但由于采用的是机械式旋转结构，需要逐点测量，测试时间较长、效率不高；另外，使用该扫描测试方式时，探测器到待测发光体之间具有一定的距离，通常需要在暗室环境中测试，而暗室尺寸较大，且成本显著增加。另外一种空间光分布特性测试采用的是专用的光学系统，结合了傅里叶光学透镜和cmos传感器，可以同时测量最大±80°角度内的视角特性，检测过程中不涉及任何运动部件，整个过程只需要几秒到几十秒，但是由于光学镜头结构十分精密复杂，其实现成本相当高，价格十分昂贵。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种发光分布测量方法，旨在解决现有技术方案中测试时间长，设备成本高等问题。本发明提出的测量方法可快速测量待测发光体的视角特性，确保测量结果的一致性和准确性，并可大大降低设备成本。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种发光分布测量方法，利用曲面网状屏和具有面阵传感器的成像测量单元测量待测发光体的空间光分布，包括一个采样口，且曲面网状屏表面具有网格状分布的漫透射元；测量步骤包括：将待测发光体的待测区域置于采样口处，从该待测区域发出的光照射到曲面网状屏上，从而在各个漫透射元上形成光斑，每个光斑区域对应于一个空间角度；使用成像测量单元获取曲面网状屏上由各个漫透射元组成的光斑图像；使用数据处理单元分析光斑图像获得待测区域的光学量值随空间角度的变化。

4、上述光学量值包括但不限于与角度相关的发光强度、亮度、色度、辐亮度、辐强度等参数。曲面网状屏表面覆盖有网格状分布的漫透射元，这些漫透射元能够将入射光线均匀散射，从而形成易于测量的光斑，每个光斑区域与一个特定的空间角度相对应。成像测量单元配备有高分辨率的面阵传感器，用于捕捉曲面网状屏上由各个漫透射元形成的光斑图像，并记录光斑的亮度、颜色等信息。为了保证测试结果的准确性，需要排除环境光或内反射光等杂散光的干扰，曲面网状屏与待测发光体之间以及曲面网状屏与成像测量单元之间设有遮光装置，或者涂有黑色吸光材料。本技术方案中采样口设置在曲面网状屏的中心垂直轴线上或合适位置，待测发光体置于采样口处，确保发光的光线能够无遮挡地投射到曲面网状屏上，如图1所示。为了提高测量的角度分辨率，也可以通过增加曲面网状屏上漫透射元的密集度，或者优化成像测量单元的镜头参数来实现。为了进一步提高测量效率和易用性，可以将测量系统集成为自动化设备，通过编写控制软件，实现待测发光体的自动定位、成像测量单元的自动校准和测量数据的自动处理与分析。

5、作为一种技术方案，根据曲面网状屏不同漫透射元与采样口之间的空间位置关系，以及漫透射元与成像测量单元之间的位置关系，建立成像测量单元中的面阵传感器各像素点或各像素区域与待测区域的空间发光角度之间的关系。采样口和曲面网状屏表面的漫透射元的尺寸通常较小，可视为每个漫透射元只接收来自待测发光体某一特定角度的平行光线，即可以理解为进入漫透射元中的光线为平行光，从而在成像测量单元获取的图像中包含视角信息，待测发光体与曲面网状屏之间的整体测量关系如图2所示。

6、为了确定曲面网状屏不同漫透射元与其在面阵传感器对应像素点之间的相互关系，建立几何关系，其中主要包括四个坐标系：(1)像素坐标系，为在成像测量单元中的像平面上建立的平面直角坐标系，如图3所示，以图像左上角的第一个像素点op为坐标原点，i轴和j轴分别与面阵传感器的两边平行，反映了成像测量单元面阵传感器中各像素的排列情况；(2)图像坐标系，坐标原点oi位于像平面中心，即面阵传感器的中心，x轴与像素坐标系的i轴平行，y轴与像素坐标系的j轴平行，该坐标系用于描述图像的物理尺寸和坐标，用实际物理尺寸的单位表示坐标值；(3)成像测量单元坐标系，以成像测量单元镜头中心ol为原点，xl轴、yl轴与图像坐标系的x轴、y轴平行，zl轴沿着成像测量镜头光轴方向垂直于图像坐标系，zl轴与图像坐标系的交点即为图像坐标系的原点oi；(4)空间光分布坐标系，用os点、xs轴、ys轴和zs轴来描述，通常以采样口中心os为原点。几个坐标系之间具体转换过程如下：

7、首先，以像素为单位，建立像素坐标系。像素的表示方法不能反映图像中物体的物理尺寸，需要用物理单位表示像素的位置，因此建立以毫米(mm)或微米(μm)为单位的图像坐标系，将像素坐标系的原点op平移至像平面中心oi，如图3所示。像平面中心oi在像素坐标系中的坐标记为(i0，j0)，面阵传感器中每个像素的物理尺寸为dx×dy，则图像坐标系的坐标(x，y)与像素坐标系的坐标(i,j)之间的关系为：表示为矩阵形式为：改成齐次坐标形式为：即

8、成像测量单元坐标系的原点ol与图像坐标系原点oi之间的距离为f，其中f为镜头焦距。当漫透射元成像到图像坐标系时，如图4所示，点al(xl,yl,zl)为成像测量单元坐标系中漫透射元的点坐标，点ei(x,y)为点al在图像坐标系中对应成像的坐标；点cl(xl,0,zl)为点al在xlolzl平面的投影，点bl(0,0,zl)为点cl在成像测量单元坐标系zl轴上的投影，点di(x,0)为点ei在图像坐标系x轴上的投影。根据三角形相似定理，进而得到

9、以采样口中心os为原点建立空间光分布坐标系，与成像测量单元坐标系平行，当成像测量单元镜头中心位于采样口中心法线方向时，即成像测量单元镜头中心与采样口中心连线为zl轴，将成像测量单元坐标系沿zl轴平移即可得到空间光分布坐标系，空间光分布坐标系中漫透射元的点坐标记为as(xs,ys,zs)，成像测量单元坐标系中漫透射元的点坐标记为al(xl,yl,zl)，则空间光分布坐标系中漫透射元点as(xs,ys,zs)用成像测量单元坐标系可表示为：其中tx和ty均为0。成像测量单元坐标系与空间光分布坐标系之间的关系可表示为：其中r＝rxryrz为成像测量单元坐标系相对于空间光分布坐标系的三行三列旋转变换矩阵，由于成像测量单元坐标系与空间光分布坐标系之间为平行关系(没有旋转)，因此旋转矩阵为3×3单位矩阵为三行一列平移矩阵，当成像测量单元镜头中心与采样口中心法线方向发生偏离时，可通过旋转矩阵变换(3×3单位矩阵)进行相应转换计算。像素坐标系中面阵传感器的像素坐标与空间光分布坐标系漫透射元点坐标之间的变换关系可表示为：

10、

11、以上为从像素坐标系中面阵传感器的像素坐标到空间光分布坐标系漫透射元点坐标之间的转换过程，同理，从空间光分布坐标系漫透射元点坐标到像素坐标系中面阵传感器的像素坐标之间的变换关系可表示为：

12、

13、

14、已知各个漫透射元在空间光分布坐标系中的点坐标为(xs，ys，zs)，将其转化到极坐标中的坐标可表示为：成像测量单元中各像素点(i,j)或者以像素点(i,j)为中心的各像素区域与漫透射元位置点(xs,ys,zs)相对应，从而建立成像测量单元中各像素点(i,j)或者以像素点(i,j)为中心的各像素区域与待测区域空间发光角度的对应关系，这对后续的数据计算、处理、分析具有重要意义。

15、相关符号说明、坐标系变换关系见表1和表2。

16、表1符号说明

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18、

19、表2坐标系变换关系

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21、

22、作为一种技术方案，将空间光分布已知的标准光源置于采样口，对成像测量单元进行校准。所述的空间光分布包括但不限于空间亮度分布、空间光强分布、空间辐亮度分布、空间辐强度分布或者空间色度分布等或者它们之间两个或三个参数的组合。

23、本技术方案的特点在于，利用标准光源对成像测量单元进行校准，标准光源发出的光照射到曲面网状屏上，成像测量单元对准曲面网状屏，获取曲面网状屏上由各个漫透射元组成的光斑图像，每个光斑区域对应于一个空间角度，光斑图像中的各点与成像测量单元中面阵传感器的像素相对应。采用标准光源对成像测量单元进行校准，根据标准光源已知的空间光强分布(或者亮度分布)，并根据以上建立的成像测量单元中各像素点(i,j)或者以像素点(i,j)为中心的各像素区域与空间角度对应的关系，即根据采样口相对曲面网状屏的位置(包括距离和角度)，计算光线照射到曲面网状屏每个漫透射元时的入射角度和光强，并进一步计算得到标准光源在曲面网状屏上产生的亮度分布使用表示曲面网状屏各个漫透射元的位置坐标，其中漫透射元相对于采样口的角度为通过比较像素点的响应值r(i,j)与标准光源在该空间角度下的实际光强值或亮度值，计算出该像素点的校准系数k(i,j)，即

24、使用校准后的成像测量单元测量待测发光体照射到曲面网状屏上的光斑图像，被测发光体的亮度视角分布r'(i,j)为待测发光体在成像测量单元上各像素点或各像素区域的响应值；为使测量结果更加稳定，可根据曲面网状屏漫透射元上的亮度分布特点、边缘特征，找到发光区域边缘，计算过程中排除边缘像素响应的影响，以避免串扰。

25、同理，若测量的待测发光体的空间光强分布，可以使用空间光强分布已知的标准光源进行定标，或者仍使用上述已知亮度分布的标准光源定标，但在测量待测发光的空间光强分布时，将各个角度下的亮度值乘以对应角度下的发光面(采样口)投影面积。

26、需要说明的是，在校准前后要确保成像测量单元与曲面网状屏之间的距离和角度固定。本技术方案相对简单且易于操作，无需复杂的调试和调试设备；通过校准过程消除了成像测量单元中可能存在的系统误差和像素间的不一致性，使得成像测量单元能够适用于不同类型和规格的发光体测量，提高了系统的准确性、通用性和灵活性。

27、作为上述技术方案的进一步限定，标准光源的发光角度覆盖曲面网状屏上所有漫透射元所对应的空间角度范围，即标准光源的发光角度大于曲面网状屏边沿相对于采样口中心的夹角；或者标准光源绕采样口中心旋转，实现大角度范围内的光分布校准。本技术方案使得曲面网状屏上的各个漫透射元均能被成像测量单元有效标定，进而适用于不同待测发光体的发光分布测试，同时能保证测量结果的一致性和准确性。

28、作为上述技术方案的进一步限定，上述标准光源具有两种或以上不同颜色和两种或以上不同强度的光输出，使用所述标准光源在各个颜色和强度的光输出下对成像测量单元进行校准。具体的，不同颜色包括不同的色温，例如3000k、4000k、5000k、6500k等，也包括不同的单色光，例如红光、蓝光、绿光、黄光等；在实际测量时只需调用与被测发光体具有相同或相似光谱分布的校准数据，或者可以根据实际需要建立光谱矩阵进行校准。通过成像测量单元和曲面网状屏在对应光输出下的响应校准，不仅能够解决成像测量单元的光谱失匹配误差问题，还能减小成像测量单元存在的线性误差，保证待测发光体光分布测量的准确性。

29、作为上述技术方案的进一步限定，上述标准光源的输出光谱和亮度可调，成像测量单元在各种输出光谱和亮度下按照上述方法逐一校准。通过各种亮度上的校准，能够进一步提高成像测量单元的线性。通过在各种光谱上的响应校准，能够进一步提高成像测量单元在测量不同发光体上的一致性，也可使用光谱矩阵进行校准。

30、作为另一种技术方案，使用具有均匀发光面的标准亮度源不经过曲面网状屏而直接校准成像测量单元中各像素点或各像素区域的响应度，或者使用标准光源照射标准白板不经过曲面网状屏而直接校准成像测量单元中各像素点或各像素区域的响应度；在空间光分布测量中，根据各像素点或像素区域的响应，利用采样口中心到漫透射元的空间几何关系和漫透射元的透射比计算得到待测发光体的发光分布参数。使用标准白板校准成像测量单元，具体的，将成像测量单元安装在夹持设备上，使成像测量单元的测光轴线与光轨的测光轴线处于同一平面并成45°角，瞄准标准白板中央，调整成像测量单元的物镜和目镜，使孔径光阑和白板清晰可见，将标准灯的电流或电压升至规定的值，通过公式计算得到标准亮度值，式中，ρ为标准白板反射率；i为标准灯的发光强度；r为标准灯的灯丝平面到标准白板的距离。对于已经校准过的成像测量单元，可以推导出待测发光体的光强分布，在曲面网状屏和成像测量装置的位置和姿态固定的情况下，给定像素测量的照度对应于待测发光体指定方向上的发光强度，以曲面网状屏上的漫透射元为连接，通过公式计算得到待测发光体指定方向上的发光强度，式中(i,j)为成像测量单元像素点，mpixel(i,j)为测量像素点(i,j)或像素点(i,j)为中心的像素区域的响应值；l为待测发光体表面与曲面网状屏各漫透射元的距离；f为成像测量单元镜头的焦距；α(i,j)为各漫透射元法线与l方向所成角度；β(i,j)为成像测量单元面探测器平面法线与漫透射元-像面(i,j)连线所成角度；τscreen为漫透射元透过率；τlens为成像测量单元中镜头的透过率，k为校准系数。式中的常数和变量应精确测量或计算。

31、作为一种技术方案，由于成像测量单元的视场角的限制，成像测量单元的视场区域可能小于等于所摄曲面网状屏的光斑区域，可通过将成像测量单元设置在旋转机构上，通过旋转机构将成像测量单元带动到两个或以上不同角度下分别拍摄光斑图像，各角度下所拍摄的光斑图像相拼接覆盖完整光斑图像；或者采用两个或以上的成像测量单元分别从不同的角度拍摄获取多幅光斑图像，通过图像拼接裁剪处理得到完整的光斑图像，从而获得待测发光体在感兴趣空间范围的发光分布参数，可解决因成像测量单元视场限制而导致测量不准确的问题。此时成像测量单元坐标系与空间光分布坐标系不平行，需要成像测量单元坐标系按照一定参数，分别绕xl,yl,zl轴做平移和旋转，根据几何关系，对成像测量单元进行标定时，需要利用已知尺寸的标定板或物体，拍摄图像，并根据图像的特征点和图像坐标之间的关系，求解出对应参数，通过建立各成像测量单元中各像素点(i,j)或者以像素点(i,j)为中心的各像素区域与空间角度对应的关系，实现曲面网状屏区域的全部校准，精准获得待测发光体光学量值随角度的变化。优选的，对于图像畸变较严重的图像进行畸变矫正，对于噪声较大的图像进行去噪处理，求解不同光斑图像之间的几何变换关系；为了保证每个光斑图像上的视觉一致性，可对图像进行亮度校正。或者也可以采用特殊成像测量设备，如广角、超广角镜头，一次拍摄获取全部光斑图像。

32、本发明还提供了一种发光分布测量装置，包括具有圆锥面的遮光装置、曲面网状屏、具有面阵传感器的成像测量单元，曲面网状屏设置在遮光装置的一端，且曲面网状屏表面具有网格状分布的漫透射元；上述遮光装置相对于曲面网状屏的另一端上设有一个采样口，待测发光体的待测区域置于采样口处，从该待测区域发出的光照射到曲面网状屏上，在各个漫透射元上产生光斑，成像测量单元对准曲面网状屏，采集测量光斑图像并计算得到空间光分布参数。

33、作为一种技术方案，还包括用于对成像测量单元进行校准的标准光源，其中标准光源的空间光分布已知。根据已知的标准光源的空间光强分布数据，建立面阵传感器各像素点与标准光源不同空间角度光强值或亮度值之间的对应关系，对于每个像素点，通过比较其响应值与标准光源在该角度下的实际光强值或亮度值，计算出该像素点的校准系数，将所有像素点的校准系数存储起来，以便后续测量使用。使用校准后的成像测量单元测量待测发光体待测区域与角度相关的发光强度、亮度、色度等参数，得到的测量结果较为准确。

34、作为一种技术方案，具有面阵传感器的成像测量单元为两个或以上，分别设置在不同角度位置，对准曲面采样网拍摄。

35、作为一种技术方案，还包括样品台，待测发光体放置在样品台上，通过样品台的移动调整待测发光体的待测区域，自动化调整待测区域，满足不同的测量要求。

36、作为一种技术方案，成像测量单元的测量光路前还设有使得成像测量单元的光谱响应函数与人眼光视效率函数v(λ)相匹配的滤色片或者与cie色匹配函数x(λ)、y(λ)和z(λ)相匹配的滤色片或者带通滤色片，通过切换装置将滤色片依次切换至光路中。对于光谱的视角分布，可采用多个带通滤色片，波长范围覆盖380nm-780nm波段范围，成像测量单元在不同滤色片下获取图像进行合成得到整个可见光波段范围的光谱。

37、本发明的有益效果：本发明提供了一种发光分布测量方法，利用曲面网状屏的漫透射特性和成像测量单元的快速测量，实现大角度视角下的视角亮度、色度参数的高效可靠测量，具有测量快速、测量准确、灵活性高、价格低廉等优点，适合发光体相关项目研发和产线质量控制等应用。