運用近場(chǎng)測量數據進(jìn)行光譜光線(xiàn)追跡
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Rykowski, Ronald. Radiant Imaging, Inc.
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在光學(xué)設計領(lǐng)域中，采用實(shí)測的光源模型進(jìn)行光線(xiàn)追跡模擬已有15年的時(shí)間。但到目前為止，其生成的光線(xiàn)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，可適當應用三刺激色測量值，但很多光線(xiàn)追跡的軟件要求每條光線(xiàn)都具備相應的光譜波長(cháng)，以滿(mǎn)足光學(xué)系統的全彩色模擬分析。
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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與光譜測量相結合，生成包含波長(cháng)的光線(xiàn)集的各種技術(shù)。
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這些光線(xiàn)集很容易用于光線(xiàn)追跡軟件，精確模擬光線(xiàn)通過(guò)光學(xué)系統的折射和衍射，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)對一個(gè)光譜能量分布隨光源物理空間顯著(zhù)變化或為角度函數的真實(shí)光源進(jìn)行測試確認。
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近場(chǎng)分布光度計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(mǎn)足了光線(xiàn)模擬追跡的需要【1，2，3】。同時(shí)，光源近場(chǎng)的數據可以確定光源在任何距離時(shí)的照度分布，可以計算光源遠場(chǎng)的光強分布。?
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最初時(shí)，由于鎢燈在其發(fā)光的范圍內，色彩變化很小，近場(chǎng)測量只使用光度濾光片就足夠了。?
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但是，伴隨著(zhù)金屬鹵化物光源和白色LED在照明應用中的普及，測量光源的色彩變化就變得相當重要，這是因為這個(gè)顏色變化將導致光學(xué)系統（如投影儀，汽車(chē)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(mǎn)足基礎色彩分析需求。但是，很多光學(xué)設計軟件的光線(xiàn)追跡工具不能進(jìn)行基于三刺激色數據的光線(xiàn)追跡模擬。
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相反，光線(xiàn)追跡模擬軟件卻具備追跡賦有波長(cháng)數值的光線(xiàn)的能力，這是因為要確定光線(xiàn)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(xiàn)必須有波長(cháng)數值。?
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本文介紹一種將光譜測量和近場(chǎng)分布測量相結合，生成的光線(xiàn)具有波長(cháng)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(xiàn)數量在百萬(wàn)級，則應用重要抽樣統計方法可將波長(cháng)賦值給這些光線(xiàn)，具有較高能量的波長(cháng)其對應的光線(xiàn)數量會(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(xiàn)，在波長(cháng)655nm處的能量是450nm的兩倍，那么，在光線(xiàn)集中波長(cháng)655nm的光線(xiàn)數量就是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量設備。
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這樣根據發(fā)光位置和視角，運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(cháng)值賦給每條光線(xiàn)。
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但使用高光譜成像測量系統存在一些不足：
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1. 目前只亮度或三刺激色測量時(shí)，就已經(jīng)需要巨大的，通常是數百兆字節的存儲空間，而高光譜數據量可能比這個(gè)值大一個(gè)數量級。
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2. 這些光源模型一般包含1000張以上單獨的色彩影像圖片【4】，而高光譜成像系統的影像測量信息比亮度或三刺激色測量的大數倍。
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這意味著(zhù)一個(gè)4π空間的測量需要20小時(shí)或更長(cháng)時(shí)間，而相同的一個(gè)三刺激色測量只要1-2小時(shí)。?
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通過(guò)光源的光度或三刺激測量數據，與光譜能量分布的理論或測量數據相結合的方式，將波長(cháng)賦值給光線(xiàn)，這是本篇的核心內容，有四種方式可供選擇：?
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經(jīng)積分球測量得到的光源光譜數據可以導入光線(xiàn)生成軟件，每條光線(xiàn)的波長(cháng)值依據相應的光譜能量分布被確定。
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這種方法至少為光線(xiàn)追跡軟件提供了一個(gè)非常有用的波長(cháng)值，但是，如果光源的光譜特性在角度或空間上有顯著(zhù)地變化，那么，這種方法就不適用了。?
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通過(guò)在光源影像分布計上增加一個(gè)分光儀的方法，在測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(xiàn)生成的過(guò)程中，根據光線(xiàn)的輻射方向，每個(gè)光線(xiàn)被賦予一個(gè)唯一的實(shí)測波長(cháng)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)行三刺激色測量，而不只是亮度測量，然后像方法1那樣將其與積分球測得的光譜信息整合。
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首先，根據每張影像中，每個(gè)發(fā)光位置的三刺激色數據（或色坐標），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計原理，將波長(cháng)值賦給相應的光線(xiàn)。?
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采用將每個(gè)角度測量的光譜信息和用三刺激色影像色度計測量得到的數據相結合的方法，進(jìn)行波長(cháng)賦值是一項非常成熟精確的技術(shù)。
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就像上面方法3描述的，根據原始的光譜信息和光源相應發(fā)光區域的色坐標數據，可以生成優(yōu)化的光譜數據。
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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量在同一方向上，一次測量得到的。
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應用上述技術(shù)測量不同的光源，包括白色LED、 三色LED和金屬鹵化物燈，然后在光線(xiàn)追跡軟件中進(jìn)行分析。
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結果顯示：這些技術(shù)非常適用于色彩的光線(xiàn)追跡模擬，而且大多數光線(xiàn)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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