運(yùn)用近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜光線追跡
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Rykowski, Ronald. Radiant Imaging, Inc.
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在光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，采用實(shí)測(cè)的光源模型進(jìn)行光線追跡模擬已有15年的時(shí)間。但到目前為止，其生成的光線集并不包含光譜信息。
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在某些有限制條件的情況下，可適當(dāng)應(yīng)用三刺激色測(cè)量值，但很多光線追跡的軟件要求每條光線都具備相應(yīng)的光譜波長(zhǎng)，以滿足光學(xué)系統(tǒng)的全彩色模擬分析。
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本文主要描述使用光度學(xué)或三刺激成像色度計(jì)與光譜測(cè)量相結(jié)合，生成包含波長(zhǎng)的光線集的各種技術(shù)。
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這些光線集很容易用于光線追跡軟件，精確模擬光線通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的折射和衍射，生成包含色度信息的照度或亮度分布。?
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這些方法最終通過(guò)對(duì)一個(gè)光譜能量分布隨光源物理空間顯著變化或?yàn)榻嵌群瘮?shù)的真實(shí)光源進(jìn)行測(cè)試確認(rèn)。
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近場(chǎng)分布光度計(jì)成功用于生成光源模型，已有15年的歷史。
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其性能充分滿足了光線模擬追跡的需要【1，2，3】。同時(shí)，光源近場(chǎng)的數(shù)據(jù)可以確定光源在任何距離時(shí)的照度分布，可以計(jì)算光源遠(yuǎn)場(chǎng)的光強(qiáng)分布。?
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最初時(shí)，由于鎢燈在其發(fā)光的范圍內(nèi)，色彩變化很小，近場(chǎng)測(cè)量只使用光度濾光片就足夠了。?
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但是，伴隨著金屬鹵化物光源和白色LED在照明應(yīng)用中的普及，測(cè)量光源的色彩變化就變得相當(dāng)重要，這是因?yàn)檫@個(gè)顏色變化將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)（如投影儀，汽車前燈或泛光源）的輸出，產(chǎn)生不希望的顏色變化。?
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此后，增加三刺激色濾光片以滿足基礎(chǔ)色彩分析需求。但是，很多光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的光線追跡工具不能進(jìn)行基于三刺激色數(shù)據(jù)的光線追跡模擬。
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相反，光線追跡模擬軟件卻具備追跡賦有波長(zhǎng)數(shù)值的光線的能力，這是因?yàn)橐_定光線通過(guò)玻璃或薄膜涂層時(shí)，如何進(jìn)行反射、衍射和干涉，每條光線必須有波長(zhǎng)數(shù)值。?
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本文介紹一種將光譜測(cè)量和近場(chǎng)分布測(cè)量相結(jié)合，生成的光線具有波長(zhǎng)信息的技術(shù)。?
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通常如果發(fā)光器件的頻譜已知，且生成的光線數(shù)量在百萬(wàn)級(jí)，則應(yīng)用重要抽樣統(tǒng)計(jì)方法可將波長(zhǎng)賦值給這些光線，具有較高能量的波長(zhǎng)其對(duì)應(yīng)的光線數(shù)量會(huì)比其它的多。
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例如：某個(gè)光源的光譜能量分布曲線，在波長(zhǎng)655nm處的能量是450nm的兩倍，那么，在光線集中波長(zhǎng)655nm的光線數(shù)量就是450nm的兩倍。
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在理想狀態(tài)下，從各個(gè)角度測(cè)量光譜能量分布，并保持較高的空間分辨率，需要使用具有寬頻譜、高靈敏度的高光譜成像測(cè)量設(shè)備。
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這樣根據(jù)發(fā)光位置和視角，運(yùn)用上面談到的重要抽樣技術(shù)，可以非常簡(jiǎn)單直接地將波長(zhǎng)值賦給每條光線。
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但使用高光譜成像測(cè)量系統(tǒng)存在一些不足：
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1. 目前只亮度或三刺激色測(cè)量時(shí)，就已經(jīng)需要巨大的，通常是數(shù)百兆字節(jié)的存儲(chǔ)空間，而高光譜數(shù)據(jù)量可能比這個(gè)值大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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2. 這些光源模型一般包含1000張以上單獨(dú)的色彩影像圖片【4】，而高光譜成像系統(tǒng)的影像測(cè)量信息比亮度或三刺激色測(cè)量的大數(shù)倍。
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這意味著一個(gè)4π空間的測(cè)量需要20小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，而相同的一個(gè)三刺激色測(cè)量只要1-2小時(shí)。?
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通過(guò)光源的光度或三刺激測(cè)量數(shù)據(jù)，與光譜能量分布的理論或測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，將波長(zhǎng)賦值給光線，這是本篇的核心內(nèi)容，有四種方式可供選擇：?
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經(jīng)積分球測(cè)量得到的光源光譜數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入光線生成軟件，每條光線的波長(zhǎng)值依據(jù)相應(yīng)的光譜能量分布被確定。
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這種方法至少為光線追跡軟件提供了一個(gè)非常有用的波長(zhǎng)值，但是，如果光源的光譜特性在角度或空間上有顯著地變化，那么，這種方法就不適用了。?
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通過(guò)在光源影像分布計(jì)上增加一個(gè)分光儀的方法，在測(cè)量光源亮度和色度空間分布特性的同時(shí)，光源每個(gè)視角的光譜信息也被獲取。
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然后，在光線生成的過(guò)程中，根據(jù)光線的輻射方向，每個(gè)光線被賦予一個(gè)唯一的實(shí)測(cè)波長(zhǎng)值。
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但是，如果光源的色彩在光源的物理空間上發(fā)生明顯變化，那么，這種方法仍然是不適用的。?
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在每個(gè)方向上進(jìn)行三刺激色測(cè)量，而不只是亮度測(cè)量，然后像方法1那樣將其與積分球測(cè)得的光譜信息整合。
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首先，根據(jù)每張影像中，每個(gè)發(fā)光位置的三刺激色數(shù)據(jù)（或色坐標(biāo)），生成優(yōu)化的光譜信息。
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一旦得到優(yōu)化的光譜信息，采用相同的重要抽樣統(tǒng)計(jì)原理，將波長(zhǎng)值賦給相應(yīng)的光線。?
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采用將每個(gè)角度測(cè)量的光譜信息和用三刺激色影像色度計(jì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，進(jìn)行波長(zhǎng)賦值是一項(xiàng)非常成熟精確的技術(shù)。
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就像上面方法3描述的，根據(jù)原始的光譜信息和光源相應(yīng)發(fā)光區(qū)域的色坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以生成優(yōu)化的光譜數(shù)據(jù)。
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不同的是，其選用原始的光譜信息是和三刺激色測(cè)量在同一方向上，一次測(cè)量得到的。
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應(yīng)用上述技術(shù)測(cè)量不同的光源，包括白色LED、 三色LED和金屬鹵化物燈，然后在光線追跡軟件中進(jìn)行分析。
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結(jié)果顯示：這些技術(shù)非常適用于色彩的光線追跡模擬，而且大多數(shù)光線追跡軟件很容易采用。?
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R. Rykowski and C. B. Wooley, “Source Modeling for Illumination Design”, 1997 SPIE Conference, San Diego, CA?
I. Ashdown and R. Rykowski, “Making Near-Field PhotometryvPractical,” 1997 IESNA Annual Conference, Seattle, WA?
D. R. Jenkins and H. Monch, “Source Imaging Goniometer Method of Light Source Characterization for Accurate Projection System Design”, 2000 SID Digest, pp 862-865,?
W. J. Cassarly, D. R. Jenkins, H. Monch, “Accurate Illumination System Predictions Using Measured Spatial Luminance Distributions,” SPIE Proceedings, Vol. 4774, 2002.
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本文出處 http://www.cybernet.sh.cn/ccs/products/sig/technical/tech-10.html
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