近場分布式光度計的研究進展及應用

何澤浩，王洪遠，閔 銳，曹良才

（清華大學 精密儀器系 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京 100084）

引言

輻射度學是一門以電磁輻射為研究對象的科學，測量輻射度學參量的儀器稱為輻射度計。在光學領域，輻射度學的研究對象主要是可見光及其附近波段的電磁輻射。實際應用中，可見光波段的研究不僅需要考慮電磁輻射的客觀度量，還需要考慮人眼視覺對電磁輻射的生理和心理響應。包含了人眼視覺因素的輻射度學又被稱為光度學，該學科涉及的物理參量包括發光強度、光通量、照度和亮度[1]。測量上述光度學參量的儀器稱為光度計?？梢?，光度計是一種具有“標準人眼”視覺響應的輻射度計。

發光體的輻射分布具有特定的空間特性，因此光度學測量必須考慮不同方向上的光度量。為此，測量過程需要在空間不同位置處部署光度計等測量設備，這一測量特性通常被描述為“分布式”。當前，在空間不同位置處部署光度計的任務通常通過機械掃描裝置實現，這一裝置也常被稱為測角儀。機械掃描裝置和光度計共同組成的設備被稱為分布式光度計，其英文名稱“goniophotometer”的前綴“gonio”即為希臘語“角度”之意[2]?；跈C械掃描裝置，分布式光度計可測量4π 球面全部或部分方向上特定種類的光度學參量，進而基于不同光度學參量間的換算關系可實現發光體空間光輻射分布的數值重構。重構結果常常被繪制為發光強度值相對于角度的變化曲線，該曲線稱為配光曲線，是發光體光輻射分布的最常見呈現形式。

根據不同的分類標準，分布式光度計可被分為不同的類型。根據光度計和待測發光體構成的坐標系，可將分布式光度計分為A-α型、B-β型和Cγ型等3 個常見類別，它們各適用于交通燈具、投光燈具和室內燈具的光度測量[3]。本文基于燈具尺寸和測量距離間的關系，將分布式光度計分為遠場和近場兩類[4-6]。遠場分布式光度計（far-field goniophotometer,FFG）基于遠場近似條件實現光度參量的測量，近似條件包括將發光體視為點光源，將空間任意光線視為由該點出射和假設不同方向的出射光線性質相同。因為物理模型較為簡單，FFG 需處理的數據量少，空間輻射分布的重構速度快，對于朗伯發光體的重構效果較好。不過，FFG 要求被測發光體和探測器之間的距離大于發光體最大尺寸的5 倍以上，測量過程占用空間大；測量過程對發光體過度簡化，限制了照明距離較近時空間輻射分布的重構精度。此外，不少新型發光體的輻射特性與朗伯體差異顯著，FFG 難以準確描述它們的光學性能。近場分布式光度計（near-field goniophotometer,NFG）的出現一定程度上解決了FFG 面臨的問題。本文將從NFG 的原理出發，比較NFG 相對FFG 的優點，綜述NFG 的發展現狀，分析NFG 面臨的挑戰并提出相應的解決方案，進而展望NFG 在照明顯示、交通運輸、工業視覺和文物保護等領域的應用。

1 近場分布式光度計的測量原理

1987 年，NGAI P Y 首先提出了NFG 的概念[7]。如圖1（a）所示，NFG 通常由2 個相互垂直的旋轉軸組成，旋轉軸連接掃描框架，而掃描框架上安裝有NFG 的核心組件——成像亮度計。掃描框架旋轉時，成像亮度計的運動軌跡位于半徑為R的掃描球面上，同時待測發光體放置于掃描球面內部。顯然，待測發光體的最大尺寸應小于掃描球面的直徑2R。

圖1 NFG 測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of NFG-based measurement

成像亮度計的核心器件是CCD 和CMOS 等二維成像傳感器，它可以在球面掃描過程中采集所有可達位置的亮度圖像[8]。由于指定方向上的亮度值和光線傳播距離無關，即使成像亮度計的運動軌跡始終位于掃描球面上，其特定位置上采集到的亮度圖像也可描述該方向上任意距離處的光輻射特性，并可基于光度學參量間的換算關系求解不同距離上的發光強度和照度等參量。以圖1（b）所示的面積為S的平面發光體為例，已知亮度為L(x,y,θ,φ)時，發光強度和照度可由式（1）和式（2）求解：

式中：I為發光強度；E為照度；l為發光體中心C到任意空間點P的距離；l'為發光體上的面元ds到點P的距離；α為CP連線與點P所在平面法線的夾角；α'為ds發出的光線與點P所在平面法線的夾角；θ為 ds發出的光線與發光體平面法線的夾角。當點P與發光體之間的距離遠遠大于發光體尺寸時，l'趨近于l，α'趨近于α，此時的發光強度可表示為

式（3）表明，基于NFG 同樣可以計算遠場的空間光輻射分布。

與FFG 相比，NFG 在設備體積和可推演性等方面具有顯著優勢，極大擴展了應用范圍，主要體現為以下兩個方面：

1）NFG 占用體積小，測量過程魯棒性強。FFG 的工作過程需要滿足遠場近似條件，相比之下，NFG 的工作過程無需滿足遠場近似條件，設備尺寸理論上大于被測發光體的最大尺寸即可。因此，使用NFG 進行光度測量時占用的空間體積較小，適用于大尺寸發光體的光度測量。同時，在獲取4π 全空間光輻射特性的過程中，NFG 通常無需對被測發光體進行旋轉和平移，避免了因發光體機械移動導致的性能波動，提升了測量結果的魯棒性。

2）NFG 可推演性強，遠/近場光度學參量的恢復精度高。FFG 的測量過程將發光體視為點光源，相比之下，NFG 無需預設光源形狀。NFG 可測量的發光體最大尺寸接近其掃描框架尺寸，成像亮度計采集到的圖像是被測發光體各角度下的近場亮度圖像。根據亮度的距離不變性，NFG 可推演復雜形狀光源任意傳播距離處的光度分布，突破了FFG 難以重構近場光度分布的難題。同時，NFG 還可基于亮度和其他參量間的換算關系，推演被測發光體的任意光度學參量，極大擴展了可測量參數的種類。

基于上述特點，NFG 擁有更廣的適用范圍。由于NFG 不會將發光體近似為點光源，因此可用于平面、曲面等不同形狀光源的檢測。同時，NFG上安裝的成像亮度計可以在掃描過程中捕捉發光體在掃描球面上全部或部分區域的亮度圖像?；诓煌嵌认碌牧炼葓D像進行配光計算，可以獲得4π 全空間內發光體中心坐標、光線傳播方向和任意方向光通量等特征信息。即使被測發光體具有各項異性的發光特性，NFG 也可以進行精確的測量與重構。隨著ASAP、Speos、Light Tools 和Zemax 等常用光學設計軟件的發展，將NFG 獲取的光線文件應用于光學設計軟件，可進一步模擬光線經過濾波片、反射鏡等光學組件后的傳播特性，進而大幅降低新型光學組件的開發難度，在近場光學組件開發領域具有廣闊的應用前景。

2 近場分布式光度計的發展現狀

20 世紀90 年代初，德國伊爾梅瑙工業大學RIEMANN M 團隊率先開發了NFG 原型機，首次基于亮度圖像實現了發光強度和總光通量的重構[9]。團隊成員SCHMIDT F 等人創建的Techno Team 公司當前已成長為NFG 領域的龍頭企業，其推出的RiGO801 系列NFG 擁有眾多細分型號，可以實現各類發光體的光度測量，如LED/OLED 芯片、照明燈泡、固體照明模塊、車用照明組件和特種光源等[10-13]。其中，型號為RiGO801-2000 的大型NFG可測量直徑為2 000 mm，其亮度測量誤差、色坐標測量精度、發光強度測量誤差和掃描角度定位精度等關鍵參數均到達了國際先進水平，已在中大型發光組件的開發和制造領域得到了廣泛應用，是汽車照明行業的標桿性測量儀器。

美國Radiant 公司是NFG 領域的重要參與者。在ALBRECHT 等人的帶領下，該公司于1996 年推出了型號為SIG-100 的第一代NFG 產品。該產品一經面世便被電影放映行業關注，隨后在高功率弧光燈的表征和優化領域得到了廣泛應用。當前，SIG 系列已更新至第四代產品SIG-400，主要用于測量直徑小于200 mm 的LED 芯片和發光組件，其優勢體現在系統集成性強、近場測量精度高和軟件功能完善等方面[14]。其中，SIG-400 配套的軟件ProSource 可以推演指定距離處的光度分布，生成的數據可導出為IES 和ELUMDAT 格式文件，與常用光學設計軟件的兼容性較好，可為LED 性能表征和設計優化提供經濟高效的解決方案[15]。

加拿大ASHDOWN I 團隊自1993 年開始進入NFG 領域，在NFG 光線重構理論、計算優化技術和光源建模方法等方面取得了開拓性成果[16-19]；德國聯邦物理技術研究所針對NFG 開展了長期研究，突破了系統仿真設計、光機電系統構建和雜散光抑制等方面的部分難題[20-22]；比利時魯汶大學在NFG 領域進行了系統性的研究，研究內容涵蓋動態范圍失配誤差消除和基于NFG 的光學組件精確建模等方面[23]；德國Instrument Systems 公司制造了LGS-1000 型號的分布光度計，可以實現遠場測量和近場測量的模式切換，其近場測量模式通常針對直徑小于200 mm 的發光體[24]。

國內研究團隊正針對NFG 軟硬件領域的核心技術開展技術攻關。大連工業大學基于CA2000成像亮度計搭建了近場光度測試系統，比較了近場和遠場光度測量的性能差異[25-26]；浙江大學研究了成像亮度計和機械掃描裝置中可能存在的測量誤差，并在NFG 空間位置誤差的消除方面開展了探索性研究[27]；杭州遠方光電在NFG 領域開展了系列研究[28-29]，領導撰寫了該領域重要的標準性出版物CIE 239: 2020[30]，同時自主研制了如圖2（a）所示的GO-NR1000 型NFG，實現了直徑30 mm 以下發光體的光度檢測，可以精確測量遠近場任意位置的光度分布，且發光強度測量誤差等關鍵性能指標達到了國際先進水平；清華大學在NFG 領域進行了深入探索[31]，其自主開發的GP600 型NFG，如圖2（b）所示，最大可測量直徑已達600 mm，光場重構速度接近國外高端產品水平，能夠用于中大型照明與顯示設備的精確檢測。

圖2 國產NFG 典型產品Fig.2 Typical domestic NFG products

國內外NFG 領域部分代表性的研究機構、產品型號和功能特點如表1 所示?？傮w來看，商業化的NFG 產品雖然較少披露技術細節，但絕大多數產品的基本原理均是分布式掃描和基于亮度不變性的光度學參量換算關系。經過30 余年的發展，面向小尺寸發光體測量的小型NFG 產品已較為成熟，部分國產設備的測量精度已達到了國際先進水平。但是，當前面向大尺寸發光體測量的大型NFG 產品種類依然較少，Techno Team 公司的RiGO801 系列占據了市場的大部分份額。清華大學在大尺寸NFG 領域獲得了階段性的技術突破，但其產品的最大可測量直徑和Techno Team 比較仍有差距。相比于小型NFG 產品，大型NFG 產品面臨的技術挑戰主要集中在兩個方面：第一，大型NFG 產品對系統和部件的結構強度、控制精度和標定精度提出了更嚴格的要求，設計和制造需要更高的工藝技術水平；第二，大型NFG 產品掃描測量過程中獲取的數據量更大，數據的處理過程需要依靠更強大的硬件和更高效的算法。隨著高端照明、先進顯示、道路交通、工業檢測和文物保護等領域的蓬勃發展，精確獲知發光體的輻射分布正變得越來越重要。因此，突破NFG 領域的技術挑戰，實現大尺寸、高精度和超快速的光度學參量重構，具有越來越重要的經濟和社會價值。

3 近場分布式光度計的挑戰與解決方案

3.1 高精度的亮度元數據測量

準確重構待測發光體各類光度學參量的前提是獲得精確的亮度元數據。NFG 的元數據是不同角度上的亮度數據，因此成像亮度計的測量精度和可靠性是NFG 性能指標的關鍵影響因素。當前，成像亮度計在視覺響應曲線匹配、線性動態范圍擴展和非定標位置測量精度提升等方面面臨技術挑戰。成像亮度計的三刺激值光譜匹配是國際公認難題，當成像亮度計的光譜響應度曲線偏離標準人眼視覺響應曲線時，儀器測量不同光譜發光體時就會產生光譜失配誤差，進而制約NFG 測量精度提升。同時，成像傳感器芯片的動態范圍容易受到工作溫度和電路制造工藝的影響，有限的單元動態范圍制約了亮度圖像的線性動態范圍，進而限制了NFG 的測量和重構精度。此外，成像亮度計在定標距離處的測量精度最高，當實際測量距離受到待測目標尺寸和形狀的影響而偏離定標距離時會產生測量誤差，進而降低NFG 測量數據的精確性。

如圖3 所示，提升成像亮度計的元數據測量精度，需要提升器件的視覺響應曲線匹配精度，優化電路工藝和制冷水平，并消除非定標距離處的測量誤差。為此，需要面向成像亮度計研制透過波長與人眼三刺激值匹配度更高的膜系材料，提升成像鏡頭和濾色片的鍍膜工藝，使成像亮度計的光譜響應函數更接近“標準人眼”視覺響應曲線；開發自適應的光譜匹配算法，基于傳感器和人眼光譜響應曲線之間的對應關系，將原始測量數據轉換為與人眼三刺激值高度匹配的優化數據。同時，需要提升成像亮度計的制冷水平，優化采樣和前置放大電路的制造工藝，利用阻抗匹配和AD 轉換等手段，結合成像傳感器動態范圍的校正方法，實現低閾值和大范圍的成像式亮度測量。

圖3 成像亮度計元數據測量精度的提升Fig.3 Measurement accuracy improvement of original data obtained by imaging luminance meter

3.2 超快速、高精度的光場重構

光場重構表示基于成像式亮度計測得的亮度圖像求解發光強度、光通量、照度等參量并繪制全空間光度分布的過程，是光度測量的核心環節之一。當前，全空間光場重構通常難以兼顧速度和精度，主要原因是機械掃描定位、選定角度處的亮度圖像采集以及全空間光場拼接計算等環節難以兼顧速度和精度。全空間光場通?；谏贁颠x定角度處的光度分布拼接計算獲得，因此要求成像亮度計在機械掃描過程中快速、準確到達選定位置，需要突破快速掃描過程中的高精度定位難題。同時，成像亮度計采集圖像過程中，更小的機械運動幅度和更長的曝光采樣時間通常會帶來更高的成像精度?！皰?停-采”成像模式可以滿足上述要求，但存在單幀圖像采集時間長、全空間掃描效率低的問題，制約了光場重構的速度。此外，更小的角度間隔、更多的亮度圖像，可以重構出精度更高的光場分布，但增加了數據量和拼接計算時間，降低了光場重構的效率。

為解決上述挑戰，需要開發掃描框架的高精度定位和控制方法，研究連續快速掃描的高精度采樣技術，并設計全空間光場拼接計算加速方法，如圖4 所示。為此，需要開發具有超高轉速、實時監控和精細控制等特性的新型伺服電機，構建機械掃描框架和伺服電機間的傳動系統，設計針對機械掃描框架的數字控制電路，實現超快速、高精度的機械掃描定位。同時，需要開發連續掃描采樣技術，在掃描框架連續旋轉中實現選定角度的精確識別，完成在該角度下的亮度圖像采集，并基于算法降低機械運動對亮度圖像采集質量的制約，實現亮度圖像的高效率、高精度采集。最后，建立全空間光場拼接計算方法，降低計算復雜度，減小待處理數據量，設計基于硬件的計算加速技術，實現大規模高維光場的高精度實時重建。

圖4 超快速、高精度的光場重構技術Fig.4 Ultrafast and high-precision reconstruction technology of optical field

3.3 高可靠性的溯源體系和計量標準裝置

量值溯源表示通過1 條具有規定不確定度的不間斷比較鏈、使測量結果和規定的參考標準相關聯的過程，這條具有規定不確定度的不間斷比較鏈被稱為量值溯源體系。作為光度學參量的測量儀器，為了保證儀器的測量準確度，NFG 的測量結果需要溯源至相關的國家計量基準。圖5 展示了1 條適用于NFG 的量值溯源鏈條。光度學參量的測量結果經現場計量校準、實驗室計量校準后，最終可溯源至亮度、色度和發光強度等國家計量基準。

圖5 NFG 的量值溯源和傳遞體系Fig.5 Quantity traceability and transferability system for NFG

當前，NFG 的量值溯源面臨缺乏符合產業需求的標準光源和現場計量校準裝置的挑戰。亮度和色度的量值溯源體系主要基于標準A 光源進行計量校準，但實際被測的LED、熒光燈和激光二極管等發光體的光譜分布與標準A 光源存在較大差異，存在光譜失配問題。同時，NFG 尺寸較大，難以送檢至實驗室，但當前缺少性能可靠的亮度、照度和發光強度現場計量校準裝置，量值溯源工作的完成難度極高。

為解決上述挑戰性問題，需要開發新型標準光源和高置信度的便攜式計量校準裝置。首先，開發適用于不同測量對象的標準光源（如高穩定性LED 標準光源或具有多光譜輸出能力的高強度穩定燈），在量值溯源體系中補充現有標準A 光源的不足之處，實現在多個典型光譜范圍內的穩定輸出，滿足LED、熒光燈和激光二極管等發光體的測量精度需求[32]。同時，開發適用于NFG 的便攜式現場計量校準裝置并溯源至國家相關計量基準，實現NFG 的原位計量校準，提升量值溯源標準裝置的便捷性，避免大型設備因反復拆裝和運輸導致的測量精度偏移。

4 近場分布式光度計的應用

NFG 的元數據是不同角度上的亮度圖像。伴隨著成像式亮度計成像精度的提升，當前亮度圖像的準確性也日益進步。處理這些亮度圖像，可以得到亮度曲線、發光強度曲線和照度曲線等較為初級的數據。其中，基于清華大學GP600 型NFG獲得的發光強度曲線如圖6（a）所示。伴隨著處理器計算能力的增強和數據可視化技術的進步，基于上述初級數據可以進一步獲得空間光強分布圖和空間光線分布圖等較高級別的數據。其中，基于GP600 型NFG 亮度圖像獲取的空間光線分布圖如圖6（b）所示，圖中的3 個坐標軸分別表示了發光方向θ、φ和相對發光強度。這些光線數據可以導入常用的光學設計軟件，用于新型光學組件的設計和開發，預期可以在照明、顯示、交通運輸、工業視覺和文物保護領域發揮重要的作用[33]。

圖6 清華大學GP600 型NFG 的測量結果Fig.6 Measurement results obtained by Tsinghua GP600 NFG

在照明領域，NFG 有望引領LED 邁向品質照明和健康照明的新階段。伴隨著LED 技術的不斷成熟，LED 照明在光效、能耗和制造成本等方面逐漸體現出較為明顯的邊際效應。為了追求新的利潤增長點，LED 照明行業逐步將提升照明品質、聚焦照明健康作為新的工作重點。光度學參數的精確測量和重構可以為照明質量評價提供必要的數據支撐。燈具配光曲線的精確測量是教室照明燈具設計和改進的基礎，特別是提高照度均勻性和降低室內不舒適眩光對中小學生視覺健康意義重大，NFG 有機會在品質照明和健康照明時代大展拳腳。

在顯示領域，NFG 有望加速Micro-LED 技術的成熟和商用。Micro-LED 在亮度、響應速度、能耗和使用壽命等方面具有潛在優勢，被認為是未來顯示面板的發展方向。當前，制約Micro-LED 面板大規模商用的主要因素是偏低的生產良率。由于Micro-LED 面板通?；诰蘖哭D移技術制造，保證每個像素擁有相同的亮度曲線是一項極富挑戰性的任務?；贜FG 完成Micro-LED 面板的檢測和亮度曲線繪制，建立精準的亮度調控模型，對于提升面板顯示質量具有重要的價值，也可以為提升Micro-LED 面板制造工藝、降低生產成本提供堅實的數據支撐。

在交通照明領域，NFG 有望促進智能化、高性能照明大燈的快速普及。隨著車用照明技術的進步，矩陣式大燈、激光大燈和投影大燈等新型車燈相繼被引入汽車市場。然而，新型車燈的發光特性與傳統車用燈具存在顯著差異，主要體現在發光面尺寸大、光強分布多樣性強、存在時間調制特性和明暗對比強烈等方面。NFG 可以用于測量新型車燈的光度分布，進而提取適當的表征參數對燈具的發光特性進行分析和改進，使其配光性能不僅滿足相關標準和法規，也能與人眼的視覺感知相一致。

在工業檢測領域，NFG 有望推動高精度視覺感知時代的到來。工業視覺相機通常會使用結構光發射器將一定模式的結構光投射到被測物體表面，形成由被測物體表面形狀所調制的三維圖像。通過多個相機拍攝上述三維圖像的二維分布，并利用光學三角測量原理，可以實現被測物體表面三維形貌的重建。結構光發射器投射圖案的精確性和均勻性對工業視覺成像精度具有決定性的影響?；贜FG 測量結構光發射器光度分布，建立結構光性能與工業視覺測量精度間的量化模型，對于優化工業視覺相機性能、提升工業視覺感知能力，具有十分重要的實用意義。

在文物保護領域，NFG 將進一步促進文物無眩光成像技術和無損傷陳列技術的發展。照明燈光的強度分布和光譜分布等特性對文物成像和陳列展覽具有十分顯著的影響。其中，不適合的強度分布會導致眩光效應，導致文物成像結果丟失紋飾數據；不適合的光譜分布會導致文物成像結果發生色彩偏移，甚至可能在陳列展覽過程中導致文物的光損傷。使用NFG 對照明光源的關鍵光度學參數進行檢測，可以確定適合各材質文物的最佳光學信息采集場景；同時，基于光度學參數可以研究不同照明環境對不同材質文物老化、損傷的影響，確定適宜文物照明的光學參數并形成相關標準在行業內推廣。

5 結論

NFG 具有占用體積小、可推演性強、適用范圍廣和可擴展性強的特點，在魯棒性、精確性、適應性和便捷性等方面具有顯著優勢，是面向未來的光度學參量測量儀器。高端NFG 的設計和制造需要較高的工藝技術水平；同時，作為一種計算測量技術，NFG 數據處理算法和軟件對測量精度也有很大的影響。國內外NFG 的軟硬件能力正在快速進步，在可測量尺寸、發光強度測量精度和掃描角度定位精度等關鍵參數上取得了顯著的進步。然而，當前NFG 仍面臨成像式亮度計采集精度受限、光場重構速度和精度難以兼顧、量值溯源體系尚未完整構建的挑戰。解決上述挑戰，是占領NFG技術高地的必然選擇。由于NFG 優秀的功能性和便捷性，預計它將會廣泛用在新型光學組件的設計和開發中，對照明、顯示、交通運輸、工業視覺和文物保護具有十分重要的應用價值。