摘要

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。

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。

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)。

這些光線集很容易用于光線追跡軟件，精確模擬光線通過光學(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。

這些方法最終通過對(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)。

1. 引言（光源模型從光度到光譜）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

2. 集成光譜數(shù)據(jù)的方法

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。

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。

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。

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。

但使用高光譜成像測(cè)量系統(tǒng)存在一些不足：

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)。

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。

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)。

通過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：

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。

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。

通過在光源影像分布計(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。

然后，在光線生成的過程中，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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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)。

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。

3. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

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。

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。