專利名稱：用于測(cè)量物體光強(qiáng)度的便攜式設(shè)備,以及該設(shè)備的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量物體光強(qiáng)度的設(shè)備，以及該設(shè)備的用途。
本發(fā)明尤其但以非限制方式用于測(cè)量物體或部分物體的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)。
BRDF是用于定義表面被照射時(shí)擴(kuò)散光強(qiáng)度的特征的數(shù)學(xué)函數(shù)。BRDF給出了擴(kuò)散光量，其作為觀察方向，照明入射角，波長(zhǎng)和偏振化的函數(shù)。
本發(fā)明還用于測(cè)量雙向透射分布函數(shù)(BTDF)，以及更常用于測(cè)量雙向散射分布函數(shù)(BSDF)，并且用于測(cè)量光源的強(qiáng)度圖案以及材料的體擴(kuò)散(bulk diffusion)強(qiáng)度圖案。
在第一種已知應(yīng)用中，BRDF測(cè)量可以用于表現(xiàn)航空器的目標(biāo)顯示特征。
多年來，BRDF測(cè)量已經(jīng)被用于合成圖像，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和響應(yīng)于光而模擬光以模擬表面特性的軟件中。
為了這個(gè)目的，這種軟件，例如以程序庫(kù)的形式，利用了在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)表現(xiàn)出想要模擬的光學(xué)行為的各種物體或表面所執(zhí)行的實(shí)際測(cè)得的BRDF。
為了進(jìn)行這種BRDF測(cè)量，已知的最好的裝置使用待表示其特征的物體樣本。該樣本必須是小尺寸，典型的是10厘米(cm)數(shù)量級(jí)。
這種測(cè)量裝置通常包括其端部具有探測(cè)器的大尺寸的鉸接臂。因此體積大，重量大，并且實(shí)際上難以運(yùn)輸。
而且，特別是因?yàn)閭鞲衅鞯囊苿?dòng)，用這種裝置進(jìn)行測(cè)量需要非常長(zhǎng)的時(shí)間。
因此，它們只能用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，不適于用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
本發(fā)明的一個(gè)目的是獲得一種用于測(cè)量BRDF的設(shè)備，其具有合理的尺寸，易于運(yùn)輸，并且因此適于現(xiàn)場(chǎng)使用，并且其使得可以在非常短的獲取時(shí)間內(nèi)幾乎是即時(shí)地進(jìn)行測(cè)量。
美國(guó)專利No.5637873(Davis)中描述了一種適于現(xiàn)場(chǎng)使用的BRDF測(cè)量設(shè)備，例如測(cè)量車輛表面的某種光學(xué)特性。
參照它的圖5，Davis專利中描述了該設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例，其中該設(shè)備包括用于采集將表現(xiàn)其特征的物體所反射的光的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩個(gè)透鏡和一個(gè)橢圓反射鏡構(gòu)成。
更確切的，在那個(gè)實(shí)施例中，將表現(xiàn)其特征的物體的樣本被置于橢圓反射鏡的第一焦點(diǎn)，并且被樣本反射的光被聚焦在橢圓反射鏡的第二焦點(diǎn)。
被置于所述第二焦點(diǎn)的第一透鏡以這樣的方式配置●將被樣本反射的光線和未被橢圓反射鏡反射的光線聚焦；并且●防止被橢圓反射鏡反射的光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
Davis系統(tǒng)在第一透鏡后順次使用第二透鏡，所述第二透鏡的特征在于其具有用于準(zhǔn)直第一透鏡采集的光線的第一光學(xué)部分，以及用于準(zhǔn)直橢圓反射鏡采集的光線的第二光學(xué)部分。從而，該特定的第二透鏡在上述兩個(gè)光學(xué)部分之間的節(jié)點(diǎn)處表現(xiàn)出不連續(xù)(discontinuity)。
該不連續(xù)需要將橢圓反射鏡和上述兩個(gè)透鏡進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)，否則被橢圓反射鏡反射的光線會(huì)混入第一透鏡聚焦的光線，反之亦然。此問題就是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的術(shù)語“串音”。
日本專利文獻(xiàn)JP 63-140904A(Toshiba)描述了一種用于測(cè)量物體光強(qiáng)度的緊湊的設(shè)備，該設(shè)備具有聚光透鏡和在出口處設(shè)置表面陣列傳感器的反射性管狀體。
雖然沒有明確說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解該設(shè)備的實(shí)際實(shí)施例需要一個(gè)較大尺寸(典型的是對(duì)角線超過50毫米(mm))的傳感器陣列，以采集所有被物體擴(kuò)散的光。
因此，Toshiba測(cè)量設(shè)備不能使用目前已知的標(biāo)準(zhǔn)傳感器(對(duì)角線大約12.7mm)，所以其制造成本很高。
解決該問題的一種方法是在反射性管狀體和傳感器陣列之間，加入一無焦(afocal)系統(tǒng)。其使得在保持光準(zhǔn)直的同時(shí)，減小出口光束截面。這種類型的配置確實(shí)被用于可以使用小尺寸視頻傳感器觀察大直徑光束的Davis系統(tǒng)。
然而，這種解決方法的主要缺陷在于觀察平面遠(yuǎn)離反射性管狀體。因?yàn)楣馐l(fā)散不是為零，這使得在觀察平面中分辨率對(duì)應(yīng)的降低，特別是當(dāng)測(cè)量的樣本被大面積照明的時(shí)候。結(jié)果，Toshiba設(shè)備不能對(duì)擴(kuò)散光的強(qiáng)度圖案進(jìn)行精確的角度測(cè)量。
本發(fā)明可以解決上述缺陷。
為了這個(gè)目的，本發(fā)明提供一種用于測(cè)量物體或部分物體的光強(qiáng)度的設(shè)備，該設(shè)備包括●折射中心部分，當(dāng)所述物體被設(shè)置在所述折射中心部分的物方焦點(diǎn)時(shí)，該折射中心部分適于從被所述物體或部分物體以相對(duì)于所述折射中心部分的光軸小傾斜角擴(kuò)散的光，產(chǎn)生第一準(zhǔn)直或會(huì)聚光束；●反射折射邊緣部分，光軸和物方焦點(diǎn)分別與所述折射中心部分的光軸和物方焦點(diǎn)一致，所述反射折射邊緣部分獨(dú)立于所述折射中心部分，并且適于從被所述物體或部分物體以相對(duì)于所述光軸大傾斜角擴(kuò)散的光產(chǎn)生與第一光束同類型的第二光束，所述第二光束的光線不與所述第一光束的光線交叉；●與成像器件相關(guān)聯(lián)的二維視頻傳感器，用于在物平面獲得所述第一和第二光束的圖像，在所述物平面，各所述光束的光線與所述光軸間有一距離，該距離是關(guān)于所述傾斜角的函數(shù)；以及●用于從所述圖像測(cè)量所述第一和第二光束的作為所述傾斜角的函數(shù)的光線強(qiáng)度的測(cè)量裝置。
本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備中的二維視頻傳感器尤其可以由CCD、三CCD、CMOS或陰極射線管類型的二維視頻傳感器構(gòu)成。
首先應(yīng)該注意的是在保證高角度分辨率的同時(shí)，用于本發(fā)明的成像器件可以與任何形式的視頻傳感器聯(lián)合使用，以采集信號(hào)，這在前述的Toshiba系統(tǒng)中是不行的。
而且，本發(fā)明設(shè)備的由折射中心部分和反射折射邊緣部分構(gòu)成的采集器系統(tǒng)，僅包括兩個(gè)光學(xué)元件，因此在成本和易于組裝方面，與具有三個(gè)光學(xué)元件(橢圓反射鏡，第一透鏡和專用的第二透鏡)的Davis設(shè)備相比就具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
首先并且在大多數(shù)有益方式中，本發(fā)明設(shè)備的折射中心部分和反射折射邊緣部分用于將物體擴(kuò)散的光線分割成兩個(gè)作為傾斜角的函數(shù)的光束，其中該折射中心部分和反射折射邊緣部分是各自獨(dú)立的并且彼此不相關(guān)的。
該設(shè)備這種以中心部分和邊緣部分兩個(gè)不同部分配置的特別有益的配置方式，使得可以獲得兩束不交叉的光線，并且在設(shè)備調(diào)準(zhǔn)上提供較大的組裝容許誤差，極大地減小了上述串音問題。
還要注意的是本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)組件(與成像器件相關(guān)聯(lián)的二維視頻傳感器)，因此可以使制造成本比前述Toshiba設(shè)備小得多。
特別的，與二維視頻傳感器相關(guān)聯(lián)的成像器件由聚焦透鏡構(gòu)成，其對(duì)視頻傳感器上上述限定的采集器發(fā)送的光進(jìn)行成像這個(gè)公知的功能。
該優(yōu)選配置使得可以方便地偏移(offset)視頻傳感器，并因此提高本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備的分辨率，特別是當(dāng)用于測(cè)量的樣本被大面積照明時(shí)。
這里提供了一種比Davis文獻(xiàn)中描述的設(shè)備的分辨率高得多的測(cè)量設(shè)備，在Davis文獻(xiàn)中描述的設(shè)備中，觀察裝置由設(shè)置為產(chǎn)生無焦系統(tǒng)以將光束直接投射到視頻傳感器上的第三和第四透鏡構(gòu)成。
因此，本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例特別適于表現(xiàn)呈粒狀或有紋理的表面的特征，這種測(cè)量需要對(duì)要表現(xiàn)其特征的物體進(jìn)行大面積照明。
在一種變形例中，成像器件可以由針孔構(gòu)成，尤其是當(dāng)光源對(duì)用于測(cè)量的樣本小面積照明時(shí)。這使得可以降低本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備的成本，但是損失測(cè)量的相對(duì)精度。
以下對(duì)用于使第一和第二光束的光線會(huì)聚在成像器件上的兩個(gè)優(yōu)選的變形實(shí)施例進(jìn)行描述。
可以設(shè)想本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備的兩種主要變形。
在第一種變形中，分別來自折射中心部分和反射折射邊緣部分的第一和第二光束會(huì)聚在設(shè)置了成像器件的公共聚焦點(diǎn)上。
該第一種變形實(shí)施例使得可以省略場(chǎng)鏡(field lens)，因此得到緊湊的設(shè)備。
在第二種變形中，上述兩光束被準(zhǔn)直。
在該第二種變形的第二實(shí)施例中，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備具有場(chǎng)鏡，用于使準(zhǔn)直光束會(huì)聚在設(shè)置了成像器件的焦點(diǎn)上。
該第二實(shí)施例設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，并且在對(duì)各個(gè)光學(xué)組件定位上表現(xiàn)出靈活度。
在第三種變形中，可以使用遠(yuǎn)心透鏡。這種透鏡接收入射準(zhǔn)直光束，這意味著不需要使得光線會(huì)聚。
在本發(fā)明中，可以使用各種折射中心部分，特別是可以有優(yōu)勢(shì)的使用非球面會(huì)聚透鏡以獲得緊湊結(jié)構(gòu)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，折射中心部分是由一組球面透鏡構(gòu)成的透鏡，因此可以校正色差。由此所獲得的測(cè)量精確度大大提高，因?yàn)檎彰骺梢允褂脤捵V光源。而且，球面透鏡制造和對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制都非常容易。
在另一個(gè)實(shí)施例中，折射中心部分是一個(gè)菲涅爾透鏡。這種組件厚度非常小(典型的是毫米級(jí))，可以降低尺寸、重量、材料數(shù)量和本發(fā)明測(cè)量設(shè)備的價(jià)格。
在兩個(gè)第一種變形實(shí)施例中，反射折射邊緣部分可以由使用鏡面反射器以及可能需要反射器材料進(jìn)行過反射處理的拋物面反射鏡或橢圓反射鏡構(gòu)成。這些變形需要少量的材料并且組成成本較低的實(shí)施例。
在第三種變形實(shí)施例中，反射折射邊緣部分包括●被物體或部分物體以大傾斜角擴(kuò)散的光的入射界面；●進(jìn)行全部?jī)?nèi)部反射的反射面；以及●第二光束的出射界面。
該第三種變形的實(shí)施例，其不需要反射處理，有利于避免光損失。從而中心和邊緣部分也可以制成一個(gè)整塊。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備進(jìn)一步包括●至少一個(gè)適于產(chǎn)生準(zhǔn)直光束的光源，準(zhǔn)直光束相對(duì)于所述光軸被物體或部分物體以預(yù)定入射角接收；●測(cè)量裝置適于測(cè)量被物體反射的第一和第二光束的光線強(qiáng)度，該光線強(qiáng)度是所述預(yù)定入射角的函數(shù)。
有利地，該實(shí)施例可以測(cè)量物體的BRDF，其是所述物體的照明角度的函數(shù)。
特別的，光源可以由激光器或激光二極管構(gòu)成。
不過，并且有利地，光源可以通過將發(fā)光二極管(LED)和用于控制來自LED的光束發(fā)散的視場(chǎng)光闌、用于控制其截面的孔徑光闌以及準(zhǔn)直透鏡相關(guān)聯(lián)而構(gòu)成。
這樣的光源使得可以獲得預(yù)期的光束截面和發(fā)散都很小的照明光束。
為了減少成本，也可以考慮簡(jiǎn)化的光源，將孔徑光闌或準(zhǔn)直透鏡省略。
光源優(yōu)選為白光，測(cè)量裝置適于測(cè)量第一和第二光束的光線強(qiáng)度，該光線強(qiáng)度是關(guān)于所述光線波長(zhǎng)的函數(shù)。
這個(gè)實(shí)施例考慮到光譜影響，使得可以描述出彩色表面(iridescentsurface)的BRDF的特征。
在一種變形中，用于所謂“可視”應(yīng)用，測(cè)量裝置例如彩色視頻傳感器適于測(cè)量第一和第二光束中作為對(duì)人眼敏感的原色(紅，綠和藍(lán))的光線強(qiáng)度。
特別的，這樣的傳感器使得可以再現(xiàn)皮膚，化妝品，或例如用于某些車體的彩色涂料的可視外觀。
對(duì)于其他應(yīng)用，可以使用一組彩色濾光片(例如二向色濾光片或干涉濾光片)，其被連續(xù)設(shè)置在單色視頻攝影機(jī)前。這使得可以通過波長(zhǎng)測(cè)量BRDF波長(zhǎng)，從而隨后(posteriori)重建完整的BRDF，其是關(guān)于光譜的函數(shù)。
自然地，也可以利用單色傳感器獲得簡(jiǎn)化的BRDF，其與光譜無關(guān)。特別的，傳感器可以是對(duì)近紅外或遠(yuǎn)紅外的波長(zhǎng)感光的，從而測(cè)得紅外BRDF，用于光電子技術(shù)、軍事和/或空間應(yīng)用。
在第一實(shí)施例中，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備具有多個(gè)出射準(zhǔn)直光束的固定光源，各光源間彼此獨(dú)立，并且適于產(chǎn)生由要表示其特征的物體以對(duì)于光源特定的入射角接收的光束。
當(dāng)測(cè)量設(shè)備用于測(cè)量物體的BRDF時(shí)，只要物體具有高擴(kuò)散表面，而電磁理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)顯示所有的BRDF函數(shù)依賴于入射角，這個(gè)實(shí)施例就特別有利。
在這個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的BRDF測(cè)量設(shè)備沒有移動(dòng)光源，那是用于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的便攜式設(shè)備的重要特性。
在這個(gè)實(shí)施例中，各個(gè)固定光源被輪流激活，并且對(duì)物體的BRDF進(jìn)行測(cè)量，該BRDF是對(duì)物體照明的準(zhǔn)直光束的入射角的函數(shù)。
優(yōu)選的，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備具有控制裝置，尤其是軟件形式的控制裝置，其適于順序地切換各個(gè)光源。
應(yīng)該注意的是在這一點(diǎn)上，現(xiàn)有技術(shù)的Toshiba設(shè)備僅具有一個(gè)固定光源，該固定光源適于出射準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直光束通過中心會(huì)聚透鏡以不變的法向入射角聚焦在樣本上。
因此，不能用Toshiba設(shè)備測(cè)量作為照明入射角的函數(shù)的BRDF函數(shù)，而這是彩色涂料所需要的。由此通過本發(fā)明去除這個(gè)重大的局限性。
在另一個(gè)實(shí)施例中，使用單個(gè)可移動(dòng)光源，其適于以不同的預(yù)定入射角照射將表現(xiàn)其特征的物體或部分物體。
作為示例，光源可以在軌道上平移。
在上述第二種變形的第二實(shí)施例中，有利的是使用單個(gè)光源，其可在場(chǎng)鏡的像方焦點(diǎn)周圍，相對(duì)于設(shè)置在所述場(chǎng)鏡和成像器件之間的半反射板旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，該半反射板適于●反射該單個(gè)光源向?qū)⒈硎酒涮卣鞯奈矬w發(fā)射的準(zhǔn)直光束；以及●在由場(chǎng)鏡傳遞第一和第二會(huì)聚光束時(shí)，使該兩光束通過。
這個(gè)實(shí)施例可以用于測(cè)量表面各向異性的物體或部分物體的BRDF。自然地，也可以利用上述變形，通過將設(shè)備相對(duì)于被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)90°，來測(cè)量表面各向異性的物體的BRDF。
這個(gè)實(shí)施例也可以防止在光束中形成陰影區(qū)，其中陰影區(qū)是由于在光束中存在光源而產(chǎn)生的。
本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)選包括用于重建對(duì)這樣表現(xiàn)特征的物體或部分物體測(cè)量得到的BRDF，并且將他們記錄在媒質(zhì)上的裝置。
這些重建和在媒質(zhì)上記錄測(cè)量結(jié)果的裝置使得可以基于來自視頻傳感器的記錄，對(duì)BRDF函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
以上簡(jiǎn)述的本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備的各種變形可以被用于測(cè)量難以接近的物體或部分物體的BRDF，特別是在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用。
特別的，其可以被用于測(cè)量車輛操縱板的表面的BRDF，而不需要切下一塊操縱板的樣本用來分析。
無論如何，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備使得可以進(jìn)行利用現(xiàn)有已知測(cè)量設(shè)備不可能或難以進(jìn)行的測(cè)量。
該測(cè)量設(shè)備可以以低成本制造，并且可以非常快地進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量。
以完全相同的方式，本發(fā)明可以對(duì)物體或部分物體進(jìn)行BTDF(雙向透射分布函數(shù))，BSDF(雙向散射分布函數(shù))或三維擴(kuò)散的測(cè)量。以對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的方式，光源被配置為從后面對(duì)物體照明，從而使得物體擴(kuò)散光，其強(qiáng)度用本發(fā)明的設(shè)備測(cè)量。
本發(fā)明還使得可以獲得例如LED，發(fā)光顯示器，顯示器屏幕等發(fā)光設(shè)備的強(qiáng)度圖案。在這種環(huán)境下，確切地說，測(cè)量設(shè)備不具有光源，因?yàn)樗龉庠从晌矬w或部分物體構(gòu)成。
在第二方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)程序，其執(zhí)行模擬物體或部分物體的光學(xué)特性的功能，所述程序利用通過以上簡(jiǎn)述的測(cè)量設(shè)備對(duì)同類的真實(shí)物體所測(cè)得的光強(qiáng)度。
特別的，計(jì)算機(jī)程序可以是用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的軟件或用于模擬光的軟件。
因此，本發(fā)明使得可以在制造物體之前，獲得可以模擬物體的光學(xué)特性的程序。因此，可以模擬那些難以接近或運(yùn)輸入實(shí)驗(yàn)室的物體(路，隧道等)或結(jié)構(gòu)(皮膚等)。
通過閱讀以下對(duì)特定實(shí)施例的說明，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢(shì)將變得更加顯而易見，通過非限制性的示例并參照附圖進(jìn)行完全的說明，其中

圖1至5示出了根據(jù)本發(fā)明的四個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中的測(cè)量設(shè)備；圖6至8示出了可以用于根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備的光源；圖9示出了本發(fā)明所提到的遠(yuǎn)心透鏡的操作；圖10是利用根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備獲得的光通量強(qiáng)度的圖表示例。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中的用于測(cè)量物體或部分物體的光強(qiáng)度的設(shè)備。
在此處描述的實(shí)施例中，設(shè)備包括折射中心部分3，由具有無窮遠(yuǎn)的共軛焦點(diǎn)的會(huì)聚非球面透鏡形成，以及反射折射邊緣部分2，由頂點(diǎn)被穿透的拋物面反射鏡形成。
以本領(lǐng)域技術(shù)人員可知的方式，會(huì)聚非球面透鏡3可以用菲涅爾透鏡或由一組球面透鏡組成的透鏡替換。
拋物面反射鏡2利用鏡面反射。例如，其可以由不銹鋼制成，并且/或者根據(jù)材料，有選擇性地需要反射處理。
非球面透鏡3和拋物面反射鏡2配置為使得它們的光軸H和它們的焦點(diǎn)F1重合。
將測(cè)量其光強(qiáng)度或BRDF的物體或部分物體4被設(shè)置在焦點(diǎn)F1。
特別的，該物體4可以由想要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度圖案測(cè)量的光源構(gòu)成。
在此處描述的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備具有多個(gè)準(zhǔn)直光束光源1，例如5個(gè)光源。
各個(gè)光源1彼此獨(dú)立，這意味著可以通過例如軟件裝置(此處未示出)進(jìn)行控制，從而獨(dú)立于其他光源而發(fā)射或停止發(fā)射光束。
在此處描述的實(shí)施例中，可以假設(shè)各個(gè)光源1輪流發(fā)射光束。
為了簡(jiǎn)化的緣故，圖1中示出了兩個(gè)光源1，這些光源適于各自產(chǎn)生準(zhǔn)直光束，該準(zhǔn)直光束由i1和i2表示。
在這個(gè)圖中，準(zhǔn)直光束不通過非球面透鏡3。在一個(gè)有利的實(shí)施例中，一些光束i1、i2通過非球面透鏡3，從而可以以相對(duì)于光軸H較小的入射角α對(duì)物體4照明。
當(dāng)這些準(zhǔn)直光束i1、i2射到拋物面反射鏡2的內(nèi)表面時(shí)，它們被朝向拋物平面的焦點(diǎn)F1反射，從而被設(shè)置在該處的物體4接收。
各光束i1、i2被物體4以相對(duì)于光軸H的預(yù)先設(shè)定的入射角α1、α2接收。
當(dāng)物體4被來自光源1的光束照明，物體4以相對(duì)于光軸H為θ的各個(gè)方向擴(kuò)散光。
根據(jù)本發(fā)明，被物體4擴(kuò)散，并且相對(duì)于光軸H具有小傾斜角θc的光，被會(huì)聚非球面透鏡3截取(intercept)。
相反，被物體4擴(kuò)散，并且相對(duì)于光軸H具有大傾斜角θp的光被拋物面反射鏡2的反射內(nèi)壁截取。
優(yōu)選的，光的傾斜角在30°至45°范圍內(nèi)，超過該范圍則擴(kuò)散光線會(huì)被拋物面反射鏡2截取。
超過45°，會(huì)聚非球面透鏡3會(huì)出現(xiàn)已知的成像和光透射的已知問題；低于30°，拋物面反射鏡就會(huì)變得太大。
在圖1所示的實(shí)施例中，具有遠(yuǎn)心共軛焦點(diǎn)的會(huì)聚非球面透鏡3，以及拋物面反射鏡2，分別從被物體或部分物體4擴(kuò)散的光產(chǎn)生第一和第二準(zhǔn)直光束，這些光束與光軸H平行。
配置會(huì)聚非球面透鏡3和拋物面反射鏡2，使光線rp和rc彼此不相交。
第一和第二光束的光線rp和rc如圖1所示。
圖1所示的測(cè)量設(shè)備進(jìn)一步包括用于觀察在物平面P的上述第一和第二光束的裝置。
對(duì)于第一和第二光束的特定光線rp和rc，用符號(hào)hc，hp分別表示點(diǎn)A1，A2之間的距離●在點(diǎn)A2處，所述光線(rp，rc)與物平面P相交；●在點(diǎn)A1處，光軸H與物平面P相交。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，該距離hc，hp是關(guān)于擴(kuò)散角θc，θp的函數(shù)。
更確切的，各距離h與擴(kuò)散角θ對(duì)應(yīng)，反之亦然。
在圖1中的實(shí)施例中，測(cè)量設(shè)備具有場(chǎng)鏡5，以使得第一和第二準(zhǔn)直光束會(huì)聚在焦點(diǎn)F2。
在該焦點(diǎn)，有與視頻傳感器7相關(guān)聯(lián)的成像器件6，以獲得在場(chǎng)鏡5處的第一和第二準(zhǔn)直光束在物平面P中的圖像。
成像器件6典型的是傳統(tǒng)的聚焦透鏡。自然地，可以省略聚焦透鏡(利用眾所周知的“針孔”原理)，但是圖像在焦點(diǎn)以外獲得，BRDF分辨率降低。
也可以使用圖9所示的遠(yuǎn)心聚焦透鏡6’，其中透鏡6’的直徑大于被測(cè)物體的尺寸。對(duì)準(zhǔn)直光使用這種透鏡，則不需要使第一和第二準(zhǔn)直光束會(huì)聚在焦點(diǎn)F2。其優(yōu)勢(shì)是不需要使用場(chǎng)鏡。
由于這種透鏡對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，所以此處不做說明。
這樣獲得的圖像用計(jì)算機(jī)8進(jìn)行數(shù)字處理，例如為了從第一和第二光束產(chǎn)生光通量表示的圖，該圖與這些光束的光線rp和rc與光軸間距離的h成函數(shù)關(guān)系。
因此，該數(shù)字處理使得可以數(shù)字地重建BRDF，用于以后的其他應(yīng)用，例如用在光模擬軟件中。
以下對(duì)這樣的圖進(jìn)行描述，圖10為給出的一個(gè)示例。該圖包括三個(gè)部分A，B和C。
部分A對(duì)應(yīng)來自折射中心部分的光通量，而部分B和C(它們是對(duì)稱的)對(duì)應(yīng)來自反射折射邊緣部分的光通量。
在該圖中可以看到，這三個(gè)部分是分離的。因此，該圖示出了對(duì)應(yīng)于折射部分和反射折射部分間物理分離的兩個(gè)非連續(xù)區(qū)域。這兩個(gè)區(qū)域表示光束沒有重疊的情況。因此可以以有利的方式充分利用兩個(gè)光束。
作為示例，視頻傳感器7是CCD、三CCD、CMOS或陰極射線管等二維傳感器。
無論如何，該視頻傳感器由此根據(jù)光線與光軸H的距離hp，hc，提供了第一和第二光束的光線rc和rp的分布狀態(tài)。
如上所述，該距離分布用于獲得這些光線擴(kuò)散的角度分布θ，因?yàn)榫嚯xh和擴(kuò)散角θ是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
因此，該設(shè)備可以測(cè)量第一和第二光束的光線rp，rc的強(qiáng)度，其是被物體4擴(kuò)散的光的傾斜角θp，θc的函數(shù)，并且是來自光源1并被物體4接收的光束的入射角α的函數(shù)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光源1出射白光，并且視頻傳感器是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的RGB傳感器。
因此，本發(fā)明的設(shè)備可以測(cè)量第一和第二光束的光線rp，rc的強(qiáng)度，作為對(duì)人眼敏感的三原色(紅，綠和藍(lán))的函數(shù)。
這使得可以獲得彩色BRDF，因此使得可以再現(xiàn)具有彩色表面的物體4的顏色。
上述參照?qǐng)D1描述的測(cè)量設(shè)備可以以第一種結(jié)構(gòu)制造，其中將頂點(diǎn)穿透的拋物面反射鏡2和會(huì)聚非球面透鏡3相關(guān)聯(lián)，并使兩者間彼此分離。
圖2示出了圖1中設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例，其中拋物面反射鏡2和會(huì)聚非球面透鏡3由相同透明介電材料制成一整塊，例如通過車床加工或模塑制成。
在這個(gè)實(shí)施例中，拋物面反射鏡通過內(nèi)部全反射工作。更確切的●會(huì)聚透鏡3具有與光軸H垂直的前端面3a，以及中心在焦點(diǎn)F1上的對(duì)稱球面后端面3b；以及●拋物面反射鏡2具有中心也在焦點(diǎn)F1的球面前端面2a，以及與光軸H垂直的后端面2b。
如圖2所示，拋物面反射鏡2的前端面2a延伸到會(huì)聚非球面透鏡3的前端面3a。
同樣，后端面2b通過表面2c連接到會(huì)聚非球面透鏡3的球面后端面3b。
參照?qǐng)D3，這里對(duì)本發(fā)明測(cè)量設(shè)備的另一實(shí)施例隨后進(jìn)行說明。
在這個(gè)實(shí)施例中，折射中心部分3由實(shí)際物體和實(shí)際共軛圖像的會(huì)聚非球面透鏡構(gòu)成。
在這個(gè)實(shí)施例中，反射折射邊緣部分由內(nèi)表面使用鏡面反射的橢圓反射鏡2構(gòu)成。
在這個(gè)實(shí)施例中，會(huì)聚非球面透鏡3和反射橢圓反射鏡2被配置為使得第一和第二光束的光線rp，rc會(huì)聚在公共焦點(diǎn)F3。
在這個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量設(shè)備不具有場(chǎng)鏡5，視頻傳感器7的透鏡被設(shè)置在焦點(diǎn)F3。
圖4是本發(fā)明測(cè)量設(shè)備的第四實(shí)施例的圖。
在這個(gè)實(shí)施例中，折射中心部分3由會(huì)聚非球面界面表面構(gòu)成。
第四實(shí)施例的反射折射邊緣部分2包括被物體或部分物體以大傾斜角擴(kuò)散的光的入射界面表面，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部全反射的反射面，以及所述第二光束的出射界面表面。
更確切的，反射折射邊緣部分2具有中心在焦點(diǎn)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點(diǎn)F3上。
折射中心部分3由厚的透鏡構(gòu)成，其前端面2a與光軸H垂直，后端面2b是非球面的。
圖5是本發(fā)明測(cè)量裝置的第五實(shí)施例的折射中心部分和反射折射中心部分的圖。
在這個(gè)實(shí)施例中，反射折射邊緣部分2由回轉(zhuǎn)軸與光軸H一致的半球面(dome)構(gòu)成。
該半球面的外面覆蓋有微棱鏡100，其用作進(jìn)行內(nèi)部全反射的反射鏡并且局部地反射光束從而將光束直接反射到光軸H上。這些微棱鏡100可以具有平面的或拋物面的反射面。無論如何，這些微棱鏡100從被樣本擴(kuò)散的光產(chǎn)生準(zhǔn)直光束。
反射折射中心部分是菲涅爾透鏡，其光學(xué)作用與圖1所示的會(huì)聚非球面透鏡3的作用相同。
在上述五個(gè)實(shí)施例中，準(zhǔn)直光束的光源1可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的激光器或激光二極管構(gòu)成。
這個(gè)實(shí)施例特別適用于當(dāng)需要高角度分辨率和/或當(dāng)光譜信息不可用時(shí)，測(cè)量物體或部分物體的BRDF。
特別的，它應(yīng)用于光譜依賴性已知并且與觀察角無關(guān)的非彩色表面。
參照?qǐng)D6，在下面對(duì)適用于根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備的光源1’進(jìn)行說明。
光源1’包括設(shè)置在視場(chǎng)光闌14之前的LED13，視場(chǎng)光闌14本身設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡16的焦點(diǎn)F4。
以已知的方式，視場(chǎng)光闌用于控制LED13輸出的光束的擴(kuò)散。
該光源1’還具有靠近準(zhǔn)直透鏡16的孔徑光闌15，以控制LED13出射的光束的孔徑。
配置構(gòu)成光源1’的各元件用于獲得具有較小擴(kuò)散并且截面受限的準(zhǔn)直光束。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置，參照?qǐng)D1至4所述，包括多個(gè)固定光源1，1’，各個(gè)固定光源輪流出射準(zhǔn)直光束。
可以知道，當(dāng)測(cè)量位于折射中心部分3和反射折射邊緣部分2的焦點(diǎn)F1的光源的強(qiáng)度圖案時(shí)，這些光源不是必需的。
這里下面對(duì)兩個(gè)變形的光源進(jìn)行說明，所述兩個(gè)光源是可移動(dòng)的并且適用于本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備。
圖7示出了單個(gè)光源1”，其可沿軌道30平移。
特別的，光源1”可以用于圖1所示的測(cè)量裝置，將軌道30設(shè)置得與光軸H垂直，從而可移動(dòng)光源1”出射的光線平行于所述光軸H。
在這種環(huán)境下，參照?qǐng)D1，光源1”可以占據(jù)上述多個(gè)光源1的位置。
在將軌道30設(shè)置為使光源1”出射的光束被導(dǎo)引向遠(yuǎn)離焦點(diǎn)F3的條件下，該可移動(dòng)光源1”還可以用于圖2的實(shí)施例。
無論如何，可移動(dòng)光源1”可以通過此處未示出的方式沿軌道30移動(dòng)。
這個(gè)實(shí)施例特別有利，因?yàn)橥ㄟ^沿軌道30移動(dòng)光源1”，可以以多個(gè)入射角α對(duì)物體4照明。
圖8示出了當(dāng)折射和反射折射中心部分3和2產(chǎn)生第一和第二準(zhǔn)直光束時(shí)，例如圖1和圖2的實(shí)施例所示，適用于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的變形的單個(gè)可移動(dòng)光源1。
如上所述，這樣的實(shí)施例具有適于向焦點(diǎn)F3會(huì)聚第一和第二光束的光線rc和rp的場(chǎng)鏡5。
在此處的變形中，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備具有位于場(chǎng)鏡5和成像器件6之間的半反射板18。
該半反射板18使得第一和第二光束的光rc，rp通過并且會(huì)聚在成像器件6上。
在這個(gè)實(shí)施例中，光源1可以在場(chǎng)鏡5的像方焦點(diǎn)F4周圍相對(duì)于半反射板18轉(zhuǎn)動(dòng)。
在這種配置中，半反射板18朝物體4反射單個(gè)光源1產(chǎn)生的準(zhǔn)直光束。
更確切的，被物體4接收的光束的入射角α直接取決于光源1”相對(duì)于半反射板18的取向。
這個(gè)實(shí)施例特別有利，因?yàn)槠淇梢员挥糜跍y(cè)量表面各向異性的物體或部分物體4的BRDF。
在一個(gè)變形中，可以使得固定光源和可以繞兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡相關(guān)聯(lián)，反射鏡的中心位于場(chǎng)鏡5的像方焦點(diǎn)F4，光源出射的準(zhǔn)直光束被反射鏡的中心反射。
毫無疑義的，參照?qǐng)D8的前述單個(gè)可移動(dòng)光源可以用于本發(fā)明圖3和圖4所示的測(cè)量裝置的實(shí)施例中。在這樣的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解不使用場(chǎng)鏡5的情形。
本發(fā)明的測(cè)量裝置的上述各個(gè)實(shí)施例可以用于測(cè)量物體或部分物體的BRDF，其作為當(dāng)白色光源與RGB彩色視頻攝像機(jī)結(jié)合使用時(shí)物體的入射角α，物體的觀察方向θ，以及光偏振的函數(shù)。
本發(fā)明的這些實(shí)施例都表現(xiàn)出特別緊湊的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)閷⒄凵渲行牟糠趾头瓷湔凵溥吘壊糠致?lián)合使用。
它們還使得可以測(cè)量所有半空間內(nèi)的出射光。
參照?qǐng)D7所述的優(yōu)選實(shí)施例還可以測(cè)量彩色表面的BRDF，而不需要相對(duì)于將要表現(xiàn)其特征的物體移動(dòng)設(shè)備。
而且，以對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的方式，本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備可以用于測(cè)量半透明表面的BTDF。在這樣的條件下，是測(cè)量透射過將要表現(xiàn)其特征的物體或部分物體的光強(qiáng)度，而不是被反射的光強(qiáng)度。
因此，各個(gè)實(shí)施例可以測(cè)量難以接近或最好不要從其上采樣的物體或表面的BRDF。
本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備使用簡(jiǎn)單，因?yàn)樗銐驋呙鑼⒁憩F(xiàn)其特征的物體。然后，獲得的強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)可以隨后進(jìn)行數(shù)字處理，例如，通過計(jì)算機(jī)程序，以重建BRDF函數(shù)。然后，該BRDF函數(shù)可以用于以后的CAD，圖像合成或光模擬軟件。
因此，這些計(jì)算機(jī)程序可以對(duì)物體的光學(xué)特性或物體相對(duì)于光的行為提供非常逼真的模擬。
因此，本發(fā)明的用途優(yōu)選在于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和光模擬軟件的領(lǐng)域，因?yàn)樗梢允沟迷诒粶y(cè)之前，非常逼真地預(yù)知物體的光學(xué)行為。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量物體或部分物體(4)的光強(qiáng)度的設(shè)備，該設(shè)備包括●折射中心部分(3)，當(dāng)所述物體(4)被設(shè)置在所述折射中心部分(3)的物方焦點(diǎn)(F1)時(shí)，該折射中心部分(3)適于從被所述物體或部分物體(4)以相對(duì)于所述折射中心部分(3)的光軸(H)小傾斜角(θC)擴(kuò)散的光，來產(chǎn)生第一準(zhǔn)直或會(huì)聚光束；以及●反射折射邊緣部分(2)，其光軸(H)和物方焦點(diǎn)(F1)分別與所述折射中心部分(3)的所述光軸(H)和所述物方焦點(diǎn)(F1)一致，所述反射折射邊緣部分(2)獨(dú)立于所述折射中心部分(3)，并且適于從被所述物體或部分物體(4)以相對(duì)于所述光軸(H)大傾斜角(θP)擴(kuò)散的光產(chǎn)生與所述第一光束同類型的第二光束，所述第二光束的光線(rP)不與所述第一光束的光線(rC)交叉；所述測(cè)量設(shè)備的特征在于進(jìn)一步包括●與成像器件(6)相關(guān)聯(lián)的二維視頻傳感器(7)，用于在物平面(P)獲得所述第一和第二光束的圖像，在所述物平面(P)，各所述光束的光線(rP，rC)與所述光軸(H)間有距離(hP，hC)，該距離是關(guān)于所述傾斜角(θP，θC)的函數(shù)；以及●用于從所述圖像測(cè)量所述第一和第二光束的作為所述傾斜角(θP，θC)的函數(shù)的光線(rP，rC)強(qiáng)度的測(cè)量裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述第一和第二光束會(huì)聚在公共焦點(diǎn)(F3)上，所述視頻傳感器(7)的成像器件(6)被設(shè)置在所述焦點(diǎn)(F3)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述第一和第二光束是準(zhǔn)直光束，并且該設(shè)備進(jìn)一步包括場(chǎng)鏡(5)，用于使所述光束會(huì)聚在設(shè)置有該成像器件(6)的焦點(diǎn)(F2)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量設(shè)備，其特征在于該第一和第二光束是準(zhǔn)直光束，并且所述成像器件是遠(yuǎn)心聚焦透鏡(6’)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述折射中心部分(3)是會(huì)聚非球面透鏡(3)，由一組球面透鏡組成的透鏡，或是菲涅爾透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述反射折射邊緣部分(2)是拋物平面或橢圓反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述反射折射邊緣部分(2)包括●被所述物體或部分物體(4)以所述大傾斜角擴(kuò)散的光的入射界面；●進(jìn)行內(nèi)部全反射的反射面；以及●所述第二光束的出射界面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于進(jìn)一步包括●至少一個(gè)適于產(chǎn)生準(zhǔn)直光束的光源，該準(zhǔn)直光束以相對(duì)于所述光軸(H)的預(yù)定入射角(α)被所述物體或部分物體(4)接收；并且其中●所述測(cè)量裝置適于測(cè)量被所述物體或部分物體(4)反射的所述第一和第二光束的光線強(qiáng)度，該光線強(qiáng)度是所述預(yù)定入射角(α1，α2)的函數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述至少一個(gè)光源是激光器或激光二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的測(cè)量設(shè)備，其特征在于為了產(chǎn)生所述準(zhǔn)直光束，所述至少一個(gè)光源包括LED(13)，可選擇使用的位于準(zhǔn)直透鏡(16)的焦點(diǎn)上的視場(chǎng)光闌(14)，以及靠近所述準(zhǔn)直透鏡的孔徑光闌(15)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述至少一個(gè)光源是白光光源，并且所述測(cè)量設(shè)備適于以所述光線的至少一種波長(zhǎng)來測(cè)量第一和第二光束的光線(rP，rC)的強(qiáng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述測(cè)量裝置適于測(cè)量該第一和第二光束的光線(rP，rC)的強(qiáng)度，作為人眼所敏感的原色(紅，綠和藍(lán))的函數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于其包括多個(gè)出射準(zhǔn)直光束的固定光源，各所述光源間彼此獨(dú)立，并且適于產(chǎn)生由所述物體或部分物體(4)以對(duì)于該光源特定的入射角(α)接收的光束。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的測(cè)量設(shè)備，其特征在于其進(jìn)一步包括適于順序?qū)ㄋ龉庠吹目刂蒲b置。
15.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于其包括單個(gè)可移動(dòng)光源，該可移動(dòng)光源適于產(chǎn)生被所述物體或部分物體(4)以預(yù)定的可變?nèi)肷浣?α)接收的光束。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述單個(gè)光源(1”)可在軌道(30)上平移。
17.根據(jù)權(quán)利要求3和16的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述單個(gè)光源可以在所述場(chǎng)鏡(5)的像方焦點(diǎn)(F4)的周圍，相對(duì)于位于所述場(chǎng)鏡(5)和所述觀察裝置之間的半反射板(18)旋轉(zhuǎn)，所述半反射板(18)適于●向所述物體或部分物體(4)反射由所述單個(gè)光源(1)產(chǎn)生的所述準(zhǔn)直光束；以及●使所述場(chǎng)鏡(5)傳遞的所述第一和第二會(huì)聚光束通過。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于其進(jìn)一步包括用于重建對(duì)所述物體或部分物體(4)測(cè)量得到的BRDF，BTDF，或BSDF，并且將他們記錄在媒質(zhì)上的裝置。
19.權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備的用途，用于測(cè)量物體或部分物體(4)的BRDF，BTDF，或BSDF，特別是用于當(dāng)所述物體或部分物體(4)難以接近時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的測(cè)量設(shè)備的用途，用于測(cè)量表面各向異性的物體(4)或部分物體(4)的BRDF。
21.權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備的用途，用于測(cè)量由所述物體(4)構(gòu)成的光源的強(qiáng)度圖案。
22.一種計(jì)算機(jī)程序，用于執(zhí)行模擬物體或部分物體的光學(xué)特性的功能，該程序的特征在于其利用了根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備從同類型真實(shí)物體(4)所測(cè)得的光強(qiáng)度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于該程序是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序或光模擬程序。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量物體或部分物體(4)的光強(qiáng)度的設(shè)備。該設(shè)備包括彼此獨(dú)立的折射中心部分(3)和反射折射邊緣部分(2)，其適于從被物體(4)擴(kuò)散的光，發(fā)送兩同類型、不交叉的光束，并且二維視頻傳感器(7)與成像器件(6)相關(guān)聯(lián)，以獲得光束的圖像。
文檔編號(hào)G01N21/55GK1867821SQ200480029644
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者雅克·德拉庫(kù)爾 申請(qǐng)人:奧普特斯公司