專利名稱：用于測量物體光強度的便攜式設備,以及該設備的用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量物體光強度的設備，以及該設備的用途。
本發明尤其但以非限制方式用于測量物體或部分物體的雙向反射分布函數(BRDF)。
BRDF是用于定義表面被照射時擴散光強度的特征的數學函數。BRDF給出了擴散光量，其作為觀察方向，照明入射角，波長和偏振化的函數。
本發明還用于測量雙向透射分布函數(BTDF)，以及更常用于測量雙向散射分布函數(BSDF)，并且用于測量光源的強度圖案以及材料的體擴散(bulk diffusion)強度圖案。
在第一種已知應用中，BRDF測量可以用于表現航空器的目標顯示特征。
多年來，BRDF測量已經被用于合成圖像，計算機輔助設計(CAD)和響應于光而模擬光以模擬表面特性的軟件中。
為了這個目的，這種軟件，例如以程序庫的形式，利用了在實驗室中，對表現出想要模擬的光學行為的各種物體或表面所執行的實際測得的BRDF。
為了進行這種BRDF測量，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)數量級。
這種測量裝置通常包括其端部具有探測器的大尺寸的鉸接臂。因此體積大，重量大，并且實際上難以運輸。
而且，特別是因為傳感器的移動，用這種裝置進行測量需要非常長的時間。
因此，它們只能用于實驗室測量，不適于用于現場測量。
本發明的一個目的是獲得一種用于測量BRDF的設備，其具有合理的尺寸，易于運輸，并且因此適于現場使用，并且其使得可以在非常短的獲取時間內幾乎是即時地進行測量。
美國專利No.5637873(Davis)中描述了一種適于現場使用的BRDF測量設備，例如測量車輛表面的某種光學特性。
參照它的圖5，Davis專利中描述了該設備的一個實施例，其中該設備包括用于采集將表現其特征的物體所反射的光的系統，該系統由兩個透鏡和一個橢圓反射鏡構成。
更確切的，在那個實施例中，將表現其特征的物體的樣本被置于橢圓反射鏡的第一焦點，并且被樣本反射的光被聚焦在橢圓反射鏡的第二焦點。
被置于所述第二焦點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生偏轉。
Davis系統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直第一透鏡采集的光線的第一光學部分，以及用于準直橢圓反射鏡采集的光線的第二光學部分。從而，該特定的第二透鏡在上述兩個光學部分之間的節點處表現出不連續(discontinuity)。
該不連續需要將橢圓反射鏡和上述兩個透鏡進行精確對準，否則被橢圓反射鏡反射的光線會混入第一透鏡聚焦的光線，反之亦然。此問題就是本領域技術人員公知的術語“串音”。
日本專利文獻JP 63-140904A(Toshiba)描述了一種用于測量物體光強度的緊湊的設備，該設備具有聚光透鏡和在出口處設置表面陣列傳感器的反射性管狀體。
雖然沒有明確說明，但是本領域技術人員可以了解該設備的實際實施例需要一個較大尺寸(典型的是對角線超過50毫米(mm))的傳感器陣列，以采集所有被物體擴散的光。
因此，Toshiba測量設備不能使用目前已知的標準傳感器(對角線大約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。其使得在保持光準直的同時，減小出口光束截面。這種類型的配置確實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。
然而，這種解決方法的主要缺陷在于觀察平面遠離反射性管狀體。因為光束發散不是為零，這使得在觀察平面中分辨率對應的降低，特別是當測量的樣本被大面積照明的時候。結果，Toshiba設備不能對擴散光的強度圖案進行精確的角度測量。
本發明可以解決上述缺陷。
為了這個目的，本發明提供一種用于測量物體或部分物體的光強度的設備，該設備包括●折射中心部分，當所述物體被設置在所述折射中心部分的物方焦點時，該折射中心部分適于從被所述物體或部分物體以相對于所述折射中心部分的光軸小傾斜角擴散的光，產生第一準直或會聚光束；●反射折射邊緣部分，光軸和物方焦點分別與所述折射中心部分的光軸和物方焦點一致，所述反射折射邊緣部分獨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于所述光軸大傾斜角擴散的光產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；●與成像器件相關聯的二維視頻傳感器，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，該距離是關于所述傾斜角的函數；以及●用于從所述圖像測量所述第一和第二光束的作為所述傾斜角的函數的光線強度的測量裝置。
本發明的測量設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成。
首先應該注意的是在保證高角度分辨率的同時，用于本發明的成像器件可以與任何形式的視頻傳感器聯合使用，以采集信號，這在前述的Toshiba系統中是不行的。
而且，本發明設備的由折射中心部分和反射折射邊緣部分構成的采集器系統，僅包括兩個光學元件，因此在成本和易于組裝方面，與具有三個光學元件(橢圓反射鏡，第一透鏡和專用的第二透鏡)的Davis設備相比就具有獨特優勢。
首先并且在大多數有益方式中，本發明設備的折射中心部分和反射折射邊緣部分用于將物體擴散的光線分割成兩個作為傾斜角的函數的光束，其中該折射中心部分和反射折射邊緣部分是各自獨立的并且彼此不相關的。
該設備這種以中心部分和邊緣部分兩個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，并且在設備調準上提供較大的組裝容許誤差，極大地減小了上述串音問題。
還要注意的是本發明的測量設備使用標準組件(與成像器件相關聯的二維視頻傳感器)，因此可以使制造成本比前述Toshiba設備小得多。
特別的，與二維視頻傳感器相關聯的成像器件由聚焦透鏡構成，其對視頻傳感器上上述限定的采集器發送的光進行成像這個公知的功能。
該優選配置使得可以方便地偏移(offset)視頻傳感器，并因此提高本發明的測量設備的分辨率，特別是當用于測量的樣本被大面積照明時。
這里提供了一種比Davis文獻中描述的設備的分辨率高得多的測量設備，在Davis文獻中描述的設備中，觀察裝置由設置為產生無焦系統以將光束直接投射到視頻傳感器上的第三和第四透鏡構成。
因此，本發明的該優選實施例特別適于表現呈粒狀或有紋理的表面的特征，這種測量需要對要表現其特征的物體進行大面積照明。
在一種變形例中，成像器件可以由針孔構成，尤其是當光源對用于測量的樣本小面積照明時。這使得可以降低本發明的測量設備的成本，但是損失測量的相對精度。
以下對用于使第一和第二光束的光線會聚在成像器件上的兩個優選的變形實施例進行描述。
可以設想本發明的測量設備的兩種主要變形。
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聚在設置了成像器件的公共聚焦點上。
該第一種變形實施例使得可以省略場鏡(field lens)，因此得到緊湊的設備。
在第二種變形中，上述兩光束被準直。
在該第二種變形的第二實施例中，本發明的測量設備具有場鏡，用于使準直光束會聚在設置了成像器件的焦點上。
該第二實施例設計非常簡單，并且在對各個光學組件定位上表現出靈活度。
在第三種變形中，可以使用遠心透鏡。這種透鏡接收入射準直光束，這意味著不需要使得光線會聚。
在本發明中，可以使用各種折射中心部分，特別是可以有優勢的使用非球面會聚透鏡以獲得緊湊結構。
在另一個實施例中，折射中心部分是由一組球面透鏡構成的透鏡，因此可以校正色差。由此所獲得的測量精確度大大提高，因為照明可以使用寬譜光源。而且，球面透鏡制造和對其進行質量控制都非常容易。
在另一個實施例中，折射中心部分是一個菲涅爾透鏡。這種組件厚度非常小(典型的是毫米級)，可以降低尺寸、重量、材料數量和本發明測量設備的價格。
在兩個第一種變形實施例中，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行過反射處理的拋物面反射鏡或橢圓反射鏡構成。這些變形需要少量的材料并且組成成本較低的實施例。
在第三種變形實施例中，反射折射邊緣部分包括●被物體或部分物體以大傾斜角擴散的光的入射界面；●進行全部內部反射的反射面；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整塊。
在一個優選實施例中，本發明的測量設備進一步包括●至少一個適于產生準直光束的光源，準直光束相對于所述光軸被物體或部分物體以預定入射角接收；●測量裝置適于測量被物體反射的第一和第二光束的光線強度，該光線強度是所述預定入射角的函數。
有利地，該實施例可以測量物體的BRDF，其是所述物體的照明角度的函數。
特別的，光源可以由激光器或激光二極管構成。
不過，并且有利地，光源可以通過將發光二極管(LED)和用于控制來自LED的光束發散的視場光闌、用于控制其截面的孔徑光闌以及準直透鏡相關聯而構成。
這樣的光源使得可以獲得預期的光束截面和發散都很小的照明光束。
為了減少成本，也可以考慮簡化的光源，將孔徑光闌或準直透鏡省略。
光源優選為白光，測量裝置適于測量第一和第二光束的光線強度，該光線強度是關于所述光線波長的函數。
這個實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”應用，測量裝置例如彩色視頻傳感器適于測量第一和第二光束中作為對人眼敏感的原色(紅，綠和藍)的光線強度。
特別的，這樣的傳感器使得可以再現皮膚，化妝品，或例如用于某些車體的彩色涂料的可視外觀。
對于其他應用，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)，其被連續設置在單色視頻攝影機前。這使得可以通過波長測量BRDF波長，從而隨后(posteriori)重建完整的BRDF，其是關于光譜的函數。
自然地，也可以利用單色傳感器獲得簡化的BRDF，其與光譜無關。特別的，傳感器可以是對近紅外或遠紅外的波長感光的，從而測得紅外BRDF，用于光電子技術、軍事和/或空間應用。
在第一實施例中，本發明的測量設備具有多個出射準直光束的固定光源，各光源間彼此獨立，并且適于產生由要表示其特征的物體以對于光源特定的入射角接收的光束。
當測量設備用于測量物體的BRDF時，只要物體具有高擴散表面，而電磁理論和實際經驗顯示所有的BRDF函數依賴于入射角，這個實施例就特別有利。
在這個實施例中，本發明的BRDF測量設備沒有移動光源，那是用于進行現場測量的便攜式設備的重要特性。
在這個實施例中，各個固定光源被輪流激活，并且對物體的BRDF進行測量，該BRDF是對物體照明的準直光束的入射角的函數。
優選的，本發明的測量設備具有控制裝置，尤其是軟件形式的控制裝置，其適于順序地切換各個光源。
應該注意的是在這一點上，現有技術的Toshiba設備僅具有一個固定光源，該固定光源適于出射準直光束，準直光束通過中心會聚透鏡以不變的法向入射角聚焦在樣本上。
因此，不能用Toshiba設備測量作為照明入射角的函數的BRDF函數，而這是彩色涂料所需要的。由此通過本發明去除這個重大的局限性。
在另一個實施例中，使用單個可移動光源，其適于以不同的預定入射角照射將表現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施例中，有利的是使用單個光源，其可在場鏡的像方焦點周圍，相對于設置在所述場鏡和成像器件之間的半反射板旋轉移動，該半反射板適于●反射該單個光源向將表示其特征的物體發射的準直光束；以及●在由場鏡傳遞第一和第二會聚光束時，使該兩光束通過。
這個實施例可以用于測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，通過將設備相對于被測物體旋轉90°，來測量表面各向異性的物體的BRDF。
這個實施例也可以防止在光束中形成陰影區，其中陰影區是由于在光束中存在光源而產生的。
本發明的設備優選包括用于重建對這樣表現特征的物體或部分物體測量得到的BRDF，并且將他們記錄在媒質上的裝置。
這些重建和在媒質上記錄測量結果的裝置使得可以基于來自視頻傳感器的記錄，對BRDF函數進行計算。
以上簡述的本發明的測量設備的各種變形可以被用于測量難以接近的物體或部分物體的BRDF，特別是在現場中應用。
特別的，其可以被用于測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，本發明的測量設備使得可以進行利用現有已知測量設備不可能或難以進行的測量。
該測量設備可以以低成本制造，并且可以非常快地進行強度測量。
以完全相同的方式，本發明可以對物體或部分物體進行BTDF(雙向透射分布函數)，BSDF(雙向散射分布函數)或三維擴散的測量。以對本領域技術人員顯而易見的方式，光源被配置為從后面對物體照明，從而使得物體擴散光，其強度用本發明的設備測量。
本發明還使得可以獲得例如LED，發光顯示器，顯示器屏幕等發光設備的強度圖案。在這種環境下，確切地說，測量設備不具有光源，因為所述光源由物體或部分物體構成。
在第二方面，本發明提供一種計算機程序，其執行模擬物體或部分物體的光學特性的功能，所述程序利用通過以上簡述的測量設備對同類的真實物體所測得的光強度。
特別的，計算機程序可以是用于計算機輔助設計(CAD)的軟件或用于模擬光的軟件。
因此，本發明使得可以在制造物體之前，獲得可以模擬物體的光學特性的程序。因此，可以模擬那些難以接近或運輸入實驗室的物體(路，隧道等)或結構(皮膚等)。
通過閱讀以下對特定實施例的說明，本發明的其他方面和優勢將變得更加顯而易見，通過非限制性的示例并參照附圖進行完全的說明，其中
圖1至5示出了根據本發明的四個優選實施例中的測量設備；圖6至8示出了可以用于根據本發明的測量設備的光源；圖9示出了本發明所提到的遠心透鏡的操作；圖10是利用根據本發明的測量設備獲得的光通量強度的圖表示例。
圖1示出了根據本發明的優選實施例中的用于測量物體或部分物體的光強度的設備。
在此處描述的實施例中，設備包括折射中心部分3，由具有無窮遠的共軛焦點的會聚非球面透鏡形成，以及反射折射邊緣部分2，由頂點被穿透的拋物面反射鏡形成。
以本領域技術人員可知的方式，會聚非球面透鏡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F1重合。
將測量其光強度或BRDF的物體或部分物體4被設置在焦點F1。
特別的，該物體4可以由想要對其進行強度圖案測量的光源構成。
在此處描述的優選實施例中，本發明的測量設備具有多個準直光束光源1，例如5個光源。
各個光源1彼此獨立，這意味著可以通過例如軟件裝置(此處未示出)進行控制，從而獨立于其他光源而發射或停止發射光束。
在此處描述的實施例中，可以假設各個光源1輪流發射光束。
為了簡化的緣故，圖1中示出了兩個光源1，這些光源適于各自產生準直光束，該準直光束由i1和i2表示。
在這個圖中，準直光束不通過非球面透鏡3。在一個有利的實施例中，一些光束i1、i2通過非球面透鏡3，從而可以以相對于光軸H較小的入射角α對物體4照明。
當這些準直光束i1、i2射到拋物面反射鏡2的內表面時，它們被朝向拋物平面的焦點F1反射，從而被設置在該處的物體4接收。
各光束i1、i2被物體4以相對于光軸H的預先設定的入射角α1、α2接收。
當物體4被來自光源1的光束照明，物體4以相對于光軸H為θ的各個方向擴散光。
根據本發明，被物體4擴散，并且相對于光軸H具有小傾斜角θc的光，被會聚非球面透鏡3截取(intercept)。
相反，被物體4擴散，并且相對于光軸H具有大傾斜角θp的光被拋物面反射鏡2的反射內壁截取。
優選的，光的傾斜角在30°至45°范圍內，超過該范圍則擴散光線會被拋物面反射鏡2截取。
超過45°，會聚非球面透鏡3會出現已知的成像和光透射的已知問題；低于30°，拋物面反射鏡就會變得太大。
在圖1所示的實施例中，具有遠心共軛焦點的會聚非球面透鏡3，以及拋物面反射鏡2，分別從被物體或部分物體4擴散的光產生第一和第二準直光束，這些光束與光軸H平行。
配置會聚非球面透鏡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所示的測量設備進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。
對于第一和第二光束的特定光線rp和rc，用符號hc，hp分別表示點A1，A2之間的距離●在點A2處，所述光線(rp，rc)與物平面P相交；●在點A1處，光軸H與物平面P相交。
對本領域技術人員顯而易見的，該距離hc，hp是關于擴散角θc，θp的函數。
更確切的，各距離h與擴散角θ對應，反之亦然。
在圖1中的實施例中，測量設備具有場鏡5，以使得第一和第二準直光束會聚在焦點F2。
在該焦點，有與視頻傳感器7相關聯的成像器件6，以獲得在場鏡5處的第一和第二準直光束在物平面P中的圖像。
成像器件6典型的是傳統的聚焦透鏡。自然地，可以省略聚焦透鏡(利用眾所周知的“針孔”原理)，但是圖像在焦點以外獲得，BRDF分辨率降低。
也可以使用圖9所示的遠心聚焦透鏡6’，其中透鏡6’的直徑大于被測物體的尺寸。對準直光使用這種透鏡，則不需要使第一和第二準直光束會聚在焦點F2。其優勢是不需要使用場鏡。
由于這種透鏡對本領域技術人員是公知的，所以此處不做說明。
這樣獲得的圖像用計算機8進行數字處理，例如為了從第一和第二光束產生光通量表示的圖，該圖與這些光束的光線rp和rc與光軸間距離的h成函數關系。
因此，該數字處理使得可以數字地重建BRDF，用于以后的其他應用，例如用在光模擬軟件中。
以下對這樣的圖進行描述，圖10為給出的一個示例。該圖包括三個部分A，B和C。
部分A對應來自折射中心部分的光通量，而部分B和C(它們是對稱的)對應來自反射折射邊緣部分的光通量。
在該圖中可以看到，這三個部分是分離的。因此，該圖示出了對應于折射部分和反射折射部分間物理分離的兩個非連續區域。這兩個區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。
如上所述，該距離分布用于獲得這些光線擴散的角度分布θ，因為距離h和擴散角θ是一一對應的關系。
因此，該設備可以測量第一和第二光束的光線rp，rc的強度，其是被物體4擴散的光的傾斜角θp，θc的函數，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。
在一個優選實施例中，光源1出射白光，并且視頻傳感器是本領域技術人員公知的RGB傳感器。
因此，本發明的設備可以測量第一和第二光束的光線rp，rc的強度，作為對人眼敏感的三原色(紅，綠和藍)的函數。
這使得可以獲得彩色BRDF，因此使得可以再現具有彩色表面的物體4的顏色。
上述參照圖1描述的測量設備可以以第一種結構制造，其中將頂點穿透的拋物面反射鏡2和會聚非球面透鏡3相關聯，并使兩者間彼此分離。
圖2示出了圖1中設備的一個實施例，其中拋物面反射鏡2和會聚非球面透鏡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。
在這個實施例中，拋物面反射鏡通過內部全反射工作。更確切的●會聚透鏡3具有與光軸H垂直的前端面3a，以及中心在焦點F1上的對稱球面后端面3b；以及●拋物面反射鏡2具有中心也在焦點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連接到會聚非球面透鏡3的球面后端面3b。
參照圖3，這里對本發明測量設備的另一實施例隨后進行說明。
在這個實施例中，折射中心部分3由實際物體和實際共軛圖像的會聚非球面透鏡構成。
在這個實施例中，反射折射邊緣部分由內表面使用鏡面反射的橢圓反射鏡2構成。
在這個實施例中，會聚非球面透鏡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會聚在公共焦點F3。
在這個實施例中，測量設備不具有場鏡5，視頻傳感器7的透鏡被設置在焦點F3。
圖4是本發明測量設備的第四實施例的圖。
在這個實施例中，折射中心部分3由會聚非球面界面表面構成。
第四實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散的光的入射界面表面，實現內部全反射的反射面，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F3上。
折射中心部分3由厚的透鏡構成，其前端面2a與光軸H垂直，后端面2b是非球面的。
圖5是本發明測量裝置的第五實施例的折射中心部分和反射折射中心部分的圖。
在這個實施例中，反射折射邊緣部分2由回轉軸與光軸H一致的半球面(dome)構成。
該半球面的外面覆蓋有微棱鏡100，其用作進行內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從被樣本擴散的光產生準直光束。
反射折射中心部分是菲涅爾透鏡，其光學作用與圖1所示的會聚非球面透鏡3的作用相同。
在上述五個實施例中，準直光束的光源1可以由本領域技術人員公知的激光器或激光二極管構成。
這個實施例特別適用于當需要高角度分辨率和/或當光譜信息不可用時，測量物體或部分物體的BRDF。
特別的，它應用于光譜依賴性已知并且與觀察角無關的非彩色表面。
參照圖6，在下面對適用于根據本發明的測量設備的光源1’進行說明。
光源1’包括設置在視場光闌14之前的LED13，視場光闌14本身設置在準直透鏡16的焦點F4。
以已知的方式，視場光闌用于控制LED13輸出的光束的擴散。
該光源1’還具有靠近準直透鏡16的孔徑光闌15，以控制LED13出射的光束的孔徑。
配置構成光源1’的各元件用于獲得具有較小擴散并且截面受限的準直光束。
根據本發明的測量裝置，參照圖1至4所述，包括多個固定光源1，1’，各個固定光源輪流出射準直光束。
可以知道，當測量位于折射中心部分3和反射折射邊緣部分2的焦點F1的光源的強度圖案時，這些光源不是必需的。
這里下面對兩個變形的光源進行說明，所述兩個光源是可移動的并且適用于本發明的測量設備。
圖7示出了單個光源1”，其可沿軌道30平移。
特別的，光源1”可以用于圖1所示的測量裝置，將軌道30設置得與光軸H垂直，從而可移動光源1”出射的光線平行于所述光軸H。
在這種環境下，參照圖1，光源1”可以占據上述多個光源1的位置。
在將軌道30設置為使光源1”出射的光束被導引向遠離焦點F3的條件下，該可移動光源1”還可以用于圖2的實施例。
無論如何，可移動光源1”可以通過此處未示出的方式沿軌道30移動。
這個實施例特別有利，因為通過沿軌道30移動光源1”，可以以多個入射角α對物體4照明。
圖8示出了當折射和反射折射中心部分3和2產生第一和第二準直光束時，例如圖1和圖2的實施例所示，適用于根據本發明的設備的變形的單個可移動光源1。
如上所述，這樣的實施例具有適于向焦點F3會聚第一和第二光束的光線rc和rp的場鏡5。
在此處的變形中，本發明的測量設備具有位于場鏡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通過并且會聚在成像器件6上。
在這個實施例中，光源1可以在場鏡5的像方焦點F4周圍相對于半反射板18轉動。
在這種配置中，半反射板18朝物體4反射單個光源1產生的準直光束。
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”相對于半反射板18的取向。
這個實施例特別有利，因為其可以被用于測量表面各向異性的物體或部分物體4的BRDF。
在一個變形中，可以使得固定光源和可以繞兩軸轉動的反射鏡相關聯，反射鏡的中心位于場鏡5的像方焦點F4，光源出射的準直光束被反射鏡的中心反射。
毫無疑義的，參照圖8的前述單個可移動光源可以用于本發明圖3和圖4所示的測量裝置的實施例中。在這樣的條件下，本領域技術人員可以理解不使用場鏡5的情形。
本發明的測量裝置的上述各個實施例可以用于測量物體或部分物體的BRDF，其作為當白色光源與RGB彩色視頻攝像機結合使用時物體的入射角α，物體的觀察方向θ，以及光偏振的函數。
本發明的這些實施例都表現出特別緊湊的優點，這是因為將折射中心部分和反射折射邊緣部分聯合使用。
它們還使得可以測量所有半空間內的出射光。
參照圖7所述的優選實施例還可以測量彩色表面的BRDF，而不需要相對于將要表現其特征的物體移動設備。
而且，以對于本領域技術人員顯而易見的方式，本發明的測量設備可以用于測量半透明表面的BTDF。在這樣的條件下，是測量透射過將要表現其特征的物體或部分物體的光強度，而不是被反射的光強度。
因此，各個實施例可以測量難以接近或最好不要從其上采樣的物體或表面的BRDF。
本發明的測量設備使用簡單，因為它足夠掃描將要表現其特征的物體。然后，獲得的強度測量數據可以隨后進行數字處理，例如，通過計算機程序，以重建BRDF函數。然后，該BRDF函數可以用于以后的CAD，圖像合成或光模擬軟件。
因此，這些計算機程序可以對物體的光學特性或物體相對于光的行為提供非常逼真的模擬。
因此，本發明的用途優選在于計算機輔助設計和光模擬軟件的領域，因為它可以使得在被測之前，非常逼真地預知物體的光學行為。
權利要求
1.一種用于測量物體或部分物體(4)的光強度的設備，該設備包括●折射中心部分(3)，當所述物體(4)被設置在所述折射中心部分(3)的物方焦點(F1)時，該折射中心部分(3)適于從被所述物體或部分物體(4)以相對于所述折射中心部分(3)的光軸(H)小傾斜角(θC)擴散的光，來產生第一準直或會聚光束；以及●反射折射邊緣部分(2)，其光軸(H)和物方焦點(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(F1)一致，所述反射折射邊緣部分(2)獨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)以相對于所述光軸(H)大傾斜角(θP)擴散的光產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；所述測量設備的特征在于進一步包括●與成像器件(6)相關聯的二維視頻傳感器(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)，該距離是關于所述傾斜角(θP，θC)的函數；以及●用于從所述圖像測量所述第一和第二光束的作為所述傾斜角(θP，θC)的函數的光線(rP，rC)強度的測量裝置。
2.根據權利要求1的測量設備，其特征在于所述第一和第二光束會聚在公共焦點(F3)上，所述視頻傳感器(7)的成像器件(6)被設置在所述焦點(F3)上。
3.根據權利要求1的測量設備，其特征在于所述第一和第二光束是準直光束，并且該設備進一步包括場鏡(5)，用于使所述光束會聚在設置有該成像器件(6)的焦點(F2)上。
4.根據權利要求1的測量設備，其特征在于該第一和第二光束是準直光束，并且所述成像器件是遠心聚焦透鏡(6’)。
5.根據權利要求1-4中任一項的測量設備，其特征在于所述折射中心部分(3)是會聚非球面透鏡(3)，由一組球面透鏡組成的透鏡，或是菲涅爾透鏡。
6.根據權利要求1-5中任一項的測量設備，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.根據權利要求1-5中任一項的測量設備，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)以所述大傾斜角擴散的光的入射界面；●進行內部全反射的反射面；以及●所述第二光束的出射界面。
8.根據權利要求1-7中任一項的測量設備，其特征在于進一步包括●至少一個適于產生準直光束的光源，該準直光束以相對于所述光軸(H)的預定入射角(α)被所述物體或部分物體(4)接收；并且其中●所述測量裝置適于測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度，該光線強度是所述預定入射角(α1，α2)的函數。
9.根據權利要求8的測量設備，其特征在于所述至少一個光源是激光器或激光二極管。
10.根據權利要求8或9的測量設備，其特征在于為了產生所述準直光束，所述至少一個光源包括LED(13)，可選擇使用的位于準直透鏡(16)的焦點上的視場光闌(14)，以及靠近所述準直透鏡的孔徑光闌(15)。
11.根據權利要求8-10中任一項的測量設備，其特征在于所述至少一個光源是白光光源，并且所述測量設備適于以所述光線的至少一種波長來測量第一和第二光束的光線(rP，rC)的強度。
12.根據權利要求11的測量設備，其特征在于所述測量裝置適于測量該第一和第二光束的光線(rP，rC)的強度，作為人眼所敏感的原色(紅，綠和藍)的函數。
13.根據權利要求8-12中任一項的測量設備，其特征在于其包括多個出射準直光束的固定光源，各所述光源間彼此獨立，并且適于產生由所述物體或部分物體(4)以對于該光源特定的入射角(α)接收的光束。
14.根據權利要求13的測量設備，其特征在于其進一步包括適于順序導通所述光源的控制裝置。
15.根據權利要求8-12中任一項的測量設備，其特征在于其包括單個可移動光源，該可移動光源適于產生被所述物體或部分物體(4)以預定的可變入射角(α)接收的光束。
16.根據權利要求15的測量設備，其特征在于所述單個光源(1”)可在軌道(30)上平移。
17.根據權利要求3和16的測量設備，其特征在于所述單個光源可以在所述場鏡(5)的像方焦點(F4)的周圍，相對于位于所述場鏡(5)和所述觀察裝置之間的半反射板(18)旋轉，所述半反射板(18)適于●向所述物體或部分物體(4)反射由所述單個光源(1)產生的所述準直光束；以及●使所述場鏡(5)傳遞的所述第一和第二會聚光束通過。
18.根據權利要求1-17中任一項的測量設備，其特征在于其進一步包括用于重建對所述物體或部分物體(4)測量得到的BRDF，BTDF，或BSDF，并且將他們記錄在媒質上的裝置。
19.權利要求1-18中任一項的測量設備的用途，用于測量物體或部分物體(4)的BRDF，BTDF，或BSDF，特別是用于當所述物體或部分物體(4)難以接近時的現場測量。
20.根據權利要求19的測量設備的用途，用于測量表面各向異性的物體(4)或部分物體(4)的BRDF。
21.權利要求1-18中任一項的測量設備的用途，用于測量由所述物體(4)構成的光源的強度圖案。
22.一種計算機程序，用于執行模擬物體或部分物體的光學特性的功能，該程序的特征在于其利用了根據權利要求1-18中任一項的測量設備從同類型真實物體(4)所測得的光強度。
23.根據權利要求22的計算機程序，其特征在于該程序是計算機輔助設計程序或光模擬程序。
全文摘要
本發明涉及一種測量物體或部分物體(4)的光強度的設備。該設備包括彼此獨立的折射中心部分(3)和反射折射邊緣部分(2)，其適于從被物體(4)擴散的光，發送兩同類型、不交叉的光束，并且二維視頻傳感器(7)與成像器件(6)相關聯，以獲得光束的圖像。
文檔編號G01N21/55GK1867821SQ200480029644
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月8日 優先權日2003年10月10日
發明者雅克·德拉庫爾 申請人:奧普特斯公司
專業數控銑床產品供應商
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