运用近场测量数据进行光谱光线追迹

Rykowski, Ronald. Radiant Imaging, Inc.

在光学设计领域中，采用实测的光源模型进行光线追迹模拟已有15年的时间。但到目前为止，其生成的光线集并不包含光谱信息。

在某些有限制条件的情况下，可适当应用三刺激色测量值，但很多光线追迹的软件要求每条光线都具备相应的光谱波长，以满足光学系统的全彩色模拟分析。

本文主要描述使用光度学或三刺激成像色度计与光谱测量相结合，生成包含波长的光线集的各种技术。

这些光线集很容易用于光线追迹软件，精确模拟光线通过光学系统的折射和衍射，生成包含色度信息的照度或亮度分布。 

这些方法最终通过对一个光谱能量分布随光源物理空间显著变化或为角度函数的真实光源进行测试确认。

近场分布光度计成功用于生成光源模型，已有15年的历史。

其性能充分满足了光线模拟追迹的需要【1，2，3】。同时，光源近场的数据可以确定光源在任何距离时的照度分布，可以计算光源远场的光强分布。 

最初时，由于钨灯在其发光的范围内，色彩变化很小，近场测量只使用光度滤光片就足够了。 

但是，伴随着金属卤化物光源和白色LED在照明应用中的普及，测量光源的色彩变化就变得相当重要，这是因为这个颜色变化将导致光学系统（如投影仪，汽车前灯或泛光源）的输出，产生不希望的颜色变化。 

此后，增加三刺激色滤光片以满足基础色彩分析需求。但是，很多光学设计软件的光线追迹工具不能进行基于三刺激色数据的光线追迹模拟。

相反，光线追迹模拟软件却具备追迹赋有波长数值的光线的能力，这是因为要确定光线通过玻璃或薄膜涂层时，如何进行反射、衍射和干涉，每条光线必须有波长数值。 

本文介绍一种将光谱测量和近场分布测量相结合，生成的光线具有波长信息的技术。 

通常如果发光器件的频谱已知，且生成的光线数量在百万级，则应用重要抽样统计方法可将波长赋值给这些光线，具有较高能量的波长其对应的光线数量会比其它的多。

例如：某个光源的光谱能量分布曲线，在波长655nm处的能量是450nm的两倍，那么，在光线集中波长655nm的光线数量就是450nm的两倍。

在理想状态下，从各个角度测量光谱能量分布，并保持较高的空间分辨率，需要使用具有宽频谱、高灵敏度的高光谱成像测量设备。

这样根据发光位置和视角，运用上面谈到的重要抽样技术，可以非常简单直接地将波长值赋给每条光线。

但使用高光谱成像测量系统存在一些不足：

1. 目前只亮度或三刺激色测量时，就已经需要巨大的，通常是数百兆字节的存储空间，而高光谱数据量可能比这个值大一个数量级。

2. 这些光源模型一般包含1000张以上单独的色彩影像图片【4】，而高光谱成像系统的影像测量信息比亮度或三刺激色测量的大数倍。

这意味着一个4π空间的测量需要20小时或更长时间，而相同的一个三刺激色测量只要1-2小时。 

通过光源的光度或三刺激测量数据，与光谱能量分布的理论或测量数据相结合的方式，将波长赋值给光线，这是本篇的核心内容，有四种方式可供选择： 

经积分球测量得到的光源光谱数据可以导入光线生成软件，每条光线的波长值依据相应的光谱能量分布被确定。

这种方法至少为光线追迹软件提供了一个非常有用的波长值，但是，如果光源的光谱特性在角度或空间上有显著地变化，那么，这种方法就不适用了。 

通过在光源影像分布计上增加一个分光仪的方法，在测量光源亮度和色度空间分布特性的同时，光源每个视角的光谱信息也被获取。

然后，在光线生成的过程中，根据光线的辐射方向，每个光线被赋予一个唯一的实测波长值。

但是，如果光源的色彩在光源的物理空间上发生明显变化，那么，这种方法仍然是不适用的。 

在每个方向上进行三刺激色测量，而不只是亮度测量，然后像方法1那样将其与积分球测得的光谱信息整合。

首先，根据每张影像中，每个发光位置的三刺激色数据（或色坐标），生成优化的光谱信息。

一旦得到优化的光谱信息，采用相同的重要抽样统计原理，将波长值赋给相应的光线。 

采用将每个角度测量的光谱信息和用三刺激色影像色度计测量得到的数据相结合的方法，进行波长赋值是一项非常成熟精确的技术。

就像上面方法3描述的，根据原始的光谱信息和光源相应发光区域的色坐标数据，可以生成优化的光谱数据。

不同的是，其选用原始的光谱信息是和三刺激色测量在同一方向上，一次测量得到的。

应用上述技术测量不同的光源，包括白色LED、 三色LED和金属卤化物灯，然后在光线追迹软件中进行分析。

结果显示：这些技术非常适用于色彩的光线追迹模拟，而且大多数光线追迹软件很容易采用。 

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.

本文出处 http://www.cybernet.sh.cn/ccs/products/sig/technical/tech-10.html

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