何澤浩，王洪遠(yuǎn)，閔 銳，曹良才

（清華大學(xué) 精密儀器系 精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

引言

輻射度學(xué)是一門以電磁輻射為研究對象的科學(xué)，測量輻射度學(xué)參量的儀器稱為輻射度計(jì)。在光學(xué)領(lǐng)域，輻射度學(xué)的研究對象主要是可見光及其附近波段的電磁輻射。實(shí)際應(yīng)用中，可見光波段的研究不僅需要考慮電磁輻射的客觀度量，還需要考慮人眼視覺對電磁輻射的生理和心理響應(yīng)。包含了人眼視覺因素的輻射度學(xué)又被稱為光度學(xué)，該學(xué)科涉及的物理參量包括發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度和亮度[1]。測量上述光度學(xué)參量的儀器稱為光度計(jì)?？梢?，光度計(jì)是一種具有“標(biāo)準(zhǔn)人眼”視覺響應(yīng)的輻射度計(jì)。

發(fā)光體的輻射分布具有特定的空間特性，因此光度學(xué)測量必須考慮不同方向上的光度量。為此，測量過程需要在空間不同位置處部署光度計(jì)等測量設(shè)備，這一測量特性通常被描述為“分布式”。當(dāng)前，在空間不同位置處部署光度計(jì)的任務(wù)通常通過機(jī)械掃描裝置實(shí)現(xiàn)，這一裝置也常被稱為測角儀。機(jī)械掃描裝置和光度計(jì)共同組成的設(shè)備被稱為分布式光度計(jì)，其英文名稱“goniophotometer”的前綴“gonio”即為希臘語“角度”之意[2]?；跈C(jī)械掃描裝置，分布式光度計(jì)可測量4π 球面全部或部分方向上特定種類的光度學(xué)參量，進(jìn)而基于不同光度學(xué)參量間的換算關(guān)系可實(shí)現(xiàn)發(fā)光體空間光輻射分布的數(shù)值重構(gòu)。重構(gòu)結(jié)果常常被繪制為發(fā)光強(qiáng)度值相對于角度的變化曲線，該曲線稱為配光曲線，是發(fā)光體光輻射分布的最常見呈現(xiàn)形式。

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，分布式光度計(jì)可被分為不同的類型。根據(jù)光度計(jì)和待測發(fā)光體構(gòu)成的坐標(biāo)系，可將分布式光度計(jì)分為A-α型、B-β型和Cγ型等3 個常見類別，它們各適用于交通燈具、投光燈具和室內(nèi)燈具的光度測量[3]。本文基于燈具尺寸和測量距離間的關(guān)系，將分布式光度計(jì)分為遠(yuǎn)場和近場兩類[4-6]。遠(yuǎn)場分布式光度計(jì)（far-field goniophotometer,FFG）基于遠(yuǎn)場近似條件實(shí)現(xiàn)光度參量的測量，近似條件包括將發(fā)光體視為點(diǎn)光源，將空間任意光線視為由該點(diǎn)出射和假設(shè)不同方向的出射光線性質(zhì)相同。因?yàn)槲锢砟Ｐ洼^為簡單，F(xiàn)FG 需處理的數(shù)據(jù)量少，空間輻射分布的重構(gòu)速度快，對于朗伯發(fā)光體的重構(gòu)效果較好。不過，F(xiàn)FG 要求被測發(fā)光體和探測器之間的距離大于發(fā)光體最大尺寸的5 倍以上，測量過程占用空間大；測量過程對發(fā)光體過度簡化，限制了照明距離較近時空間輻射分布的重構(gòu)精度。此外，不少新型發(fā)光體的輻射特性與朗伯體差異顯著，F(xiàn)FG 難以準(zhǔn)確描述它們的光學(xué)性能。近場分布式光度計(jì)（near-field goniophotometer,NFG）的出現(xiàn)一定程度上解決了FFG 面臨的問題。本文將從NFG 的原理出發(fā)，比較NFG 相對FFG 的優(yōu)點(diǎn)，綜述NFG 的發(fā)展現(xiàn)狀，分析NFG 面臨的挑戰(zhàn)并提出相應(yīng)的解決方案，進(jìn)而展望NFG 在照明顯示、交通運(yùn)輸、工業(yè)視覺和文物保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 近場分布式光度計(jì)的測量原理

1987 年，NGAI P Y 首先提出了NFG 的概念[7]。如圖1（a）所示，NFG 通常由2 個相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸組成，旋轉(zhuǎn)軸連接掃描框架，而掃描框架上安裝有NFG 的核心組件——成像亮度計(jì)。掃描框架旋轉(zhuǎn)時，成像亮度計(jì)的運(yùn)動軌跡位于半徑為R的掃描球面上，同時待測發(fā)光體放置于掃描球面內(nèi)部。顯然，待測發(fā)光體的最大尺寸應(yīng)小于掃描球面的直徑2R。

圖1 NFG 測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of NFG-based measurement

成像亮度計(jì)的核心器件是CCD 和CMOS 等二維成像傳感器，它可以在球面掃描過程中采集所有可達(dá)位置的亮度圖像[8]。由于指定方向上的亮度值和光線傳播距離無關(guān)，即使成像亮度計(jì)的運(yùn)動軌跡始終位于掃描球面上，其特定位置上采集到的亮度圖像也可描述該方向上任意距離處的光輻射特性，并可基于光度學(xué)參量間的換算關(guān)系求解不同距離上的發(fā)光強(qiáng)度和照度等參量。以圖1（b）所示的面積為S的平面發(fā)光體為例，已知亮度為L(x,y,θ,φ)時，發(fā)光強(qiáng)度和照度可由式（1）和式（2）求解：

式中：I為發(fā)光強(qiáng)度；E為照度；l為發(fā)光體中心C到任意空間點(diǎn)P的距離；l'為發(fā)光體上的面元ds到點(diǎn)P的距離；α為CP連線與點(diǎn)P所在平面法線的夾角；α'為ds發(fā)出的光線與點(diǎn)P所在平面法線的夾角；θ為 ds發(fā)出的光線與發(fā)光體平面法線的夾角。當(dāng)點(diǎn)P與發(fā)光體之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)光體尺寸時，l'趨近于l，α'趨近于α，此時的發(fā)光強(qiáng)度可表示為

式（3）表明，基于NFG 同樣可以計(jì)算遠(yuǎn)場的空間光輻射分布。

與FFG 相比，NFG 在設(shè)備體積和可推演性等方面具有顯著優(yōu)勢，極大擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，主要體現(xiàn)為以下兩個方面：

1）NFG 占用體積小，測量過程魯棒性強(qiáng)。FFG 的工作過程需要滿足遠(yuǎn)場近似條件，相比之下，NFG 的工作過程無需滿足遠(yuǎn)場近似條件，設(shè)備尺寸理論上大于被測發(fā)光體的最大尺寸即可。因此，使用NFG 進(jìn)行光度測量時占用的空間體積較小，適用于大尺寸發(fā)光體的光度測量。同時，在獲取4π 全空間光輻射特性的過程中，NFG 通常無需對被測發(fā)光體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，避免了因發(fā)光體機(jī)械移動導(dǎo)致的性能波動，提升了測量結(jié)果的魯棒性。

2）NFG 可推演性強(qiáng)，遠(yuǎn)/近場光度學(xué)參量的恢復(fù)精度高。FFG 的測量過程將發(fā)光體視為點(diǎn)光源，相比之下，NFG 無需預(yù)設(shè)光源形狀。NFG 可測量的發(fā)光體最大尺寸接近其掃描框架尺寸，成像亮度計(jì)采集到的圖像是被測發(fā)光體各角度下的近場亮度圖像。根據(jù)亮度的距離不變性，NFG 可推演復(fù)雜形狀光源任意傳播距離處的光度分布，突破了FFG 難以重構(gòu)近場光度分布的難題。同時，NFG 還可基于亮度和其他參量間的換算關(guān)系，推演被測發(fā)光體的任意光度學(xué)參量，極大擴(kuò)展了可測量參數(shù)的種類。

基于上述特點(diǎn)，NFG 擁有更廣的適用范圍。由于NFG 不會將發(fā)光體近似為點(diǎn)光源，因此可用于平面、曲面等不同形狀光源的檢測。同時，NFG上安裝的成像亮度計(jì)可以在掃描過程中捕捉發(fā)光體在掃描球面上全部或部分區(qū)域的亮度圖像?；诓煌嵌认碌牧炼葓D像進(jìn)行配光計(jì)算，可以獲得4π 全空間內(nèi)發(fā)光體中心坐標(biāo)、光線傳播方向和任意方向光通量等特征信息。即使被測發(fā)光體具有各項(xiàng)異性的發(fā)光特性，NFG 也可以進(jìn)行精確的測量與重構(gòu)。隨著ASAP、Speos、Light Tools 和Zemax 等常用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，將NFG 獲取的光線文件應(yīng)用于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可進(jìn)一步模擬光線經(jīng)過濾波片、反射鏡等光學(xué)組件后的傳播特性，進(jìn)而大幅降低新型光學(xué)組件的開發(fā)難度，在近場光學(xué)組件開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 近場分布式光度計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)90 年代初，德國伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)RIEMANN M 團(tuán)隊(duì)率先開發(fā)了NFG 原型機(jī)，首次基于亮度圖像實(shí)現(xiàn)了發(fā)光強(qiáng)度和總光通量的重構(gòu)[9]。團(tuán)隊(duì)成員SCHMIDT F 等人創(chuàng)建的Techno Team 公司當(dāng)前已成長為NFG 領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，其推出的RiGO801 系列NFG 擁有眾多細(xì)分型號，可以實(shí)現(xiàn)各類發(fā)光體的光度測量，如LED/OLED 芯片、照明燈泡、固體照明模塊、車用照明組件和特種光源等[10-13]。其中，型號為RiGO801-2000 的大型NFG可測量直徑為2 000 mm，其亮度測量誤差、色坐標(biāo)測量精度、發(fā)光強(qiáng)度測量誤差和掃描角度定位精度等關(guān)鍵參數(shù)均到達(dá)了國際先進(jìn)水平，已在中大型發(fā)光組件的開發(fā)和制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是汽車照明行業(yè)的標(biāo)桿性測量儀器。

美國Radiant 公司是NFG 領(lǐng)域的重要參與者。在ALBRECHT 等人的帶領(lǐng)下，該公司于1996 年推出了型號為SIG-100 的第一代NFG 產(chǎn)品。該產(chǎn)品一經(jīng)面世便被電影放映行業(yè)關(guān)注，隨后在高功率弧光燈的表征和優(yōu)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，SIG 系列已更新至第四代產(chǎn)品SIG-400，主要用于測量直徑小于200 mm 的LED 芯片和發(fā)光組件，其優(yōu)勢體現(xiàn)在系統(tǒng)集成性強(qiáng)、近場測量精度高和軟件功能完善等方面[14]。其中，SIG-400 配套的軟件ProSource 可以推演指定距離處的光度分布，生成的數(shù)據(jù)可導(dǎo)出為IES 和ELUMDAT 格式文件，與常用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的兼容性較好，可為LED 性能表征和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案[15]。

加拿大ASHDOWN I 團(tuán)隊(duì)自1993 年開始進(jìn)入NFG 領(lǐng)域，在NFG 光線重構(gòu)理論、計(jì)算優(yōu)化技術(shù)和光源建模方法等方面取得了開拓性成果[16-19]；德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所針對NFG 開展了長期研究，突破了系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)、光機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)建和雜散光抑制等方面的部分難題[20-22]；比利時魯汶大學(xué)在NFG 領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，研究內(nèi)容涵蓋動態(tài)范圍失配誤差消除和基于NFG 的光學(xué)組件精確建模等方面[23]；德國Instrument Systems 公司制造了LGS-1000 型號的分布光度計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場測量和近場測量的模式切換，其近場測量模式通常針對直徑小于200 mm 的發(fā)光體[24]。

國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)正針對NFG 軟硬件領(lǐng)域的核心技術(shù)開展技術(shù)攻關(guān)。大連工業(yè)大學(xué)基于CA2000成像亮度計(jì)搭建了近場光度測試系統(tǒng)，比較了近場和遠(yuǎn)場光度測量的性能差異[25-26]；浙江大學(xué)研究了成像亮度計(jì)和機(jī)械掃描裝置中可能存在的測量誤差，并在NFG 空間位置誤差的消除方面開展了探索性研究[27]；杭州遠(yuǎn)方光電在NFG 領(lǐng)域開展了系列研究[28-29]，領(lǐng)導(dǎo)撰寫了該領(lǐng)域重要的標(biāo)準(zhǔn)性出版物CIE 239: 2020[30]，同時自主研制了如圖2（a）所示的GO-NR1000 型NFG，實(shí)現(xiàn)了直徑30 mm 以下發(fā)光體的光度檢測，可以精確測量遠(yuǎn)近場任意位置的光度分布，且發(fā)光強(qiáng)度測量誤差等關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平；清華大學(xué)在NFG 領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索[31]，其自主開發(fā)的GP600 型NFG，如圖2（b）所示，最大可測量直徑已達(dá)600 mm，光場重構(gòu)速度接近國外高端產(chǎn)品水平，能夠用于中大型照明與顯示設(shè)備的精確檢測。

圖2 國產(chǎn)NFG 典型產(chǎn)品Fig.2 Typical domestic NFG products

國內(nèi)外NFG 領(lǐng)域部分代表性的研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品型號和功能特點(diǎn)如表1 所示。總體來看，商業(yè)化的NFG 產(chǎn)品雖然較少披露技術(shù)細(xì)節(jié)，但絕大多數(shù)產(chǎn)品的基本原理均是分布式掃描和基于亮度不變性的光度學(xué)參量換算關(guān)系。經(jīng)過30 余年的發(fā)展，面向小尺寸發(fā)光體測量的小型NFG 產(chǎn)品已較為成熟，部分國產(chǎn)設(shè)備的測量精度已達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但是，當(dāng)前面向大尺寸發(fā)光體測量的大型NFG 產(chǎn)品種類依然較少，Techno Team 公司的RiGO801 系列占據(jù)了市場的大部分份額。清華大學(xué)在大尺寸NFG 領(lǐng)域獲得了階段性的技術(shù)突破，但其產(chǎn)品的最大可測量直徑和Techno Team 比較仍有差距。相比于小型NFG 產(chǎn)品，大型NFG 產(chǎn)品面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要集中在兩個方面：第一，大型NFG 產(chǎn)品對系統(tǒng)和部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、控制精度和標(biāo)定精度提出了更嚴(yán)格的要求，設(shè)計(jì)和制造需要更高的工藝技術(shù)水平；第二，大型NFG 產(chǎn)品掃描測量過程中獲取的數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)的處理過程需要依靠更強(qiáng)大的硬件和更高效的算法。隨著高端照明、先進(jìn)顯示、道路交通、工業(yè)檢測和文物保護(hù)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，精確獲知發(fā)光體的輻射分布正變得越來越重要。因此，突破NFG 領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)大尺寸、高精度和超快速的光度學(xué)參量重構(gòu)，具有越來越重要的經(jīng)濟(jì)和社會價(jià)值。

3 近場分布式光度計(jì)的挑戰(zhàn)與解決方案

3.1 高精度的亮度元數(shù)據(jù)測量

準(zhǔn)確重構(gòu)待測發(fā)光體各類光度學(xué)參量的前提是獲得精確的亮度元數(shù)據(jù)。NFG 的元數(shù)據(jù)是不同角度上的亮度數(shù)據(jù)，因此成像亮度計(jì)的測量精度和可靠性是NFG 性能指標(biāo)的關(guān)鍵影響因素。當(dāng)前，成像亮度計(jì)在視覺響應(yīng)曲線匹配、線性動態(tài)范圍擴(kuò)展和非定標(biāo)位置測量精度提升等方面面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。成像亮度計(jì)的三刺激值光譜匹配是國際公認(rèn)難題，當(dāng)成像亮度計(jì)的光譜響應(yīng)度曲線偏離標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺響應(yīng)曲線時，儀器測量不同光譜發(fā)光體時就會產(chǎn)生光譜失配誤差，進(jìn)而制約NFG 測量精度提升。同時，成像傳感器芯片的動態(tài)范圍容易受到工作溫度和電路制造工藝的影響，有限的單元動態(tài)范圍制約了亮度圖像的線性動態(tài)范圍，進(jìn)而限制了NFG 的測量和重構(gòu)精度。此外，成像亮度計(jì)在定標(biāo)距離處的測量精度最高，當(dāng)實(shí)際測量距離受到待測目標(biāo)尺寸和形狀的影響而偏離定標(biāo)距離時會產(chǎn)生測量誤差，進(jìn)而降低NFG 測量數(shù)據(jù)的精確性。

如圖3 所示，提升成像亮度計(jì)的元數(shù)據(jù)測量精度，需要提升器件的視覺響應(yīng)曲線匹配精度，優(yōu)化電路工藝和制冷水平，并消除非定標(biāo)距離處的測量誤差。為此，需要面向成像亮度計(jì)研制透過波長與人眼三刺激值匹配度更高的膜系材料，提升成像鏡頭和濾色片的鍍膜工藝，使成像亮度計(jì)的光譜響應(yīng)函數(shù)更接近“標(biāo)準(zhǔn)人眼”視覺響應(yīng)曲線；開發(fā)自適應(yīng)的光譜匹配算法，基于傳感器和人眼光譜響應(yīng)曲線之間的對應(yīng)關(guān)系，將原始測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與人眼三刺激值高度匹配的優(yōu)化數(shù)據(jù)。同時，需要提升成像亮度計(jì)的制冷水平，優(yōu)化采樣和前置放大電路的制造工藝，利用阻抗匹配和AD 轉(zhuǎn)換等手段，結(jié)合成像傳感器動態(tài)范圍的校正方法，實(shí)現(xiàn)低閾值和大范圍的成像式亮度測量。

圖3 成像亮度計(jì)元數(shù)據(jù)測量精度的提升Fig.3 Measurement accuracy improvement of original data obtained by imaging luminance meter

3.2 超快速、高精度的光場重構(gòu)

光場重構(gòu)表示基于成像式亮度計(jì)測得的亮度圖像求解發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度等參量并繪制全空間光度分布的過程，是光度測量的核心環(huán)節(jié)之一。當(dāng)前，全空間光場重構(gòu)通常難以兼顧速度和精度，主要原因是機(jī)械掃描定位、選定角度處的亮度圖像采集以及全空間光場拼接計(jì)算等環(huán)節(jié)難以兼顧速度和精度。全空間光場通?；谏贁?shù)選定角度處的光度分布拼接計(jì)算獲得，因此要求成像亮度計(jì)在機(jī)械掃描過程中快速、準(zhǔn)確到達(dá)選定位置，需要突破快速掃描過程中的高精度定位難題。同時，成像亮度計(jì)采集圖像過程中，更小的機(jī)械運(yùn)動幅度和更長的曝光采樣時間通常會帶來更高的成像精度?！皰?停-采”成像模式可以滿足上述要求，但存在單幀圖像采集時間長、全空間掃描效率低的問題，制約了光場重構(gòu)的速度。此外，更小的角度間隔、更多的亮度圖像，可以重構(gòu)出精度更高的光場分布，但增加了數(shù)據(jù)量和拼接計(jì)算時間，降低了光場重構(gòu)的效率。

為解決上述挑戰(zhàn)，需要開發(fā)掃描框架的高精度定位和控制方法，研究連續(xù)快速掃描的高精度采樣技術(shù)，并設(shè)計(jì)全空間光場拼接計(jì)算加速方法，如圖4 所示。為此，需要開發(fā)具有超高轉(zhuǎn)速、實(shí)時監(jiān)控和精細(xì)控制等特性的新型伺服電機(jī)，構(gòu)建機(jī)械掃描框架和伺服電機(jī)間的傳動系統(tǒng)，設(shè)計(jì)針對機(jī)械掃描框架的數(shù)字控制電路，實(shí)現(xiàn)超快速、高精度的機(jī)械掃描定位。同時，需要開發(fā)連續(xù)掃描采樣技術(shù)，在掃描框架連續(xù)旋轉(zhuǎn)中實(shí)現(xiàn)選定角度的精確識別，完成在該角度下的亮度圖像采集，并基于算法降低機(jī)械運(yùn)動對亮度圖像采集質(zhì)量的制約，實(shí)現(xiàn)亮度圖像的高效率、高精度采集。最后，建立全空間光場拼接計(jì)算方法，降低計(jì)算復(fù)雜度，減小待處理數(shù)據(jù)量，設(shè)計(jì)基于硬件的計(jì)算加速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高維光場的高精度實(shí)時重建。

圖4 超快速、高精度的光場重構(gòu)技術(shù)Fig.4 Ultrafast and high-precision reconstruction technology of optical field

3.3 高可靠性的溯源體系和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

量值溯源表示通過1 條具有規(guī)定不確定度的不間斷比較鏈、使測量結(jié)果和規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)的過程，這條具有規(guī)定不確定度的不間斷比較鏈被稱為量值溯源體系。作為光度學(xué)參量的測量儀器，為了保證儀器的測量準(zhǔn)確度，NFG 的測量結(jié)果需要溯源至相關(guān)的國家計(jì)量基準(zhǔn)。圖5 展示了1 條適用于NFG 的量值溯源鏈條。光度學(xué)參量的測量結(jié)果經(jīng)現(xiàn)場計(jì)量校準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)室計(jì)量校準(zhǔn)后，最終可溯源至亮度、色度和發(fā)光強(qiáng)度等國家計(jì)量基準(zhǔn)。

圖5 NFG 的量值溯源和傳遞體系Fig.5 Quantity traceability and transferability system for NFG

當(dāng)前，NFG 的量值溯源面臨缺乏符合產(chǎn)業(yè)需求的標(biāo)準(zhǔn)光源和現(xiàn)場計(jì)量校準(zhǔn)裝置的挑戰(zhàn)。亮度和色度的量值溯源體系主要基于標(biāo)準(zhǔn)A 光源進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，但實(shí)際被測的LED、熒光燈和激光二極管等發(fā)光體的光譜分布與標(biāo)準(zhǔn)A 光源存在較大差異，存在光譜失配問題。同時，NFG 尺寸較大，難以送檢至實(shí)驗(yàn)室，但當(dāng)前缺少性能可靠的亮度、照度和發(fā)光強(qiáng)度現(xiàn)場計(jì)量校準(zhǔn)裝置，量值溯源工作的完成難度極高。

為解決上述挑戰(zhàn)性問題，需要開發(fā)新型標(biāo)準(zhǔn)光源和高置信度的便攜式計(jì)量校準(zhǔn)裝置。首先，開發(fā)適用于不同測量對象的標(biāo)準(zhǔn)光源（如高穩(wěn)定性LED 標(biāo)準(zhǔn)光源或具有多光譜輸出能力的高強(qiáng)度穩(wěn)定燈），在量值溯源體系中補(bǔ)充現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)A 光源的不足之處，實(shí)現(xiàn)在多個典型光譜范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出，滿足LED、熒光燈和激光二極管等發(fā)光體的測量精度需求[32]。同時，開發(fā)適用于NFG 的便攜式現(xiàn)場計(jì)量校準(zhǔn)裝置并溯源至國家相關(guān)計(jì)量基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)NFG 的原位計(jì)量校準(zhǔn)，提升量值溯源標(biāo)準(zhǔn)裝置的便捷性，避免大型設(shè)備因反復(fù)拆裝和運(yùn)輸導(dǎo)致的測量精度偏移。

4 近場分布式光度計(jì)的應(yīng)用

NFG 的元數(shù)據(jù)是不同角度上的亮度圖像。伴隨著成像式亮度計(jì)成像精度的提升，當(dāng)前亮度圖像的準(zhǔn)確性也日益進(jìn)步。處理這些亮度圖像，可以得到亮度曲線、發(fā)光強(qiáng)度曲線和照度曲線等較為初級的數(shù)據(jù)。其中，基于清華大學(xué)GP600 型NFG獲得的發(fā)光強(qiáng)度曲線如圖6（a）所示。伴隨著處理器計(jì)算能力的增強(qiáng)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的進(jìn)步，基于上述初級數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步獲得空間光強(qiáng)分布圖和空間光線分布圖等較高級別的數(shù)據(jù)。其中，基于GP600 型NFG 亮度圖像獲取的空間光線分布圖如圖6（b）所示，圖中的3 個坐標(biāo)軸分別表示了發(fā)光方向θ、φ和相對發(fā)光強(qiáng)度。這些光線數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，用于新型光學(xué)組件的設(shè)計(jì)和開發(fā)，預(yù)期可以在照明、顯示、交通運(yùn)輸、工業(yè)視覺和文物保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[33]。

圖6 清華大學(xué)GP600 型NFG 的測量結(jié)果Fig.6 Measurement results obtained by Tsinghua GP600 NFG

在照明領(lǐng)域，NFG 有望引領(lǐng)LED 邁向品質(zhì)照明和健康照明的新階段。伴隨著LED 技術(shù)的不斷成熟，LED 照明在光效、能耗和制造成本等方面逐漸體現(xiàn)出較為明顯的邊際效應(yīng)。為了追求新的利潤增長點(diǎn)，LED 照明行業(yè)逐步將提升照明品質(zhì)、聚焦照明健康作為新的工作重點(diǎn)。光度學(xué)參數(shù)的精確測量和重構(gòu)可以為照明質(zhì)量評價(jià)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。燈具配光曲線的精確測量是教室照明燈具設(shè)計(jì)和改進(jìn)的基礎(chǔ)，特別是提高照度均勻性和降低室內(nèi)不舒適眩光對中小學(xué)生視覺健康意義重大，NFG 有機(jī)會在品質(zhì)照明和健康照明時代大展拳腳。

在顯示領(lǐng)域，NFG 有望加速M(fèi)icro-LED 技術(shù)的成熟和商用。Micro-LED 在亮度、響應(yīng)速度、能耗和使用壽命等方面具有潛在優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來顯示面板的發(fā)展方向。當(dāng)前，制約Micro-LED 面板大規(guī)模商用的主要因素是偏低的生產(chǎn)良率。由于Micro-LED 面板通?；诰蘖哭D(zhuǎn)移技術(shù)制造，保證每個像素?fù)碛邢嗤牧炼惹€是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的任務(wù)?；贜FG 完成Micro-LED 面板的檢測和亮度曲線繪制，建立精準(zhǔn)的亮度調(diào)控模型，對于提升面板顯示質(zhì)量具有重要的價(jià)值，也可以為提升Micro-LED 面板制造工藝、降低生產(chǎn)成本提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

在交通照明領(lǐng)域，NFG 有望促進(jìn)智能化、高性能照明大燈的快速普及。隨著車用照明技術(shù)的進(jìn)步，矩陣式大燈、激光大燈和投影大燈等新型車燈相繼被引入汽車市場。然而，新型車燈的發(fā)光特性與傳統(tǒng)車用燈具存在顯著差異，主要體現(xiàn)在發(fā)光面尺寸大、光強(qiáng)分布多樣性強(qiáng)、存在時間調(diào)制特性和明暗對比強(qiáng)烈等方面。NFG 可以用于測量新型車燈的光度分布，進(jìn)而提取適當(dāng)?shù)谋碚鲄?shù)對燈具的發(fā)光特性進(jìn)行分析和改進(jìn)，使其配光性能不僅滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，也能與人眼的視覺感知相一致。

在工業(yè)檢測領(lǐng)域，NFG 有望推動高精度視覺感知時代的到來。工業(yè)視覺相機(jī)通常會使用結(jié)構(gòu)光發(fā)射器將一定模式的結(jié)構(gòu)光投射到被測物體表面，形成由被測物體表面形狀所調(diào)制的三維圖像。通過多個相機(jī)拍攝上述三維圖像的二維分布，并利用光學(xué)三角測量原理，可以實(shí)現(xiàn)被測物體表面三維形貌的重建。結(jié)構(gòu)光發(fā)射器投射圖案的精確性和均勻性對工業(yè)視覺成像精度具有決定性的影響。基于NFG 測量結(jié)構(gòu)光發(fā)射器光度分布，建立結(jié)構(gòu)光性能與工業(yè)視覺測量精度間的量化模型，對于優(yōu)化工業(yè)視覺相機(jī)性能、提升工業(yè)視覺感知能力，具有十分重要的實(shí)用意義。

在文物保護(hù)領(lǐng)域，NFG 將進(jìn)一步促進(jìn)文物無眩光成像技術(shù)和無損傷陳列技術(shù)的發(fā)展。照明燈光的強(qiáng)度分布和光譜分布等特性對文物成像和陳列展覽具有十分顯著的影響。其中，不適合的強(qiáng)度分布會導(dǎo)致眩光效應(yīng)，導(dǎo)致文物成像結(jié)果丟失紋飾數(shù)據(jù)；不適合的光譜分布會導(dǎo)致文物成像結(jié)果發(fā)生色彩偏移，甚至可能在陳列展覽過程中導(dǎo)致文物的光損傷。使用NFG 對照明光源的關(guān)鍵光度學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測，可以確定適合各材質(zhì)文物的最佳光學(xué)信息采集場景；同時，基于光度學(xué)參數(shù)可以研究不同照明環(huán)境對不同材質(zhì)文物老化、損傷的影響，確定適宜文物照明的光學(xué)參數(shù)并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)推廣。

5 結(jié)論

NFG 具有占用體積小、可推演性強(qiáng)、適用范圍廣和可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，在魯棒性、精確性、適應(yīng)性和便捷性等方面具有顯著優(yōu)勢，是面向未來的光度學(xué)參量測量儀器。高端NFG 的設(shè)計(jì)和制造需要較高的工藝技術(shù)水平；同時，作為一種計(jì)算測量技術(shù)，NFG 數(shù)據(jù)處理算法和軟件對測量精度也有很大的影響。國內(nèi)外NFG 的軟硬件能力正在快速進(jìn)步，在可測量尺寸、發(fā)光強(qiáng)度測量精度和掃描角度定位精度等關(guān)鍵參數(shù)上取得了顯著的進(jìn)步。然而，當(dāng)前NFG 仍面臨成像式亮度計(jì)采集精度受限、光場重構(gòu)速度和精度難以兼顧、量值溯源體系尚未完整構(gòu)建的挑戰(zhàn)。解決上述挑戰(zhàn)，是占領(lǐng)NFG技術(shù)高地的必然選擇。由于NFG 優(yōu)秀的功能性和便捷性，預(yù)計(jì)它將會廣泛用在新型光學(xué)組件的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，對照明、顯示、交通運(yùn)輸、工業(yè)視覺和文物保護(hù)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。